在Vivo光学钙成像学习诱导突触可塑性在果蝇黑色素增生

通过学习在大脑中获取信息的位置和方式，然后存储为记忆，是神经科学^中最具挑战性的任务之一。神经科学研究已经导致突触传播的概念改变，作为神经元基质的基础，学习和记忆^{形成2，3。}据推测，在学习期间，在刺激感知期间活跃的神经元集合之间的突触连接会被修改，从而在记忆记忆记忆期间可以检索其组合活动模式，从而指导未来的行为^行动4。这些”基因细胞”及其突触通常分布在大脑区域和处理水平，这使得很难将突触传播的观察到的变化分配给学习任务或刺激。要本地化和可视化那些与特定学习任务有因果关系的突触变化，需要一个适当的模型系统，以便精确限制这些突触。

对于这样的努力，果蝇黑色素是特别适合的，因为它结合了相对的大脑简单性，行为丰富，和实验可访问性。在成熟的模型生物中，果蝇位于线虫和基因可处理的哺乳动物（如小鼠）之间的神经元复杂性。在C.elegans中观察到神经元的立体数量（+300）和有限的行为表谱。另一方面，哺乳动物拥有数百万个神经元和惊人的行为复杂性。果蝇的大脑有10万欧元，神经元比大多数脊椎动物的大脑小得多，许多神经元是单独可识别^的5。然而，果蝇表现出广泛的复杂行为，包括表现出强大的关联嗅觉学习和记忆形成的能力，第一次描述超过40^年前6。在这个经典的调理过程中，成群的苍蝇受到一种气味作为条件刺激（CS^+），而他们接受惩罚电击作为无条件的刺激（美国）。然后，第二种气味 （ CS^–） 被呈现，没有任何惩罚.因此，动物学会避免与惩罚相关的气味，这可以在两种气味，CS⁺和CS^–之间的后续选择情况进行测试。在果蝇中解剖这种行为背后的神经元基质的工作已经确定蘑菇体（MB）是”engram”7、8、9、10的主要部位。因此，这个大脑区域的电路是，也是密集研究的主题，以揭示记忆密码被获取和存储的逻辑（最近回顾^{在11，12）。}

果蝇MB由每半球2，000个内在神经元（Kenyon细胞）组成，以平行的斧子^投影13组织。嗅觉投影神经元的斧子扩展到侧原体和MB calyces，MB的主要树突输入位点，并从天线叶接收嗅觉输入。长，平行的斧子束的肯扬细胞构成脚轮和叶。大多数Kenyon细胞通过将一个抵押品伸向大脑的中线，形成水平β/β-叶，并通过向背向前方向延伸第二个抵押品，形成水平β/β-叶。另一组肯扬细胞形成MB的水平β-^叶13，其中学习过程和随后的短期记忆形成可以^{本地化10。}MB 叶接收一个正位输入并提供有效输出，这两个输出通常都限制在肯扬细胞^{斧14、15、16}上不同的隔间子区域。特别是，一个多巴胺能MB输入神经元已被证明调解基于价值，例如，惩罚性，增强作用在关联嗅觉^{学习15，17}。来自蘑菇体叶的立体和单独可识别的可识别的 MB 输出神经元集成了大量 Kenyon 细胞中的信息，针对不同的大脑区域，并承担行为指导性或厌恶性信息¹⁵.这种神经元结构导致了关联形图的组织概念。气味由稀疏激活的Kenyon细胞集合相对精确编码。这些Kenyon细胞组合的重合活性和多巴胺的释放 – 通过惩罚刺激引起的 – 调节从Kenyon细胞前突子到MB输出神经元的传输，使动物随后避免这种特殊^{的气味10 ， 12}.我们使用这个相当精确定义和本地化的语法作为范例案例来说明如何确定和监测突触活动中的这些与学习相关的变化。

果蝇作为模型系统的价值强烈依赖于无与伦比的基因工具箱，它允许人们表达转基因，以识别，监测和控制复杂^电路18中的单个神经元。神经元活动监测技术的出现（如钙成像，这里讨论）使得能够确定神经元活动模式以响应特定的刺激。通过将基因编码的钙指标（GECIs）的特定Gal4驱动表达与嗅觉刺激相结合，可以可视化感兴趣的神经元的异味引起的钙^{动力学19。}在此协议中，通过进一步将此技术与经典调理范式耦合，可以在学习环境中检查这些嗅觉响应。学习诱导的可塑性可以使用 GECIs 进一步解剖，这些 GECIs 不仅被本地化为单个特定神经元，而且还可分解到神经元的特定子隔间。Pech^等人20建立了一系列工具，正是允许这一点。通过将GCaMP3²¹定位到前或后发孔-通过与脊椎动物突触素或d荷马，^分别20个链接- 这些位点的差分调制可以区分。在此上下文中，这种本地化比大多数在细胞醇中普遍存在的 GECA 具有优势，例如，GCaMP 22、GCaMP3²¹或 GCaMP6²³ ，因为这意味着前和后瞬变可以区别于神经元激活后发生的整体综合钙流入。这可以提供有关由于或导致学习和记忆形成而发生的可塑性的位置和类型的线索。例如，此处提供的协议显示了此工具在嗅觉关联学习期间破译 MB 输出神经元调制的价值，将钙传感器的表达定向到仅对贴子的表达。通过监测，在单个苍蝇内，嗅觉调理前后的异味活动可以直接比较天真的气味反应和所学的气味反应。虽然固定在同一成像室，苍蝇暴露于多种气味。然后，他们收到一个厌恶的关联调理协议，其中一种气味与电击（^成为CS+）配对，而另一种气味在没有强化的情况下呈现（成为CS^-）。最后，苍蝇再次暴露在与第一步相同的气味中。使用双光子显微镜观察钙动力学。