斑馬魚幼魚能夠弄清它們在哪里，去過哪里，以及如何回到原來的位置。幼體斑馬魚在被洋流推離航道后如何追蹤自己的位置并導航呢？科學家發現，這與一種多區域的大腦回路有關。相關研究近日發表于《細胞》。
“我們研究了一種行為，在這種行為中，斑馬魚幼魚必須記住過去的位移，以準確地保持它們的位置，因為水流可能把它們沖到危險區域。”論文通訊作者、美國霍華德·休斯醫學研究所的Misha Ahrens說，“然而，我們還不知道它們是否會在很長一段時間內跟蹤自己的位置，并使用記憶的位置信息返回到之前的位置——我們稱之為位置穩態。這種能力在動物行為學上是至關重要的，因為斑馬魚幼魚間歇性地游泳，休息時隨著水流移動。”
許多動物都能記錄它們在環境中的位置，并將自我定位信息用于許多重要行為，例如在到達未知和潛在危險地區后能返回安全地點，再次到達食物豐富的地區，以及避免在食物匱乏的地區覓食。雖然自我定位表現在海馬體結構中，但目前還不清楚這是如何產生的，是否存在于更古老的大腦區域，以及通過什么途徑控制運動。
論文第一作者、霍華德·休斯醫學研究所的En Yang說：“這種回路很難精確定位，因為神經科學研究通常依賴于預先選擇的大腦區域細胞的相關記錄，這些區域僅覆蓋了大腦中所有神經元的一小部分。”
在這項新研究中，研究人員通過在依賴于自我定位的行為過程中以細胞分辨率對整個大腦進行詳盡的成像和分析，希望識別斑馬魚幼魚完整的導航回路。通過對每條斑馬魚超過10萬個神經元的分析，研究人員揭示了以前未知的與自我定位有關的大腦區域，并發現了一個多區域的后腦回路，它介導了從速度到位移記憶再到行為轉變。
“我們的研究結果揭示了脊椎動物后腦中自我定位和相關行為的神經系統，并提供了對其功能的理論理解。該系統在動態環境的閉環中運行，環境—大腦—行為循環包括集成、自我定位的神經表征和運動控制。”Ahrens說，“這些結果表明，有必要在整體層面上考慮大腦，并統一系統神經科學概念，如自我定位和運動控制，這些通常是分開研究的。”
全腦功能成像不僅揭示了斑馬魚幼魚位置穩態的存在，還揭示了大腦如何識別和糾正斑馬魚位置的變化。當動物主動或被動地改變位置時，底層回路通過整合視覺信息，在背側腦干中計算定位，形成對過去位移的記憶。相關數據被下橄欖體讀取為一個持久的位置誤差信號，能反映魚的原始位置和當前位置之間的差異，最后這個信號被轉換成動作輸出。
作者說，這種多區域回路還可能與其他已知的自我定位特征相互作用，該研究還將自我定位和橄欖小腦束運動控制聯系起來，并將脊椎動物后腦作為目標導向導航行為的神經控制中心。
“認知過程廣泛分布在整個神經系統，這一觀點與復雜行為進化命題一致，即復雜行為在一定程度上是通過在執行相關計算的古老大腦結構上構建新的回路來實現的。因此，對全腦神經活動的研究可能對確定分布式認知功能的機制至關重要。”Ahren說。
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