大脑芭蕾：解码动作编舞

　　

　　斑马鱼的大脑虽然比人类的大脑简单，但却是一个复杂的神经元网络，它参与着不断的电活动舞蹈。如果这种神经芭蕾可以揭示大脑，包括我们自己的大脑，是如何控制运动的秘密呢?由Champalimaud基金会的研究人员领导的一项斑马鱼研究提供了一个新的视角，通过它可以观察神经群的活动，并了解大脑是如何协调运动的。

　　为什么我们有大脑

　　“大脑的主要功能是运动，”克劳迪娅·费尔斯坦解释说，她是今天发表在《当代生物学》杂志上的这项研究的主要作者。“植物不需要大脑，因为它们不会移动。然而，即使是像眼球运动这样看似简单的事情，大脑的作用在很大程度上仍然是个谜。我们的目标是阐明这个运动的‘黑匣子’，并解码神经活动如何控制眼睛和身体的运动，以斑马鱼作为我们的模式生物。”

　　斑马鱼有着微小透明的身体，已经成为神经科学的宠儿，为研究大脑功能提供了一个独特的窗口。费尔斯坦指出:“眼动是一种跨物种保守的回路，包括人类。”“如果我们能理解它是如何在斑马鱼中工作的，我们就能开始更好地理解人类大脑是如何运动的。”斑马鱼和人类一样，拥有一种天生的能力，可以根据运动来稳定自己的视力和位置。当它们周围的世界旋转时，它们的眼睛和身体会同步运动以保持稳定。这就像我们在旋转木马上盯着一个固定点一样。

　　但是大脑是如何协调这种行为的呢?该团队之前的研究表明，斑马鱼大脑的不同部位与不同类型的运动有关。然而，这些大脑区域与实际行为之间的确切关系尚不清楚。费尔斯坦说:“虽然我们知道神经元参与检测视觉刺激(输入)和控制肌肉(输出)，但我们对两者之间的处理过程仍然一无所知。”让事情变得复杂的是，神经元会对过多的刺激做出反应，而全脑成像研究获得的数据量惊人。“当你有成千上万的神经元和100种不同的可能的行为可以编码时，理解发生了什么并不是微不足道的。”

　　正如两位资深作者之一Michael Orger所阐述的那样，“当你观察单个神经元的活动时，你会发现它们可以对多种行为变量做出反应。这使得我们很难确定到底是什么推动了他们的活动。”这导致了神经元和行为之间复杂的相互作用，单个神经元可以参与多种类型的运动。

　　一种新的分析方法

　　为了应对这一挑战，研究人员最初使用了一种称为线性回归的统计方法来探索行为变量与神经元活动之间的关系。然而，他们很快意识到，逐个检查神经元并不能提供对整体情况的清晰理解。这就像只看一个舞者的舞步，就想理解一场有数百名舞者参加的大型舞蹈表演。“我们从观察单个神经元开始，但很快意识到我们需要了解整体，整个舞蹈团，如果你愿意的话，”费尔斯坦说。“所以我们在分析中加入了所谓的‘降维’步骤，以缩小神经元群体的活动范围。”

　　正如该研究的另一位资深作者克里斯蒂安·梅钦斯(Christian Machens)指出的那样，“我们想知道:我们测量的整体活动与行为之间的关系如何?”我们如何将成千上万个神经元的活动归结为其基本特征?为此开发分析方法需要相当长的时间。但一旦我们设法克服了这些挑战，我们最终可以问:这些神经元的整体活动与特定行为(如眼球运动或游泳)有何关系?”

　　在这项研究中，斑马鱼被包裹在琼脂糖(一种凝胶状物质)中，使它们保持在固定的位置，这样研究人员就可以对大脑进行成像。它们眼睛和尾巴附近的琼脂糖被去除，以便活动。“然后我们把图像放在斑马鱼下面的屏幕上，通过显微镜用荧光染料记录下大脑活动，”费尔斯坦说。

　　揭开大脑的舞蹈

　　通过将他们的分析方法应用于斑马鱼大脑中被称为后脑的区域，研究人员能够将神经元活动的杂音浓缩为两个主要的“特征”，或活动模式，它们对应于特定类型的运动，并且可能是由斑马鱼后脑中的单独回路产生的。

　　他们发现的第一个回路主要与眼球运动有关，特别是眼睛的旋转，无论是顺时针还是逆时针。想象一条鱼看到环境中有东西在旋转。为了稳定地观察这个旋转的物体，鱼的眼睛也会旋转，尾巴也会移动。从本质上讲，这个回路帮助鱼调整它的眼睛，以保持它所看到的恒定和稳定的图像。正如Feierstein所解释的那样，“这就像大脑在说，‘好吧，世界在我周围旋转，我需要移动我的眼睛来跟踪它’”。此外，研究人员还发现，与向左和向右旋转相关的神经元在解剖学上分别分布在大脑的左右半球。

　　第二个回路更多地参与研究人员所谓的“收敛”和尾部运动。趋同是眼睛在受到刺激时朝相反方向移动的能力——两只眼睛都朝着鼻子或远离鼻子移动。当鱼感知到刺激从后向前移动时，这个回路就会发挥作用。这条鱼感觉自己好像在向后漂流，于是就向前游来稳定自己的位置。与此同时，它的眼睛会聚以保持稳定的图像。因此，这个回路帮助鱼调整身体和眼睛的运动，保持在一个稳定的位置。

　　正如奥尔格总结的那样，“一个大脑回路主要与眼球运动有关，特别是旋转，以保持视网膜上的稳定图像。另一个回路主要与身体运动有关，尤其是游泳，以响应视觉刺激，在环境中保持稳定的位置。这些回路帮助鱼适应环境的变化，使它们保持稳定的视野和位置。虽然确切的机制还不完全清楚，但这项研究为大脑中不同的回路如何控制不同类型的运动提供了有价值的见解。”

　　最让费尔斯坦和她的团队感到惊讶的是他们发现的稳健性。她指出:“我们发现这些回路在每条鱼身上都是一致的。”研究表明，这些回路既不是纯粹的感觉回路，也不是纯粹的运动回路，而是介于两者之间，可能将感觉信息转化为运动动作。从本质上讲，研究人员可能发现了两个不同的“编舞家”，每个人都指导自己的一套动作，以帮助鱼有效地与环境互动。

　　从更简单的角度看复杂性

　　该团队的研究不仅增强了我们对大脑如何控制运动的理解，而且还为该领域引入了一种分析方法，可以作为其他研究人员的宝贵工具。费尔斯坦说:“这种方法的好处是，其他科学家可以利用它来更好地理解神经活动和行为之间的联系。”

　　这项研究的发现可能为理解感觉信息到运动命令的转换可能被中断的情况开辟了新的途径，比如在某些神经系统疾病中。此外，研究结果可能会激发机器人和机器学习领域的新方法，在这些领域，将感觉数据转化为运动的概念是一个基本原理。

　　对于梅钦斯来说，“我们开发的分析技术强调了一个关键的见解:虽然单个神经元可能非常复杂，但在群体水平上，它们的行为可以被提炼成更简单的模式。”这提醒我们，有时候，为了理解大脑复杂的舞蹈，我们需要退后一步，观察整个整体。”

　　至于下一步，费尔斯坦热衷于更深入的研究。“我们只是触及了表面。我接下来想做的一件事是观察不同类型神经元的活动，比如兴奋性神经元和抑制性神经元，看看发生了什么，以及它们是如何参与这个过程的。”在大脑的大芭蕾中，每个神经元都发挥着作用，多亏了这项研究，我们离理解动作的编排又近了一步。

　　/公开发布。来自原始组织/作者的材料可能具有时点性质，并根据清晰度，风格和长度进行了编辑。海市蜃楼。新闻不受机构限制

　　所有的位置或侧面，以及所有的视图、位置等

　　此处表达的结论仅代表作者的观点。点击此处查看全文。