Cell:在斑马鱼身上发现了一个能够自我定位的大脑回路

发布时间:2023-01-03 10:32:23
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在一项新的研究中,来自美国霍华德-休斯医学研究所的研究人员指出一个多区域的大脑回路使得幼年斑马鱼能够追踪它们在哪里,它们曾经去过哪里,以及在流离失所后如何回到它们原来的位置。这一研究结果阐明了幼年斑马鱼如何追踪它们自己的位置,并在被水流推离方向后利用这一点进行导航。相关研究结果发表在2022年12月22日的Cell期刊上,论文标题为“A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish”。


论文共同通讯作者、霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的Misha Ahrens说,“我们研究了一种行为,在这种行为中,幼年斑马鱼必须记住过去的位移,以准确地保持它们在空间中的位置,例如,水流会把它们卷进它们自然环境中的危险区域。然而,它们是否明确地在很长的时间范围内追踪它们的位置,并使用记忆中的位置信息返回到它们早期的位置---我们称之为位置平衡(positional homeostasis)的行为---尚不清楚。这种能力在伦理学上可能是至关重要的,因为幼年斑马鱼间歇性地游泳,并且在休息时被水流冲走。”

许多动物都会跟踪它们在环境中的位置。它们将自我定位信息用于许多重要的行为,如在访问未知和潜在的危险区域后有效地返回到安全地点,重新访问食物丰富的区域,并避免在食物贫乏的区域觅食。虽然自我定位在海马体形成中得到了表征,但这种表征是如何产生的,它们是否存在于更古老的大脑区域,以及它们通过什么途径控制运动,目前还不得而知。

论文共同通讯作者、霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的En Yang说,“这样的大脑回路一直难以确定,因为神经科学通常依赖于利用从预先选择的大脑区域的细胞进行记录,这些细胞只占大脑中所有神经元的一小部分。”

在这项新的研究中,这些作者着手确定幼年斑马鱼的完整导航回路,从运动整合器(motion integrator)到前运动中心(premotor center),通过在一种依赖自我定位的行为中以细胞分辨率详尽地对整个大脑进行成像和分析。对每只幼年斑马鱼超过10万个神经元的访问揭示了以前不知道的参与自我定位的大脑区域,从而发现了一个多区域的后脑回路,该后脑回路通过位移记忆(displacement memory),介导从速度到行为的转变。

Ahrens说,“我们的研究结果揭示了脊椎动物后脑的自我定位和相关行为的神经系统,并对它的功能提供了回路水平的、表征的和控制理论的理解。该系统在动态环境下以封闭的回路运行,这种环境-大脑-行为回路包括整合、自我定位的神经表征和运动控制。这些结果表明,有必要在整体水平上考虑大脑,并统一系统神经科学的概念---比如自我定位和运动控制,这些概念之前往往被分开研究。”


图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.022。

全脑功能成像不仅揭示了幼年斑马鱼的位置平衡的存在,而且揭示了大脑如何识别和校正斑马鱼位置的变化。这种回路通过整合视觉信息,在斑马鱼主动或被动地改变其位置时,在背侧脑干中计算自我定位,形成对过去位移的记忆。这种自我定位的表征被下橄榄核读取为一个持久的位置误差信号,反映了斑马鱼的原始位置和当前位置之间的差异。这个信号被转换成运动输出,以便在几秒内校正累积位移。

这些作者说,这个多区域回路在哺乳动物中具有潜在的解剖和功能同源性,并可能与其他已知的自我定位表征相互作用。此外,这项新的研究将自我定位和橄榄小脑运动控制联系起来,并将脊椎动物的后脑确立为目标导向的导航行为的神经控制中心。

Ahrens说,“我们关于位置记忆和位置平衡的结果与进化上古老的大脑区域对高阶行为起核心作用的观点一致。认知过程广泛分布于整个神经系统的想法与进化论的主张相一致,即复杂行为的出现,在一定程度上是通过在执行相关计算的古老大脑结构上构建新的回路来实现的。因此,对神经活动的全脑调查可能对确定分布式认知功能的机制至关重要。”
来源:生物谷