【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】動(dòng)物是如何表達(dá)外部環(huán)境和自身位置并利用這些信息完成空間探索，是腦科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。然而，魚類是如何表達(dá)外部環(huán)境地圖并進(jìn)行空間定位的機(jī)理尚不清楚。
 

　　中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李孟與德國馬克斯-普朗克學(xué)會(huì)生物控制論研究所的科研人員合作，使用國際領(lǐng)先的跟蹤顯微鏡技術(shù)，在斑馬魚大腦中發(fā)現(xiàn)了與其他物種相似的空間表達(dá)與計(jì)算機(jī)理。相關(guān)研究成果以《幼年斑馬魚端腦中空間表征的群體編碼》(A population code for spatial representation in the larval zebrafish telencephalon)為題，發(fā)表在《自然》(Nature)上。
 

　　生物通過空間探索生成其外部環(huán)境的大腦內(nèi)在地圖。當(dāng)探索陌生城市時(shí)，我們使用各種線索——某些地標(biāo)、在一個(gè)方向上走了多遠(yuǎn)的感覺、又或是一條無法穿越的河流——來創(chuàng)建外部環(huán)境的內(nèi)部地圖。在大腦深處的被稱為“海馬體”的腦區(qū)中，一組位置細(xì)胞在構(gòu)建外部世界的內(nèi)部地圖方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)處于空間中的特定位置時(shí)，這些位置細(xì)胞便會(huì)激發(fā)并可以自我組織成一系列不同的思維地圖。
 

　　哺乳動(dòng)物研究表明，這種空間地圖由多種信息源創(chuàng)建，包括遠(yuǎn)處和近處的地標(biāo)、環(huán)境的幾何特征以及動(dòng)物的自我運(yùn)動(dòng)整合。同時(shí)，空間認(rèn)知的關(guān)鍵計(jì)算構(gòu)建模塊從海馬體中位置細(xì)胞的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)開始，擴(kuò)展到內(nèi)嗅皮層中的網(wǎng)格細(xì)胞、下丘腦中的邊界向量細(xì)胞和方向細(xì)胞等。然而，亟待探索這些模塊何時(shí)以及如何在進(jìn)化過程中出現(xiàn)。目前，位置細(xì)胞只在哺乳動(dòng)物和鳥類中被發(fā)現(xiàn)，而其他物種如何在內(nèi)部代表外部世界尚不清楚。
 

　　行為學(xué)研究顯示空間認(rèn)知能力在進(jìn)化早期便已出現(xiàn)并存在于硬骨魚等脊椎動(dòng)物中，但此前的鳥類以及哺乳動(dòng)物之外的物種研究未發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞的明確證據(jù)。相反，有研究提出，硬骨魚使用完全不同的一組計(jì)算單元進(jìn)行空間認(rèn)知。當(dāng)前，硬骨魚大腦是否存在海馬體是具有爭(zhēng)議的科學(xué)問題。同時(shí)，這一問題存在相互矛盾的模型。一種模型認(rèn)為海馬體和副邊緣系統(tǒng)占據(jù)硬骨魚端腦的大部分區(qū)域；另一種模型認(rèn)為硬骨魚大腦不存在類似海馬體的區(qū)域。由于缺乏在空間導(dǎo)航過程中硬骨魚大腦的全面功能數(shù)據(jù)，這一爭(zhēng)論較難解決。
 

　　該團(tuán)隊(duì)對(duì)自由游動(dòng)幼年斑馬魚進(jìn)行了全腦成像，發(fā)現(xiàn)了微小幼蟲斑馬魚大腦存在位置細(xì)胞的證據(jù)，揭示了硬骨魚腦中空間信息的功能特性和解剖分布。與編碼方向和速度的細(xì)胞相比，多數(shù)位置細(xì)胞位于斑馬魚前腦中端腦區(qū)域，但其確切功能是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。端腦中位置細(xì)胞的高濃度或證實(shí)了長(zhǎng)期以來的猜想，即該大腦區(qū)域是縮小的哺乳動(dòng)物海馬體的功能類似物。這些位置編碼神經(jīng)元可以用來解碼動(dòng)物隨時(shí)間變化的空間位置。通過將這一群體編碼投射到二維活動(dòng)流形上，研究觀察到斑馬魚大腦中空間表示隨時(shí)間的演變。
 

　　該研究通過系統(tǒng)性地改變外界環(huán)境發(fā)現(xiàn)，斑馬魚大腦中編碼空間信息的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能同時(shí)集成了類似于哺乳動(dòng)物位置細(xì)胞的異位和自位信息。這些空間信息編碼神經(jīng)元顯示出組裝結(jié)構(gòu)的特性，這與哺乳動(dòng)物中關(guān)于位置細(xì)胞之間的相關(guān)性比之前預(yù)期的要強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)相符。
 

　　上述成果證實(shí)了在斑馬魚幼魚端腦存在編碼空間的神經(jīng)元。這是關(guān)于魚類大腦空間認(rèn)知組成模塊、早期脊椎動(dòng)物端腦功能作用以及空間認(rèn)知的進(jìn)化起源等方面的進(jìn)展。該研究表明斑馬魚可作為研究空間信息在全腦尺度表達(dá)及處理的全新模式動(dòng)物，為開發(fā)類腦空間計(jì)算及類腦導(dǎo)航奠定理論基礎(chǔ)并提供生物機(jī)理支持。
 

帶有視覺線索的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景揭示幼年斑馬魚腦中的位置細(xì)胞
 

通過改變環(huán)境證明斑馬魚大腦中位置細(xì)胞活動(dòng)參與路徑整合