绘制“小鱼”不断变化的目光

斑马鱼大脑可能只有 500 个神经元,但它们仍然是科学奇迹。
a scan of a zebrafish with its eye highlighted in green and other parts of its anatomy stained red and blue
用共聚焦显微镜拍摄的斑马鱼。控制眼球运动的大脑区域在鱼类和哺乳动物中结构相似,但斑马鱼的系统仅包含 500 个神经元,这使其成为一个良好的模式生物。 Jessica Plavicki

斑马鱼是一种 科学奇迹鱼。它们拥有 类似金刚狼的再生能力——在受伤后几乎可以完全再生脊髓。它们还为科学家提供了对一些 动物大脑最原始状态的洞察。在研究周龄的斑马鱼幼体时,一个科学家团队破译了脑干中 神经元网络连接如何引导鱼的注视方向。他们还创建了一个简化的人工电路,可以预测动物大脑中的视觉运动和活动。这一发现揭示了大脑如何处理短期记忆,并可能为治疗人类眼球运动障碍带来新的方法。研究结果详见于 11 月 22 日发表在《自然 神经科学》杂志上的一项 研究。研究还附带了一张令人惊叹的显微镜图像,色彩鲜艳,展示了控制眼球运动的大脑区域。

目光闪烁和大脑状态的变化

动物大脑不断地接收关于环境的各种感官信息,即使我们没有有意识地意识到。这些数据经常瞬息万变,大脑面临的挑战是如何保留这些短暂的、微小的信息片段足够长的时间来理解它们。例如,它必须将一系列神秘的声音联系起来,或者让动物 将目光锁定在感兴趣的区域,例如猎物或远处潜伏的潜在威胁。

“试图理解这些短期记忆行为是如何在神经机制层面产生的,是该项目的核心目标,”该研究的合著者、威尔康奈尔医学院生理学家 Emre Aksay 在一份声明中表示。 

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为了解析这些动态大脑电路中的行为,神经科学家 构建数学模型,描述系统的状态如何随时间变化,以及当前状态根据一系列规则如何决定电路的未来状态。大脑的短期记忆电路之一将保持在一个单一的首选状态,直到出现新的刺激。当出现新的刺激时,电路将进入一个新的活动状态。在视觉运动系统中,每一个这样的状态都可以存储动物应该看向何处的记忆。

然而,关于 帮助建立这种转移系统的规则和参数,仍然存在疑问。一种可能性取决于 电路的解剖结构——每个神经元之间的连接以及它们构成的连接数量。第二种可能性是这些连接的生理强度。这种强度由多种因素决定,包括释放的神经递质量、接收神经递质的受体类型以及这些受体的浓度。 

从零开始构建神经电路

在这项 新研究中,该团队试图了解电路解剖结构在视觉系统中起到的作用。当只有五天大的时候,“鱼仔”就已经在游动和捕食了。 寻找食物需要持续的视觉注意力,而控制眼球运动的大脑区域在鱼类和哺乳动物中结构相似。然而,斑马鱼的系统仅包含 500 个神经元。相比之下,人类大脑拥有 大约 1000 亿个神经元。 

“所以,我们可以从显微和功能上分析整个电路,”Aksay 说。“在其他脊椎动物身上做到这一点非常困难。”

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通过使用几种先进的成像技术,该团队 识别了参与控制斑马鱼目光的神经元以及这些神经元如何相互连接。他们发现该系统由两个主要的反馈回路组成。每个反馈回路包含 三个紧密连接的细胞簇。利用这种结构,他们构建了一个计算机模型来模拟斑马鱼大脑这部分的功能。 

当该团队将他们构建的 the artificial network 与真实斑马鱼的生理数据进行比较时,他们发现 their fake network 能够 准确预测活动模式

“我首先将自己视为一名生理学家,”Aksay 说。“因此,我惊讶于仅凭解剖结构,我们就能在多大程度上预测电路的行为。”

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未来应用

在未来的研究中,该团队计划探索每个簇中的细胞如何影响电路的行为,以及不同簇中的神经元是否具有特定的基因特征。这类数据可以帮助临床医生有针对性地治疗人类 眼球运动障碍中可能功能失调的细胞。斜视发生在双眼不对齐时,导致“斗鸡眼”或“内外斜视”。眼球震颤的特点是快速、无法控制的眼球运动,有时被称为“舞动的眼睛”。

这些发现还为科学家提供了一种方法,用于解析大脑中更复杂的计算系统,例如理解语音或解读图像的系统,这些系统依赖于 短期记忆

 

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