在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究人員指出一個(gè)多區(qū)域的大腦回路使得幼年斑馬魚(yú)能夠追蹤它們?cè)谀睦?，它們?cè)?jīng)去過(guò)哪里，以及在流離失所后如何回到它們?cè)瓉?lái)的位置。這一研究結(jié)果闡明了幼年斑馬魚(yú)如何追蹤它們自己的位置，并在被水流推離方向后利用這一點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年12月22日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish”。

論文共同通訊作者、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)的Misha Ahrens說(shuō)，“我們研究了一種行為，在這種行為中，幼年斑馬魚(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，水流會(huì)把它們卷進(jìn)它們自然環(huán)境中的危險(xiǎn)區(qū)域。然而，它們是否明確地在很長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)追蹤它們的位置，并使用記憶中的位置信息返回到它們?cè)缙诘奈恢?--我們稱之為位置平衡（positional homeostasis）的行為---尚不清楚。這種能力在倫理學(xué)上可能是至關(guān)重要的，因?yàn)橛啄臧唏R魚(yú)間歇性地游泳，并且在休息時(shí)被水流沖走。”

許多動(dòng)物都會(huì)跟蹤它們?cè)诃h(huán)境中的位置。它們將自我定位信息用于許多重要的行為，如在訪問(wèn)未知和潛在的危險(xiǎn)區(qū)域后有效地返回到安全地點(diǎn)，重新訪問(wèn)食物豐富的區(qū)域，并避免在食物貧乏的區(qū)域覓食。雖然自我定位在海馬體形成中得到了表征，但這種表征是如何產(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)，目前還不得而知。

論文共同通訊作者、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)的En Yang說(shuō)，“這樣的大腦回路一直難以確定，因?yàn)樯窠?jīng)科學(xué)通常依賴于利用從預(yù)先選擇的大腦區(qū)域的細(xì)胞進(jìn)行記錄，這些細(xì)胞只占大腦中所有神經(jīng)元的一小部分。”

在這項(xiàng)新的研究中，這些作者著手確定幼年斑馬魚(yú)的完整導(dǎo)航回路，從運(yùn)動(dòng)整合器（motion integrator）到前運(yùn)動(dòng)中心（premotor center），通過(guò)在一種依賴自我定位的行為中以細(xì)胞分辨率詳盡地對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行成像和分析。對(duì)每只幼年斑馬魚(yú)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的訪問(wèn)揭示了以前不知道的參與自我定位的大腦區(qū)域，從而發(fā)現(xiàn)了一個(gè)多區(qū)域的后腦回路，該后腦回路通過(guò)位移記憶（displacement memory），介導(dǎo)從速度到行為的轉(zhuǎn)變。

Ahrens說(shuō)，“我們的研究結(jié)果揭示了脊椎動(dòng)物后腦的自我定位和相關(guān)行為的神經(jīng)系統(tǒng)，并對(duì)它的功能提供了回路水平的、表征的和控制理論的理解。該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下以封閉的回路運(yùn)行，這種環(huán)境-大腦-行為回路包括整合、自我定位的神經(jīng)表征和運(yùn)動(dòng)控制。這些結(jié)果表明，有必要在整體水平上考慮大腦，并統(tǒng)一系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的概念---比如自我定位和運(yùn)動(dòng)控制，這些概念之前往往被分開(kāi)研究。”

圖片來(lái)自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.022。

全腦功能成像不僅揭示了幼年斑馬魚(yú)的位置平衡的存在，而且揭示了大腦如何識(shí)別和校正斑馬魚(yú)位置的變化。這種回路通過(guò)整合視覺(jué)信息，在斑馬魚(yú)主動(dòng)或被動(dòng)地改變其位置時(shí)，在背側(cè)腦干中計(jì)算自我定位，形成對(duì)過(guò)去位移的記憶。這種自我定位的表征被下橄欖核讀取為一個(gè)持久的位置誤差信號(hào)，反映了斑馬魚(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)換成運(yùn)動(dòng)輸出，以便在幾秒內(nèi)校正累積位移。

這些作者說(shuō)，這個(gè)多區(qū)域回路在哺乳動(dòng)物中具有潛在的解剖和功能同源性，并可能與其他已知的自我定位表征相互作用。此外，這項(xiàng)新的研究將自我定位和橄欖小腦運(yùn)動(dòng)控制聯(lián)系起來(lái)，并將脊椎動(dòng)物的后腦確立為目標(biāo)導(dǎo)向的導(dǎo)航行為的神經(jīng)控制中心。

Ahrens說(shuō)，“我們關(guān)于位置記憶和位置平衡的結(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)一致。認(rèn)知過(guò)程廣泛分布于整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的想法與進(jìn)化論的主張相一致，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)建新的回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的全腦調(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。”（ Bioon.com）

參考資料：

1. En Yang et al. A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.022.

2. Scientists identify neural circuit that enables self-localization in zebrafish
https://medicalxpress.com/news/2022-12-scientists-neural-circuit-enables-self-localization.html