導語

在本周五晚的《》第十課中，北京師范大學文理學院系統(tǒng)科學系特聘研究員劉鶴老師將從神經(jīng)科學的視角切入，為各位集智學員的解答上面的問題，這門課程將帶您深入探索大腦學習記憶的復雜機制，理解其中精妙的神經(jīng)網(wǎng)絡與動態(tài)過程，這不僅有助于揭示人類認知的核心奧秘，更能為高效學習、記憶提升乃至人工智能的發(fā)展提供關(guān)鍵啟示。

WormHome丨來源

研究背景

饑餓作為一種能量缺乏的生理狀態(tài)，是影響動物認知與決策行為的關(guān)鍵內(nèi)部因素。動物依賴學習能力來適應環(huán)境，例如形成與食物線索相關(guān)的趨近性記憶或回避危險信號的厭惡性記憶。饑餓已被證實能通過神經(jīng)調(diào)質(zhì)和神經(jīng)肽改變神經(jīng)反應，從而增強注意力、攻擊性等認知功能，但其如何影響嗅覺學習的具體神經(jīng)機制尚不明確。研究存在兩個核心問題：首先，饑餓如何調(diào)控不同類型（厭惡性與趨近性）的嗅覺學習記憶的形成，其背后的特異性神經(jīng)環(huán)路是什么？其次，在進化上，這種由饑餓狀態(tài)調(diào)控認知的機制是否保守，例如在無脊椎動物（如線蟲）和脊椎動物（如小鼠）之間是否存在相似的神經(jīng)遞質(zhì)（如章魚胺/去甲腎上腺素）信號通路？

研究發(fā)現(xiàn)

2025年12月，來自中國北京師范大學的He Liu（劉鶴）團隊與四川大學的Wenxing Yang（楊文星）團隊合作在Advanced Science（中科院一區(qū)，IF=15.8）上發(fā)表了題為的Hungry for Knowledge: Octopamine Signaling Regulates Hunger-Enhanced Olfactory Learning文章。他們發(fā)現(xiàn)饑餓作為一種內(nèi)部生理狀態(tài)，通過保守的章魚胺/去甲腎上腺素神經(jīng)調(diào)質(zhì)系統(tǒng)，分別經(jīng)由RIC→ASH→AIA和RIC→AIY兩條特異性神經(jīng)環(huán)路，以加速厭惡性和趨近性嗅覺學習形成的分子與神經(jīng)機制。

研究過程

為了探究饑餓如何在線蟲體內(nèi)引發(fā)獨特的生理狀態(tài)，研究人員首先對飽腹、饑餓1小時和3小時三種條件下的線蟲進行了代謝組學分析。通過分析包括能量代謝、脂肪酸、氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì)在內(nèi)的537種代謝物，并利用主成分分析和通路富集方法，他們發(fā)現(xiàn)饑餓引發(fā)了顯著的代謝譜變化。這些變化主要體現(xiàn)在氨基酸及其衍生物（如色氨酸代謝途徑中的犬尿酸）和能量代謝相關(guān)分子（如支鏈氨基酸和谷胱甘肽）上。這些結(jié)果表明，饑餓不僅重塑了能量穩(wěn)態(tài)，還可能通過影響谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)代謝，為后續(xù)的學習過程改變奠定分子基礎。

在確認饑餓引起顯著生理變化后，研究需要明確這種狀態(tài)是否以及如何影響嗅覺學習。因此，研究人員利用經(jīng)典的厭惡嗅覺學習范式（將丁二酮氣味與食物缺失關(guān)聯(lián)），測試了不同饑餓處理對線蟲學習指數(shù)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在1小時訓練前施加1小時饑餓處理，能顯著增強線蟲的厭惡嗅覺學習，而這種增強效應在訓練后施加饑餓則不會出現(xiàn)。這表明饑餓狀態(tài)是促進后續(xù)學習的關(guān)鍵條件，而非學習后的效應。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，饑餓處理能加速記憶的形成，但并不提升已經(jīng)通過長時間訓練（2小時）達到的學習水平。

基于饑餓能增強學習的發(fā)現(xiàn)，下一步是探究其背后的神經(jīng)調(diào)質(zhì)機制。鑒于章魚胺在線蟲饑餓相關(guān)行為中的關(guān)鍵作用，研究人員首先通過給飽腹線蟲外源補充章魚胺，發(fā)現(xiàn)其能模擬饑餓狀態(tài)，同樣增強厭惡學習。接著，利用鈣成像技術(shù)觀察了線蟲體內(nèi)唯一的章魚胺能神經(jīng)元RIC，發(fā)現(xiàn)其在飽腹狀態(tài)下對丁二酮氣味無反應，而在饑餓狀態(tài)下則被顯著激活。最后，使用基于組胺門控氯離子通道（HisCl1）的化學遺傳學方法，在饑餓期間特異性抑制RIC神經(jīng)元，結(jié)果消除了饑餓對學習的增強效應。這一系列實驗表明，饑餓誘導的章魚胺從RIC神經(jīng)元釋放，是建立促進后續(xù)學習的內(nèi)在狀態(tài)的關(guān)鍵。

為了闡明該環(huán)路中具體的分子傳遞機制，研究人員進行了基因功能分析。他們發(fā)現(xiàn)，ASH神經(jīng)元上的章魚胺受體SER-3對于饑餓增強的學習是必需的，敲除ser-3或ASH特異性敲低其表達會消除學習效應。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ASH向AIA的傳遞依賴于谷氨酸信號，因為ASH特異性敲低囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運體eat-4會阻斷學習增強。在AIA端，興奮性谷氨酸受體GLR-2介導了饑餓期來自ASH的信號，而抑制性谷氨酸門控氯離子通道GLC-3則可能在訓練期參與了對AIA的抑制，共同促成了記憶的形成。

在揭示了饑餓增強厭惡學習的機制后，研究進一步探討其對另一種學習類型——趨近性嗅覺學習（將丁酮氣味與食物存在關(guān)聯(lián)）的影響。行為學實驗證實，饑餓同樣能加速趨近性學習。鈣成像顯示，RIC神經(jīng)元在饑餓狀態(tài)下也被丁酮激活，并且通過化學遺傳學抑制RIC或外源補充章魚胺，都能相應地消除或模擬饑餓對趨近性學習的增強效應。這表明章魚胺信號對兩種學習類型都有促進作用，但可能通過不同下游環(huán)路。

為了解析趨近性學習的下游環(huán)路，研究人員聚焦于另一個關(guān)鍵的中間神經(jīng)元AIY?；瘜W遺傳學抑制AIY在饑餓期或訓練期的活性，均會消除學習增強效應。進一步機制研究發(fā)現(xiàn)，AIY神經(jīng)元上的章魚胺受體SER-6，而非SER-3，是介導這一過程的關(guān)鍵分子。因此，他們解析出另一條獨立的、介導饑餓增強的趨近性嗅覺學習的神經(jīng)通路：RIC (章魚胺) → AIY (SER-6受體)。

為了探究饑餓增強學習的機制在進化上是否保守，研究將模型拓展至小鼠。行為學實驗發(fā)現(xiàn)，2天饑餓能顯著增強小鼠對與食物缺失關(guān)聯(lián)的丁二酮氣味的厭惡學習，以及對與食物存在關(guān)聯(lián)的丁二酮氣味的趨近性學習。重要的是，外周注射腎上腺素（能提升去甲腎上腺素水平）可以模擬饑餓的增強效應，而外周注射α1-腎上腺素能受體拮抗劑（不能透過血腦屏障）則會阻斷該效應，同時檢測到饑餓后血清去甲腎上腺素水平升高。這些結(jié)果表明，在哺乳動物中，外周來源的去甲腎上腺素可能通過α1-腎上腺素能受體，以類似線蟲章魚胺的方式，介導了饑餓狀態(tài)對嗅覺學習的調(diào)控。

研究總結(jié)

1 饑餓狀態(tài)能顯著加速秀麗隱桿線蟲對與食物缺失關(guān)聯(lián)的厭惡嗅覺學習和與食物存在關(guān)聯(lián)的趨近性嗅覺學習的形成。

2 饑餓誘導章魚胺能從RIC神經(jīng)元釋放，是增強上述兩種學習的關(guān)鍵神經(jīng)調(diào)質(zhì)信號。

3 研究揭示了兩種學習類型背后不同的神經(jīng)環(huán)路：厭惡學習經(jīng)由 RIC→ASH(SER-3)→AIA 環(huán)路，涉及谷氨酸受體GLR-2和GLC-3；而趨近性學習則通過 RIC→AIY(SER-6) 環(huán)路。

4 在小鼠模型中，饑餓同樣能增強嗅覺學習，且外周去甲腎上腺素信號及其α1-腎上腺素能受體可能扮演了類似章魚胺在無脊椎動物中的角色。

5 感覺神經(jīng)元ASH在本研究中不僅作為初級傷害性感受器，還在饑餓增強的厭惡學習環(huán)路中充當了接收章魚胺調(diào)質(zhì)信號的中間神經(jīng)元角色。

「系統(tǒng)科學前沿」系列課程第二期

在AI浪潮席卷、生命奧秘不斷揭示、社會演化加速的今天，我們對世界的理解正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。用個體視角難以解釋群體行為，單點優(yōu)化難以解決系統(tǒng)瓶頸，簡單因果邏輯在多因素交織中失效。復雜性不再是抽象概念，而是我們理解自然、生命與社會運行的底層邏輯。

繼的成功舉辦，北京師范大學系統(tǒng)科學學院與集智學園再度攜手，重磅推出。本期課程會帶領您從更深層次、更廣維度，洞察復雜系統(tǒng)背后的精妙秩序與演化之理，賦能您在科研、產(chǎn)業(yè)與個人成長中的創(chuàng)新實踐。

關(guān)于主辦方

北京師范大學-系統(tǒng)科學學科團隊

北京師范大學是中國系統(tǒng)科學學科的重要發(fā)源地之一，自20世紀70年代末即開始布局相關(guān)研究和教育體系。學院已建立起從本科到博士后完整的人才培養(yǎng)體系，并在復雜系統(tǒng)研究領域形成深厚積淀。依照北京師范大學“一體兩翼”辦學格局，北京師范大學系統(tǒng)科學學科研究生培養(yǎng)分別在北京校區(qū)和珠海校區(qū)進行。北京校區(qū)培養(yǎng)單位為系統(tǒng)科學學院、珠海校區(qū)培養(yǎng)單位是文理學院系統(tǒng)科學系（含復雜系統(tǒng)國際科學中心）

【北京校區(qū)】

北京校區(qū)系統(tǒng)科學研究團隊聚焦復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演化和控制等方面。研究內(nèi)容涵蓋從自然到社會的多個層面，尤其在復雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為與控制優(yōu)化、社會經(jīng)濟系統(tǒng)建模、生命與腦認知系統(tǒng)的自組織行為、多主體系統(tǒng)與智能算法、以及復雜系統(tǒng)的信息建模等方面形成了特色鮮明、國際接軌的研究方向，并在復雜網(wǎng)絡、腦科學、經(jīng)濟系統(tǒng)建模等研究領域取得了一系列有影響力的成果，多篇論文被國際權(quán)威期刊選為封面或亮點評述，并受到國內(nèi)外學術(shù)界和主流媒體廣泛關(guān)注。

【珠海校區(qū)】

珠海校區(qū)系統(tǒng)科學團隊由國際系統(tǒng)與控制科學院院士狄增如教授領銜。除院士工作站外，校區(qū)還建有廣東省高校系統(tǒng)涌現(xiàn)與自然智能重點實驗室，具備先進的實驗條件、完善的計算機系統(tǒng)支持與優(yōu)越的科研實踐平臺。團隊匯聚十余名優(yōu)秀的中青年教師，擁有堅實的數(shù)學與物理學基礎，長期在系統(tǒng)科學基礎理論、生物與腦科學、社會經(jīng)濟系統(tǒng)等交叉領域開展創(chuàng)新性研究。依托雄厚的人才力量與科研條件，團隊在研究生高質(zhì)量培養(yǎng)方面積累了豐富經(jīng)驗，取得了一系列具有原創(chuàng)性的研究成果，并在高水平學術(shù)期刊上發(fā)表多篇論文，產(chǎn)生了廣泛的國內(nèi)外學術(shù)影響。

珠海校區(qū)獨立招收本科、碩士、博士學生，頒發(fā)學位證書同北京校區(qū)一樣。同時，珠海校區(qū)也提供博后與青年P(guān)I職位。

集智學園：

集智學園作為集智科學研究中心孕育的商業(yè)公司，力圖傳播復雜科學、人工智能等前沿知識和新興技術(shù)，促進、推動復雜科學領域的知識探索與生態(tài)構(gòu)建。合作伙伴包括騰訊、華為、北京師范大學、湖畔大學、混沌大學等多家知名機構(gòu)。2019年被評定為“中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)”和“國家高新技術(shù)企業(yè)”。

口號：學復雜科學，到集智學園

使命：梳理復雜知識體系，普及科學理論方法。

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