研究人員12月22日在《細(xì)胞》雜志上報(bào)告說(shuō)，一種多區(qū)域的大腦回路允許斑馬魚(yú)幼魚(yú)追蹤它們?cè)谀睦?，去過(guò)哪里，以及在被轉(zhuǎn)移后如何回到原來(lái)的位置。研究結(jié)果揭示了幼體斑馬魚(yú)在被洋流推離航道后如何追蹤自己的位置并利用這一位置來(lái)導(dǎo)航。

“我們研究了一種行為，在這種行為中，幼魚(yú)斑馬魚(yú)必須記住過(guò)去的位移，以準(zhǔn)確地保持它們?cè)诳臻g中的位置，例如，水流可以把它們沖到自然環(huán)境的危險(xiǎn)區(qū)域，”霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮利亞研究校園的高級(jí)作者M(jìn)isha Ahrens說(shuō)?！叭欢?，我們還不知道它們是否會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)明確地跟蹤自己的位置，并使用記憶的位置信息返回到之前的位置——我們稱(chēng)之為位置穩(wěn)態(tài)。這種能力在動(dòng)物行為學(xué)上是至關(guān)重要的，因?yàn)榘唏R魚(yú)幼魚(yú)間歇性地游泳，休息時(shí)隨著水流移動(dòng)?！?/p>

許多動(dòng)物都能記錄它們?cè)诃h(huán)境中的位置。它們將自我定位信息用于許多重要行為，例如在訪(fǎng)問(wèn)未知和潛在危險(xiǎn)的地區(qū)后有效地返回安全地點(diǎn)，再次訪(fǎng)問(wèn)食物豐富的地區(qū)，以及避免在食物匱乏的地區(qū)覓食。雖然自我定位在海馬體的形成中得到了體現(xiàn)，但目前還不清楚這種表現(xiàn)是如何產(chǎn)生的，它們是否存在于更古老的大腦區(qū)域，以及它們通過(guò)什么途徑控制運(yùn)動(dòng)。

Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所Janelia研究園區(qū)的第一作者En Yang說(shuō):“這種回路很難精確定位，因?yàn)樯窠?jīng)科學(xué)通常依賴(lài)于預(yù)先選擇的大腦區(qū)域的細(xì)胞記錄，這些區(qū)域覆蓋了大腦中所有神經(jīng)元的一小部分。”

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員開(kāi)始在幼魚(yú)斑馬魚(yú)中識(shí)別完整的導(dǎo)航回路，從運(yùn)動(dòng)積分器到運(yùn)動(dòng)前中心，通過(guò)在依賴(lài)于自我定位的行為過(guò)程中以細(xì)胞分辨率對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行詳盡的成像和分析。通過(guò)對(duì)每只動(dòng)物超過(guò)10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的訪(fǎng)問(wèn)，揭示了以前未知的與自我定位有關(guān)的大腦區(qū)域，從而發(fā)現(xiàn)了一個(gè)多區(qū)域的后腦回路，它介導(dǎo)了從速度到位移記憶到行為的轉(zhuǎn)變。

“我們的研究結(jié)果揭示了脊椎動(dòng)物后腦中自我定位和相關(guān)行為的神經(jīng)系統(tǒng)，并提供了對(duì)其功能的電路水平、表征和控制理論理解。該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境的閉環(huán)中運(yùn)行，環(huán)境-大腦-行為循環(huán)包括集成、自我定位的神經(jīng)表征和運(yùn)動(dòng)控制，”Ahrens說(shuō)?！斑@些結(jié)果表明，有必要在整體層面上考慮大腦，并統(tǒng)一系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的概念，如自我定位和運(yùn)動(dòng)控制，這些概念通常是分開(kāi)研究的?！?/p>

全腦功能成像不僅揭示了幼體斑馬魚(yú)位置內(nèi)穩(wěn)態(tài)的存在，還揭示了大腦如何識(shí)別和糾正斑馬魚(yú)位置的變化。當(dāng)動(dòng)物主動(dòng)或被動(dòng)地改變位置時(shí)，底層電路通過(guò)整合視覺(jué)信息，在背腦干中計(jì)算自我定位，形成對(duì)過(guò)去位移的記憶。這種自我定位的表示被下橄欖讀取為一個(gè)持久的位置誤差信號(hào)，反映了魚(yú)的原始位置和當(dāng)前位置之間的差異。這個(gè)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成移動(dòng)輸出，糾正累積位移在許多秒的過(guò)程中。

作者說(shuō)，這種多區(qū)域回路在哺乳動(dòng)物中具有潛在的解剖學(xué)和功能同源性，并可能與其他已知的自我定位表征相互作用。此外，這項(xiàng)工作還將自我定位和橄欖小腦運(yùn)動(dòng)控制聯(lián)系起來(lái)，并建立了脊椎動(dòng)物后腦作為目標(biāo)導(dǎo)向?qū)Ш叫袨榈纳窠?jīng)控制中心。

“我們?cè)谖恢糜洃浐臀恢梅€(wěn)態(tài)方面的結(jié)果與進(jìn)化上古老的大腦區(qū)域?qū)Ω唠A行為起核心作用的觀點(diǎn)相一致，”Ahrens說(shuō)。認(rèn)知過(guò)程廣泛分布在神經(jīng)系統(tǒng)中，這一觀點(diǎn)與進(jìn)化命題一致，即復(fù)雜行為的出現(xiàn)，在一定程度上是通過(guò)在執(zhí)行相關(guān)計(jì)算的古老大腦結(jié)構(gòu)上構(gòu)建新的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)全腦神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)查可能對(duì)確定分布式認(rèn)知功能的機(jī)制至關(guān)重要?！?/p>

這項(xiàng)工作得到了霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所和西蒙斯基金會(huì)的支持。

En Yang, Maarten F. Zwart, Ben James, Mikail Rubinov, Ziqiang Wei, Sujatha Narayan, Nikita Vladimirov, Brett D. Mensh, James E. Fitzgerald, Misha B. Ahrens. A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish. Cell, 2022; 185 (26): 5011