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一項新的研究中，來自美國霍華德-休斯醫(yī)學研究所的研究人員指出一個多區(qū)域的大腦回路使得幼年斑馬魚能夠追蹤它們在哪里，它們曾經(jīng)去過哪里，以及在流離失所后如何回到它們原來的位置。這一研究結果闡明了幼年斑馬魚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進行導航。相關研究結果發(fā)表在2022年12月22日的Cell期刊上，論文標題為“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)學研究所珍妮莉亞研究園區(qū)的Misha Ahrens說，“我們研究了一種行為，在這種行為中，幼年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，水流會把它們卷進它們自然環(huán)境中的危險區(qū)域。然而，它們是否明確地在很長的時間范圍內追蹤它們的位置，并使用記憶中的位置信息返回到它們早期的位置---我們稱之為位置平衡（positional homeostasis）的行為---尚不清楚。這種能力在倫理學上可能是至關重要的，因為幼年斑馬魚間歇性地游泳，并且在休息時被水流沖走。”

許多動物都會跟蹤它們在環(huán)境中的位置。它們將自我定位信息用于許多重要的行為，如在訪問未知和潛在的危險區(qū)域后有效地返回到安全地點，重新訪問食物豐富的區(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，以及它們通過什么途徑控制運動，目前還不得而知。

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

在這項新的研究中，這些作者著手確定幼年斑馬魚的完整導航回路，從運動整合器（motion integrator）到前運動中心（premotor center），通過在一種依賴自我定位的行為中以細胞分辨率詳盡地對整個大腦進行成像和分析。對每只幼年斑馬魚超過10萬個神經(jīng)元的訪問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)了一個多區(qū)域的后腦回路，該后腦回路通過位移記憶（displacement memory），介導從速度到行為的轉變。

Ahrens說，“我們的研究結果揭示了脊椎動物后腦的自我定位和相關行為的神經(jīng)系統(tǒng)，并對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)在動態(tài)環(huán)境下以封閉的回路運行，這種環(huán)境-大腦-行為回路包括整合、自我定位的神經(jīng)表征和運動控制。這些結果表明，有必要在整體水平上考慮大腦，并統(tǒng)一系統(tǒng)神經(jīng)科學的概念---比如自我定位和運動控制，這些概念之前往往被分開研究。”

圖片來自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的位置平衡的存在，而且揭示了大腦如何識別和校正斑馬魚位置的變化。這種回路通過整合視覺信息，在斑馬魚主動或被動地改變其位置時，在背側腦干中計算自我定位，形成對過去位移的記憶。這種自我定位的表征被下橄欖核讀取為一個持久的位置誤差信號，反映了斑馬魚的原始位置和當前位置之間的差異。這個信號被轉換成運動輸出，以便在幾秒內校正累積位移。

這些作者說，這個多區(qū)域回路在哺乳動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，這項新的研究將自我定位和橄欖小腦運動控制聯(lián)系起來，并將脊椎動物的后腦確立為目標導向的導航行為的神經(jīng)控制中心。

Ahrens說，“我們關于位置記憶和位置平衡的結果與進化上古老的大腦區(qū)域對高階行為起核心作用的觀點一致。認知過程廣泛分布于整個神經(jīng)系統(tǒng)的想法與進化論的主張相一致，即復雜行為的出現(xiàn)，在一定程度上是通過在執(zhí)行相關計算的古老大腦結構上構建新的回路來實現(xiàn)的。因此，對神經(jīng)活動的全腦調查可能對確定分布式認知功能的機制至關重要。”