一項利用斑馬魚進行的研究揭示了腦幹神經網路是如何引導眼球運動的，提供了一個模仿這些網路以預測其活動的新模型，可能有助於眼部疾病的治療，並增強我們對短期記憶的掌握。

斑馬魚，共聚焦顯微鏡拍攝。 控制眼球運動的大腦區域在魚類和哺乳動物中結構相似，但斑馬魚系統只包含500 個神經元，因此是一種很好的模式生物。 圖片來源：Jessica Plavicki

威爾康奈爾醫學院的研究人員及其合作者發現了腦幹神經元網路中的連接是如何控制一周大斑馬魚幼體的注視的。 這項研究成果今天（11月22日）發表在《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）上，它揭示了基於這種神經結構設計的簡化人工電路可以準確預測該網路的活動。 這些發現不僅加深了我們對大腦如何管理短期記憶的理解，也有望發展出治療眼球運動障礙的創新療法。

大腦不斷處理來自瞬息萬變環境的大量感官訊息。 為了理解這些輸入訊息，大腦必須暫時保留關鍵細節–無論是將單字串成句子，還是將視覺焦點集中在特定物體上。 這種保持和使用感官訊息的能力對於形成對世界的連貫理解至關重要。

這項研究的資深作者、威爾康奈爾醫學院生理學和生物物理學副教授埃姆雷-阿克賽博士與加州大學戴維斯分校的馬克-戈德曼博士和普林斯頓大學的塞巴斯蒂安-承博士共同領導了這項研究。

為了解碼這類神經元迴路的行為，神經科學家使用了動力系統工具，即建立數學模型，描述系統狀態如何隨時間變化，其中當前狀態根據一系列規則決定其未來狀態。 例如，短時記憶迴路會保持在單一的首選狀態，直到出現新的刺激，使其進入新的活動狀態。 在視覺-運動系統中，每種狀態都可以儲存動物應該看哪裡的記憶。

但是，哪些參數有助於建立這種動態系統呢？ 一種可能是電路的解剖結構：每個神經元之間形成的連接以及連接的數量。 另一種可能是這些連接的生理強度，這是由無數因素決定的，如神經傳導物質的釋放量、突觸受體的類型以及這些受體的濃度。

為了了解電路解剖學的貢獻，阿克賽博士和他的合作者研究了幼年斑馬魚。 在斑馬魚五天大的時候，這些小魚就開始遊來游去並捕食獵物，這是一種需要持續視覺注意力的技能。 對研究小組來說重要的是，控制眼球運動的大腦區域在魚類和哺乳動物中結構相似。 然而，斑馬魚系統只包含500 個神經元。 “因此，我們可以對整個電路進行顯微和功能分析，”阿克賽博士說。 “這在其他脊椎動物中是很難做到的。”

利用一系列先進的成像技術，阿克賽博士及其同事確定了參與控制動物注視的神經元，然後確定了這些神經元是如何連接在一起的。 他們發現，該系統由兩個突出的回饋迴路組成，每個迴路包含三個緊密相連的細胞簇。 研究人員利用這種獨特的結構建立了一個計算模型。 他們發現，他們的人工網絡可以準確預測斑馬魚迴路的活動模式，他們將結果與生理數據進行了比較，從而驗證了這一點。

阿克賽博士說：”我認為自己首先是一名生理學家。因此，我很驚訝我們僅從解剖結構就能預測電路的行為。”

接下來，研究人員將探索每個細胞簇中的細胞是如何對電路行為做出貢獻的–以及不同細胞簇中的神經元是否具有不同的遺傳特徵。 這些資訊可以幫助臨床醫生針對眼球運動障礙中可能出現功能障礙的細胞進行治療。 這些發現也為揭示大腦中依賴短期記憶的更複雜的計算系統提供了藍圖，例如參與破解視覺場景或理解語言的系統。

參考文獻：2024年11月22日，《自然-神經科學》

編譯自/ ScitechDaily