Cell：防止动物在大自然中迷失方向的导航神经回路

研究人员12月22日在《细胞》杂志上报告说，一种多区域的大脑回路允许斑马鱼幼鱼追踪它们在哪里，去过哪里，以及在被转移后如何回到原来的位置。研究结果揭示了幼体斑马鱼在被洋流推离航道后如何追踪自己的位置并利用这一位置来导航。

“我们研究了一种行为，在这种行为中，幼鱼斑马鱼必须记住过去的位移，以准确地保持它们在空间中的位置，例如，水流可以把它们冲到自然环境的危险区域，”霍华德·休斯医学研究所珍妮利亚研究校园的高级作者Misha Ahrens说。“然而，我们还不知道它们是否会在很长一段时间内明确地跟踪自己的位置，并使用记忆的位置信息返回到之前的位置——我们称之为位置稳态。这种能力在动物行为学上是至关重要的，因为斑马鱼幼鱼间歇性地游泳，休息时随着水流移动。”

许多动物都能记录它们在环境中的位置。它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的地区后有效地返回安全地点，再次访问食物丰富的地区，以及避免在食物匮乏的地区觅食。虽然自我定位在海马体的形成中得到了体现，但目前还不清楚这种表现是如何产生的，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。

Howard Hughes医学研究所Janelia研究园区的第一作者En Yang说:“这种回路很难精确定位，因为神经科学通常依赖于预先选择的大脑区域的细胞记录，这些区域覆盖了大脑中所有神经元的一小部分。”

在这项新的研究中，研究人员开始在幼鱼斑马鱼中识别完整的导航回路，从运动积分器到运动前中心，通过在依赖于自我定位的行为过程中以细胞分辨率对整个大脑进行详尽的成像和分析。通过对每只动物超过10万个神经元的访问，揭示了以前未知的与自我定位有关的大脑区域，从而发现了一个多区域的后脑回路，它介导了从速度到位移记忆到行为的转变。

“我们的研究结果揭示了脊椎动物后脑中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水平、表征和控制理论理解。该系统在动态环境的闭环中运行，环境-大脑-行为循环包括集成、自我定位的神经表征和运动控制，”Ahrens说。“这些结果表明，有必要在整体层面上考虑大脑，并统一系统神经科学的概念，如自我定位和运动控制，这些概念通常是分开研究的。”

全脑功能成像不仅揭示了幼体斑马鱼位置内稳态的存在，还揭示了大脑如何识别和纠正斑马鱼位置的变化。当动物主动或被动地改变位置时，底层电路通过整合视觉信息，在背脑干中计算自我定位，形成对过去位移的记忆。这种自我定位的表示被下橄榄读取为一个持久的位置误差信号，反映了鱼的原始位置和当前位置之间的差异。这个信号被转换成移动输出，纠正累积位移在许多秒的过程中。

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源性，并可能与其他已知的自我定位表征相互作用。此外，这项工作还将自我定位和橄榄小脑运动控制联系起来，并建立了脊椎动物后脑作为目标导向导航行为的神经控制中心。

“我们在位置记忆和位置稳态方面的结果与进化上古老的大脑区域对高阶行为起核心作用的观点相一致，”Ahrens说。认知过程广泛分布在神经系统中，这一观点与进化命题一致，即复杂行为的出现，在一定程度上是通过在执行相关计算的古老大脑结构上构建新的电路来实现的。因此，对全脑神经活动的调查可能对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。

En Yang, Maarten F. Zwart, Ben James, Mikail Rubinov, Ziqiang Wei, Sujatha Narayan, Nikita Vladimirov, Brett D. Mensh, James E. Fitzgerald, Misha B. Ahrens. A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish. Cell, 2022; 185 (26): 5011