复旦大学脑科学转化研究院 

有这么一则小故事，主人为了让驴一直跑，就用杆子挑着一根胡萝卜，吊在驴的面前，驴为了吃到胡萝卜就不停地向前走，走啊，走啊...

当然，这只是一个故事。有人拿一头真正的毛驴做了实验，吊着一根胡萝卜领着毛驴走，毛驴确实向胡萝卜所在的方向走了几步，但是当发现吃不到胡萝卜时就走开了。

这里面涉及了一个有趣的奖励记忆的机制。过去胡萝卜摆在前面，驴只要向前走就能吃到，于是当驴看到胡萝卜时，就会向前走，当前进这一行为无法缩短与胡萝卜的距离，与过去对奖励的记忆相违背时，这种对奖励的记忆就会消失。

图1：虚拟现实期间对小鼠CA1区星形胶质细胞进行双光子钙成像[3]

【活体双光子钙成像】

将病毒AAV5-gfaABC1D-cyto-GCaMP6f注射进小鼠海马体CA1区中（使用病毒载体AAV5，以星形胶质细胞特异性gfaABC1D为启动子，在CA1区的星形胶质细胞中特异性表达胞质靶向钙指示剂cyto-GCaMP6f），由于海马体距离小鼠大脑表面超过了双光子成像的最大深度（最大深度1mm），于是选择在锥体细胞层上方100 µm处放置成像窗口，用双光子显微镜对CA1区星形胶质细胞进行长期钙成像。

将双光子钙成像与定制的圆形虚拟现实（VR）设备相结合，训练头部固定的小鼠在跑步机皮带（皮带长度170 cm）上跑步，完成每圈 170 cm后给予一次水奖励，与虚拟环境中的特定位置相匹配。训练过的小鼠在4分钟内可以完成15圈跑动。

为了增加每段时间成像的星形胶质细胞ROI（regions of interest）的数量，使用聚焦于CA1区不同深度的电动快速可调焦透镜，在两个不同的FOV（fields of view）中对CA1星形胶质细胞进行双光子钙成像。

视频2：两个CA1区视场中的星形胶质细胞钙活动[3]

每个FOV中的成像结果以每秒7.745帧的速度采集，并在运动校正后显示，单个星形胶质细胞ROI在每个FOV中半自动分割获得。从而获得两个FOV中，单个星形胶质细胞在一段时间内的钙活动变化，提取来自每个ROI的信号后，计算Δ F/F，得出图1f。

图2：海马CA1区星形胶质细胞对奖励位置有记忆[3]

【海马星形胶质细胞编码奖赏位置】

小鼠星形胶质细胞可以对奖励位置形成记忆吗？左图不同的颜色代表小鼠在跑道上不同的位置，星号代表水奖励交付。随着小鼠向奖励位置的靠近，CA1区星形胶质细胞活动事件增加。右图每一条线代表一只小鼠，海马CA1区星形胶质细胞的同步钙活动随着向奖励位置靠近而升高，出现了明显向奖励位置的倾斜。这种倾斜说明海马CA1区星形胶质细胞对奖励位置产生了记忆。

图3：奖励位置不是实际的位置，而是奖励的属性[3]

奖励位置是奖励的属性还是实际的位置呢？当奖励在沿跑道的随机位置给予时，小鼠海马CA1区星形胶质细胞的同步钙活动向奖励位置的倾斜消失。当小鼠跑到第11圈时，在相同环境中的新位置给予奖励，倾斜消失，重新训练一段时间后，倾斜出现了恢复。两个实验均表明星形胶质细胞编码的位置不是实际位置，而是奖励的一种属性。

图4：对奖励位置的记忆依赖于熟悉的环境[3]

小鼠星形胶质细胞靠什么记忆奖励位置，是周围的环境吗？跑步机皮带提供触觉提示，虚拟现实显示器提供视觉提示。小鼠在特定触觉提示与视觉提示的组合中接受了一段时间的训练，这一组合被称为熟悉环境，改变触觉提示与视觉提示，形成新环境。星形胶质细胞活动在熟悉的环境中表现出向奖励位置的倾斜，但在新环境中却没有。在新环境中重新训练一段时间后，倾斜出现恢复。说明小鼠对奖励位置的记忆依赖于熟悉的环境。

图5：星形胶质细胞可以靠触觉记忆奖励位置[3]

此处的熟悉环境包括视觉线索和触觉线索，星形胶质细胞靠哪种感官记忆奖励位置？在熟悉的环境中训练小鼠，在成像过程中关闭虚拟现实显示器，视觉线索消失，水奖励在相同的位置给予。倾斜依旧存在，说明星形胶质细胞可以靠触觉记忆奖励位置。

图6：在熟悉环境中可以通过星形胶质细胞钙活动解码小鼠位置[3]