科学家确定了能够在斑马鱼中进行自我定位的神经回路

研究人员在12月22日的《细胞》杂志上报告说，多区域脑回路允许斑马鱼幼虫追踪它们所在的位置、它们去过的地方，以及在流离失所后如何回到原来的位置。结果揭示了幼虫斑马鱼如何追踪自己的位置，并在被水流推离航道后利用它来导航。

“我们研究了一种行为，在这种行为中，斑马鱼幼虫必须记住过去的位移才能准确地保持它们在空间中的位置，因为例如，水流可以将它们冲入自然环境的危险区域，”JaneliaResearchCampus的资深作者MishaAhrens说，霍华德休斯医学院。“然而，尚不清楚他们是否会在长时间内明确跟踪自己的位置，并使用记忆的位置信息返回到较早的位置——我们称之为位置稳态的行为。这种能力在行为学上可能是至关重要的，因为斑马鱼幼虫会间歇性游动并随水流移动休息期间。”

许多动物会跟踪它们在环境中的位置。他们将自我定位信息用于许多重要行为，例如在访问未知和潜在危险区域后有效地返回安全位置、重新访问食物丰富的区域以及避免在食物匮乏的区域觅食。虽然自我定位在海马体结构中得到体现，但尚不清楚此类表征是如何产生的，它们是否存在于更古老的大脑区域，以及它们通过什么途径控制运动。

“这种回路很难确定，因为神经科学通常依赖于预选大脑区域的细胞记录，这些大脑区域覆盖了大脑中所有神经元的一小部分，”霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的第一作者EnYang说。

在这项新研究中，研究人员着手确定幼虫斑马鱼的完整导航回路，从运动整合器到运动前中枢，方法是在依赖自我定位的行为期间以细胞分辨率对整个大脑进行详尽成像和分析。对每只动物超过100,000个神经元的访问揭示了以前未知的参与自我定位的大脑区域，从而导致发现了一个多区域后脑回路，它可以调节从速度到位移记忆到行为的转变。

“我们的结果揭示了脊椎动物后脑的自我定位和相关行为的神经系统，并提供了对其功能的电路级、代表性和控制理论的理解。该系统在动态环境的闭环中运行，并且环境-大脑-行为循环包括整合、自我定位的神经表征和运动控制，”Ahrens说。“这些结果表明需要在整体层面考虑大脑，并统一系统神经科学概念——例如自我定位和运动控制——这些概念通常是单独研究的。”

全脑功能成像不仅揭示了斑马鱼幼体中位置稳态的存在，还揭示了大脑如何识别和纠正斑马鱼位置的变化。底层电路通过整合视觉信息来计算背侧脑干中的自我定位，以形成动物主动或被动改变其位置时过去位移的记忆。这种自我定位表示被下橄榄作为持久的位置误差信号读出，反映了鱼的原始位置和当前位置之间的差异。该信号被转换为运动输出，用于校正数秒内的累积位移。

作者说，这种多区域回路在哺乳动物中具有潜在的解剖学和功能同系物，并且可能与其他已知的自我定位表征相互作用。此外，这项工作将自我定位和橄榄小脑运动控制联系起来，并将脊椎动物后脑建立为目标导向导航行为的神经控制中心。

“我们关于位置记忆和位置稳态的结果与进化上古老的大脑区域对高阶行为起着重要作用的观点产生了共鸣，”Ahrens说。“认知过程广泛分布于整个神经系统的想法与复杂行为出现的进化命题一致，部分是通过在执行相关计算的古老大脑结构之上构建新回路。因此，对神经活动的全脑调查可能对于确定分布式认知功能的机制至关重要。”

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所和西蒙斯基金会的支持。