《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。

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。

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

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作者：顾金涛 编辑：阿莫東森