生命学院钟毅课题组揭示不同学习任务相互干扰的生物调控机制

　　“不是我不明白，这世界变化快。”正如歌词里所写，我们的生活变化太快，快到昨天才学的新知识，今天可能就已经不适用了。类似的烦恼并不独属于人类，其他动物的生存环境也同样发生着不可预知的新变化。经过亿万年的演化，动物们的大脑已经具备强大的能力来妥善协调新旧记忆之间的相互干扰，从而更好地适应生存环境的变化。这种强大的协调能力是生物脑能够持续学习多任务并灵活适应环境变化的关键因素，也是目前人工智能持续学...

　　

“不是我不明白，这世界变化快。”正如歌词里所写，我们的生活变化太快，快到昨天才学的新知识，今天可能就已经不适用了。类似的烦恼并不独属于人类，其他动物的生存环境也同样发生着不可预知的新变化。经过亿万年的演化，动物们的大脑已经具备强大的能力来妥善协调新旧记忆之间的相互干扰，从而更好地适应生存环境的变化。这种强大的协调能力是生物脑能够持续学习多任务并灵活适应环境变化的关键因素，也是目前人工智能持续学习领域迫切希望得到突破的能力。然而，这种能力背后的生物学原理还未得到深入理解，需要研究者们不断地探索和开拓。

能适应真实环境变化的持续学习能力是各种动物天生具备的，但却是人工智能的巨大挑战。这种能力的一个重要表现是，生物脑可以适应性地调整新旧任务之间的相互干扰，包括前摄干扰和后摄干扰。旧任务对新任务的干扰叫做前摄干扰（Proactive interference, Pro-I），而新任务对旧任务的干扰叫做后摄干扰（Retroactive interference, Retro-I）。尽管我们对单个任务的学习和记忆的分子机制已经有很多研究和理解，但两个不同任务间相互干扰的生物机制仍不清楚。

心理学研究发现，多个维度的因素可以影响前摄干扰，如新旧任务的内容相似度、学习环境相似度、任务时间间隔等。在新发表的研究工作中，果蝇的前摄干扰也同样受到这三种因素的影响。新旧任务的内容或学习环境越相似，前摄干扰越严重。新旧任务的时间间隔越短，前摄干扰越严重。相比之下，后摄干扰并不受到任务时间间隔的影响。已经报道过的后摄干扰调控分子Rac1并不参与调控前摄干扰现象。随后，研究者们发现改变csw基因（人类PTPN11的同源基因）的表达可以双向地调控前摄干扰，而不影响后摄干扰。进一步的研究发现，在几百个短期记忆神经元中操控csw基因的表达就足以调控前摄干扰。并且这种调控依赖Raf/MAPK的下游分子通路。

新旧任务相互干扰的分子机制示意图

这些新的发现表明，生物脑使用不同的分子机制来调控新旧任务之间的相互干扰：CSW/Raf/MAPK分子通路调控前摄干扰，而Rac1通路调控后摄干扰。由于CSW/Raf/MAPK分子通路是努南氏综合症的关键致病因素，而Rac1通路异常与自闭症和阿尔茨海默症的认知障碍相关，后续深入的研究可能有助于理解这些疾病的病理机制。果蝇的微观神经网络已经有了非常深入和精细的研究，后续在神经环路方面对新旧记忆相互干扰机制的解析可能为人工智能持续学习提供直接的启发。

此部分研究工作于2023年3月21日发表于eLife期刊，题为“果蝇的两个连续学习任务间相互干扰机制的遗传解析”（Genetic dissection of mutual interference between two consecutive learning tasks in Drosophila），发现果蝇连续学习两个不同任务时，新旧任务之间的相互干扰由不同的分子机制进行调控。新任务对旧任务的干扰由Rac1分子通路调控，而旧任务对新任务的干扰由CSW/Raf/MAPK分子通路调控。这两个分子通路在演化中高度保守。已有研究表明，Rac1分子通路的异常与自闭症和阿尔茨海默症的认知缺陷有关，而CSW/Raf/MAPK分子通路上的基因突变是一种有学习缺陷的遗传疾病努南氏综合症的关键致病因素。

清华大学生命科学学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、清华-北大生命科学联合中心钟毅课题组的李乾助理研究员是此工作的通讯作者。清华大学2016级已毕业博士生赵建建是该文章的第一作者。清华大学2014级已毕业博士生张煦晨、2015级已毕业博士生赵博涵、博士后胡皖桐、本科生刁彤欣、2019级博士生王立元和钟毅教授为本文的共同作者。本研究得到了国家自然科学基金委面上项目（31970955）和创新群体项目（32021002）以及清华-北大生命科学联合中心的经费资助。

原文链接：https://doi.org/10.7554/eLife.83516