研究人員發現了大腦進化保守區域的新功能
一條斑馬魚朝它的目標前進,但強大的水流使它偏離了方向。小魚沒有氣餒,回到了它的起點,堅定地完成了它的旅程,研究發現,在上述場景中,一個多區域的後腦迴路使動物在偏離方向後能夠重新獲得其路徑。
動物如何知道它們在環境中的位置,以及這如何決定它們隨後的選擇?霍華德-休斯醫學研究所Janelia研究基地的研究人員發現,後腦–大腦後部的一個進化保守或”古老”的區域–幫助動物計算它們的位置,並利用這些信息來計算它們接下來需要去的地方。
最近發表在《細胞》雜誌上的這項新研究發現了”進化保守區域”部分的新功能,這些發現可能適用於其他脊椎動物。
這段視頻顯示了幼年斑馬魚在虛擬現實環境中時的全腦記錄。資料來源:Misha Ahrens
全腦成像揭示了新的網絡
為了弄清楚動物如何理解它們在環境中的位置,由阿倫斯實驗室的博士後楊恩領導的研究人員,將幾乎沒有半厘米長的半透明小斑馬魚放在一個模擬水流的虛擬現實環境中。當水流出乎意料地轉變時,魚兒最初會被推離航線,然而,它們能夠糾正這種運動並回到它們的起點。
當斑馬魚在虛擬現實環境中游泳時,研究人員使用Janelia公司開發的全腦成像技術來測量魚的大腦中正在發生的事情。這種技術使科學家們能夠搜索整個大腦,看哪些電路在它們的航向糾正行為中被激活,並分解出所涉及的單個組件。
研究人員預計會在前腦看到激活,因為掌管記憶的海馬體位於那裡,它包含了一個動物環境的”認知地圖”。令他們驚訝的是,他們在延髓的幾個區域看到了激活,關於動物位置的信息正從一個新確定的電路通過一個叫做下橄欖的後腦結構傳遞到小腦的運動電路,使魚能夠按自己的意圖移動,而當這些通路被阻斷時,魚就無法導航回到它原來的位置。
幼年斑馬魚的虛擬現實環境,魚在模擬水流的情況下穿越二維環境
這些發現表明,腦幹區域會記住斑馬魚的原始位置,並根據其當前和過去的位置產生一個錯誤信號。這一信息被轉達給小腦,使魚能夠遊回它的起點。這項研究揭示了下橄欖和小腦的新功能,已知它們參與了伸手和運動等動作,但沒有參與這種類型的導航。
新研究的第一作者楊說:”我們發現,魚正試圖計算其當前位置和其首選位置之間的差異,並利用這一差異產生一個錯誤信號。大腦將該錯誤信號發送到其運動控制中心,因此魚在被流動無意中移動後可以進行糾正,甚至在許多秒後。”
一個新的多區域後腦迴路
目前還不清楚這些相同的網絡是否參與了其他動物的類似行為。但研究人員希望研究哺乳動物的實驗室現在將開始研究後腦中用於導航的同源電路。
研究人員說,這種後腦網絡也可能是其他導航技能的基礎,例如當一條魚游到一個特定的地方避難時。
Janelia高級組長Misha Ahrens說:”這是一個未知的電路,用於這種形式的導航,我們認為它可能是探索和基於地標的導航的高階海馬體電路的基礎。”