【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】動物是如何表達外部環(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，魚類是如何表達外部環(huán)境地圖并進行空間定位的機理尚不清楚。
 

　　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與計算機理。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，我們使用各種線索——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，這些位置細胞便會激發(fā)并可以自我組織成一系列不同的思維地圖。
 

　　哺乳動物研究表明，這種空間地圖由多種信息源創(chuàng)建，包括遠處和近處的地標、環(huán)境的幾何特征以及動物的自我運動整合。同時，空間認知的關(guān)鍵計算構(gòu)建模塊從海馬體中位置細胞的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)開始，擴展到內(nèi)嗅皮層中的網(wǎng)格細胞、下丘腦中的邊界向量細胞和方向細胞等。然而，亟待探索這些模塊何時以及如何在進化過程中出現(xiàn)。目前，位置細胞只在哺乳動物和鳥類中被發(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)研究顯示空間認知能力在進化早期便已出現(xiàn)并存在于硬骨魚等脊椎動物中，但此前的鳥類以及哺乳動物之外的物種研究未發(fā)現(xiàn)位置細胞的明確證據(jù)。相反，有研究提出，硬骨魚使用完全不同的一組計算單元進行空間認知。當(dāng)前，硬骨魚大腦是否存在海馬體是具有爭議的科學(xué)問題。同時，這一問題存在相互矛盾的模型。一種模型認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)，這一爭論較難解決。
 

　　該團隊對自由游動幼年斑馬魚進行了全腦成像，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胞相比，多數(shù)位置細胞位于斑馬魚前腦中端腦區(qū)域，但其確切功能是爭論的焦點。端腦中位置細胞的高濃度或證實了長期以來的猜想，即該大腦區(qū)域是縮小的哺乳動物海馬體的功能類似物。這些位置編碼神經(jīng)元可以用來解碼動物隨時間變化的空間位置。通過將這一群體編碼投射到二維活動流形上，研究觀察到斑馬魚大腦中空間表示隨時間的演變。
 

　　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)可能同時集成了類似于哺乳動物位置細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，這與哺乳動物中關(guān)于位置細胞之間的相關(guān)性比之前預(yù)期的要強的發(fā)現(xiàn)相符。
 

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

帶有視覺線索的實驗場景揭示幼年斑馬魚腦中的位置細胞
 

通過改變環(huán)境證明斑馬魚大腦中位置細胞活動參與路徑整合