科學家揭示斑馬魚大腦空間信息表達機制

中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員李孟與德國馬克斯普朗克學會生物控制論研究所合作，證實了在斑馬魚幼魚端腦中存在編碼空間的神經元，表明斑馬魚可作為研究空間信息在全腦尺度表達及處理的全新模式動物，為開發類腦空間計算及類腦導航提供了理論基礎和生物機理支持。相關研究發表于《自然》。

當來到一座陌生的城市時，我們會使用各種線索——某些地標、在一個方向上走了多遠的感覺、又或者是一條無法穿越的河流，來創建外部環境的內部地圖。在大腦深處一個被叫做“海馬體”的腦區中，一組位置細胞在構建外部世界的內部地圖方面發揮著關鍵作用。當處于空間中的特定位置時，這些位置細胞就會激發，并可以自我組織成一系列不同的思維地圖。

在哺乳動物上超過半個世紀的研究表明，這種空間地圖是由多種信息源創建的，包括遠處和近處的地標、環境的幾何特征以及動物的自我運動整合。同時，哺乳動物研究揭示了空間認知的關鍵計算構建模塊，然而這些模塊是何時以及如何在進化過程中出現的，還亟待探索。長期以來，關于硬骨魚大腦中海馬體的位置存在與否，是一個激烈爭論的科學問題，并且存在各種相互矛盾的模型。

為解決上述問題，研究團隊對自由游動的幼年斑馬魚進行了全腦成像，首次發現了幼年斑馬魚大腦中存在位置細胞的令人信服的證據，揭示了硬骨魚大腦中空間信息的功能特性和解剖分布。

帶有視覺線索的實驗場景揭示了幼年斑馬魚大腦中的位置細胞。圖片來源于《自然》

與編碼方向和速度的細胞相比，大多數位置細胞位于斑馬魚前腦中的端腦區域，表明該區域是哺乳動物海馬體的類似功能區域，只是體積縮小了。這些位置編碼神經元可以用來解碼動物隨時間變化的空間位置。進一步將這一群體編碼投射到二維活動流形上，研究團隊觀察到了斑馬魚大腦中空間表達隨時間的演變。

此外，斑馬魚大腦中編碼空間信息的神經元網絡，可能同時集成了類似于哺乳動物位置細胞的異位和自位信息特性。與哺乳動物中類似，這些空間信息編碼神經元顯示出組裝結構的特性，即位置細胞之間的相關性比預期的要強。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07867-2