Gu Jintao
Gu Jintao

神经科学博士生,计算神经、工作记忆方向。关注人如何组织成群体。

《自然》:斑马鱼觅食的“停”与“行”,揭示大脑内在状态的开关 | NeuroHub

上一刻,你或许在屏幕上随机地浏览着内容;此刻,你却点进了这篇文章,将注意力集中在这行文字上。我们和其它动物一样,往往在探索(exploration)和利用(exploitation)两种行为状态之间转换。最近一项发表在《自然》杂志的斑马鱼幼鱼上的研究,试图揭示这两种行为状态转换的背后,大脑当中发生了什么。

图片由论文作者李孟制作,遗憾未被选为当期杂志封面

斑马鱼(Danio rerio)是生命科学中常用的模式生物,代表着脊椎动物中最原始的类群。它们身材小巧,幼体更是通体透明,大脑无需处理即可透视。只需要一台显微镜,和一群在神经元里blingbling发光的荧光分子,科学家就可以观察一条幼鱼整个大脑的活动。

以往观察斑马鱼的大脑,还是要固定的,例如拿两根吸管吸住鱼头,只留尾巴左右扑腾。在研究团队自主开发的跟踪显微镜下,鱼却可以上下左右自由游动而不妨碍观察,甚至还可以捕食水中的草履虫。镜头下的鱼呈现出两种行为状态:放慢速度认真捕猎,或者快速游动探索周围环境。作者利用两种独立的方法分辨两种行为状态,一种是根据鱼的巡游半径,探索时巡游范围大,捕猎状态则不会游远;另一种方法则用深度学习方法给鱼的泳姿分类;由于不同泳姿的组合在时间上可以明显分成两坨,说明两种状态泾渭分明,斑马鱼不会在划水时认真捉虫,就算捉也容易捉丢。

图片由李孟制作

结合先进的显微镜技术和自己开发的逐帧配准(registration)算法,作者们把斑马鱼整个大脑里的每个神经元都看得一清二楚。不出所料,这些神经元的活动,和动物的行为组合一样,也可以在时间上被分成两种状态,且神经状态(内部状态)和行为状态(外部状态)是高度相关的。在全脑约10万个神经元中,有约400个仅在捕猎状态时活跃,约900个只在探索时活跃。和各种泳姿相关的神经元也被单独鉴定。

行为状态示例(视频由论文作者提供)

两种状态间是如何转换的呢?作者们发现,有那么一群神经元,它们只在从探索到捕猎状态的转换时最为活跃。如果把鱼在黑暗中放一会儿,让它无法捕猎,那开灯时这些“开关”神经元会比较容易活跃,鱼也会很快进入捕猎状态。而捕猎状态久了,鱼则会自发进入划水状态。即使周围没有猎物,它们还是会在两个状态间切换。


比较好奇如果不断激活这些“开关”神经元,斑马鱼会不会一直认真捕猎不划水,不过可能会比较自闭吧。事实上,对于所有要觅食(foraging)的动物,探索和利用都是缺一不可需要权衡的,即使是人,也要在常吃的饭店和探索新馆子之间决策。而这两种决策的转换背后的神经机制很有可能和鱼类中的一样。就像坎德尔从更原始的海兔身上揭示了记忆的潜在细胞机制一样,对斑马鱼探索-利用状态转换的研究,也会给人类的行为状态调节机制带来启示。


该研究发表于2020年1月9日的《自然》(Nature),题为Internal state dynamics shape brainwide activity and foraging behaviour

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1858-z

本文首发于 神经现实 的Neurohub专栏。文字部分根据CC BY-SA 3.0发表,转载需注明作者和首发平台,且以相同协议分享。
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作者:顾金涛 编辑:阿莫東森
CC BY-NC-ND 2.0

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