研究人員12月22日在《細胞》雜志上報告說，一種多區(qū)域的大腦回路允許斑馬魚幼魚追蹤它們在哪里，去過哪里，以及在被轉(zhuǎn)移后如何回到原來的位置。研究結(jié)果揭示了幼體斑馬魚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導航。

“我們研究了一種行為，在這種行為中，幼魚斑馬魚必須記住過去的位移，以準確地保持它們在空間中的位置，例如，水流可以把它們沖到自然環(huán)境的危險區(qū)域，”霍華德·休斯醫(yī)學研究所珍妮利亞研究校園的高級作者Misha Ahrens說。“然而，我們還不知道它們是否會在很長一段時間內(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——我們稱之為位置穩(wěn)態(tài)。這種能力在動物行為學上是至關(guān)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(huán)境中的位置。它們將自我定位信息用于許多重要行為，例如在訪問未知和潛在危險的地區(qū)后有效地返回安全地點，再次訪問食物豐富的地區(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，以及它們通過什么途徑控制運動。

Howard Hughes醫(yī)學研究所Janelia研究園區(qū)的第一作者En Yang說:“這種回路很難精確定位，因為神經(jīng)科學通常依賴于預先選擇的大腦區(qū)域的細胞記錄，這些區(qū)域覆蓋了大腦中所有神經(jīng)元的一小部分。”

在這項新的研究中，研究人員開始在幼魚斑馬魚中識別完整的導航回路，從運動積分器到運動前中心，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。通過對每只動物超過10萬個神經(jīng)元的訪問，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)了一個多區(qū)域的后腦回路，它介導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)，并提供了對其功能的電路水平、表征和控制理論理解。該系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境的閉環(huán)中運行，環(huán)境-大腦-行為循環(huán)包括集成、自我定位的神經(jīng)表征和運動控制，”Ahrens說。“這些結(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)科學的概念，如自我定位和運動控制，這些概念通常是分開研究的。”

全腦功能成像不僅揭示了幼體斑馬魚位置內(nèi)穩(wěn)態(tài)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，底層電路通過整合視覺信息，在背腦干中計算自我定位，形成對過去位移的記憶。這種自我定位的表示被下橄欖讀取為一個持久的位置誤差信號，反映了魚的原始位置和當前位置之間的差異。這個信號被轉(zhuǎn)換成移動輸出，糾正累積位移在許多秒的過程中。

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

“我們在位置記憶和位置穩(wěn)態(tài)方面的結(jié)果與進化上古老的大腦區(qū)域?qū)Ω唠A行為起核心作用的觀點相一致，”Ahrens說。認知過程廣泛分布在神經(jīng)系統(tǒng)中，這一觀點與進化命題一致，即復雜行為的出現(xiàn)，在一定程度上是通過在執(zhí)行相關(guān)計算的古老大腦結(jié)構(gòu)上構(gòu)建新的電路來實現(xiàn)的。因此，對全腦神經(jīng)活動的調(diào)查可能對確定分布式認知功能的機制至關(guān)重要。”

這項工作得到了霍華德·休斯醫(yī)學研究所和西蒙斯基金會的支持。

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