一项利用斑马鱼进行的研究揭示了脑干神经网络是如何引导眼球运动的，提供了一个模仿这些网络以预测其活动的新模型，可能有助于眼部疾病的治疗，并增强我们对短期记忆的掌握。
斑马鱼，共聚焦显微镜拍摄。 控制眼球运动的大脑区域在鱼类和哺乳动物中结构相似，但斑马鱼系统只包含 500 个神经元，因此是一种很好的模式生物。 图片来源：Jessica Plavicki
威尔康奈尔医学院的研究人员及其合作者发现了脑干神经元网络中的连接是如何控制一周大斑马鱼幼体的注视的。 该研究成果今天（11月22日）发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）上，它揭示了基于这种神经结构设计的简化人工电路可以准确预测该网络的活动。 这些发现不仅加深了我们对大脑如何管理短期记忆的理解，而且有望开发出治疗眼球运动障碍的创新疗法。
大脑不断处理来自瞬息万变环境的大量感官信息。 为了理解这些输入信息，大脑必须暂时保留关键细节--无论是将单词串成句子，还是将视觉焦点集中在特定物体上。 这种保持和使用感官信息的能力对于形成对世界的连贯理解至关重要。
该项研究的资深作者、威尔康奈尔医学院生理学和生物物理学副教授埃姆雷-阿克赛博士与加州大学戴维斯分校的马克-戈德曼博士和普林斯顿大学的塞巴斯蒂安-承博士共同领导了这项研究。
为了解码这类神经元回路的行为，神经科学家使用了动力系统工具，即建立数学模型，描述系统状态如何随时间变化，其中当前状态根据一系列规则决定其未来状态。 例如，短时记忆回路会保持在单一的首选状态，直到出现新的刺激，使其进入新的活动状态。 在视觉-运动系统中，每一种状态都可以存储动物应该看哪里的记忆。
但是，哪些参数有助于建立这种动态系统呢？ 一种可能是电路的解剖结构：每个神经元之间形成的连接以及连接的数量。 另一种可能是这些连接的生理强度，这是由无数因素决定的，如神经递质的释放量、突触受体的类型以及这些受体的浓度。
为了了解电路解剖学的贡献，阿克赛博士和他的合作者研究了幼年斑马鱼。 在斑马鱼五天大的时候，这些小鱼就开始游来游去并捕食猎物，这是一种需要持续视觉注意力的技能。 对研究小组来说重要的是，控制眼球运动的大脑区域在鱼类和哺乳动物中结构相似。 然而，斑马鱼系统只包含 500 个神经元。"因此，我们可以对整个电路进行显微和功能分析，"阿克赛博士说。"这在其他脊椎动物中是很难做到的。"
利用一系列先进的成像技术，阿克赛博士及其同事确定了参与控制动物注视的神经元，然后确定了这些神经元是如何连接在一起的。 他们发现，该系统由两个突出的反馈回路组成，每个回路包含三个紧密相连的细胞簇。 研究人员利用这种独特的结构建立了一个计算模型。 他们发现，他们的人工网络可以准确预测斑马鱼回路的活动模式，他们将结果与生理数据进行了比较，从而验证了这一点。
阿克赛博士说："我认为自己首先是一名生理学家。因此，我很惊讶我们仅从解剖结构就能预测电路的行为。"
接下来，研究人员将探索每个细胞簇中的细胞是如何对电路行为做出贡献的--以及不同细胞簇中的神经元是否具有不同的遗传特征。 这些信息可以帮助临床医生针对眼球运动障碍中可能出现功能障碍的细胞进行治疗。 这些发现还为揭示大脑中依赖短期记忆的更复杂的计算系统提供了蓝图，例如那些参与破译视觉场景或理解语言的系统。
参考文献：2024年11月22日，《自然-神经科学》
编译自/ScitechDaily