解码斑马鱼脑中的“导航系统” | 科技前线

“江南可采莲，莲叶何田田，鱼戏莲叶间。鱼戏莲叶东，鱼戏莲叶西，鱼戏莲叶南，鱼戏莲叶北。”鱼类是如何表达外部环境地图，并进行空间定位的呢？

来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称微系统所）与德国马克斯普朗克学会生物控制论研究所的一项研究回答了这个问题。相关成果发表在《自然》上。

01

哺乳动物与鸟类如何认路

生物通过空间探索生成其外部环境的大脑内在地图。比如，当探索一个陌生的城市时，人类会使用各种线索——某些地标、在一个方向上走了多远的感觉、又或者是一条无法穿越的河流——来创建外部环境的内部地图。

在大脑深处一个被叫作“海马体”的脑区中，一组位置细胞在构建外部世界的内部地图方面发挥着关键作用。当处于空间中的特定位置时，这些位置细胞就会激发，并可以自我组织成一系列不同的思维地图。

▲哺乳动物与鸟类如何认路

对哺乳动物超过半个世纪的研究表明，这种空间地图是由多种信息源创建的，包括远处和近处的地标、环境的几何特征以及动物的自我运动整合。同时，哺乳动物研究揭示了空间认知的关键计算构建模块，从海马体中位置细胞的开创性发现开始，扩展到内嗅皮层中的网格细胞、下丘脑中的边界向量细胞和方向细胞等。

然而，这些模块是何时以及如何在进化过程中出现的，还亟待探索。到目前为止，位置细胞只在哺乳动物和鸟类中发现，而其他物种如何在内部代表外部世界的问题在很大程度上仍未得到解答。

02

鱼如何认路

虽然行为学研究显示，空间认知能力在进化早期就已经出现，并存在于硬骨鱼等脊椎动物中，但之前的鸟类以及哺乳动物之外的物种研究并没有发现位置细胞的明确证据。

▲带有视觉线索的实验场景揭示了幼年斑马鱼脑中的位置细胞

相反，曾有人提出硬骨鱼使用完全不同的细胞进行空间认知。

事实上，关于硬骨鱼大脑中是否存在海马体，目前依然存在争议。一方认为海马体和副边缘系统占据了硬骨鱼端脑的大部分区域；另一方则认为硬骨鱼大脑中不存在类似海马体的区域。

由于缺乏在空间导航过程中硬骨鱼大脑的全面功能数据，这一争论极难解决。

▲通过改变环境证明斑马鱼大脑中位置细胞活动参与路径整合

03

解码斑马鱼“导航系统”

为了解决上述问题，研究团队使用国际领先的跟踪显微镜技术，以斑马鱼为对象展开研究。

他们发现斑马鱼大脑中存在位置细胞，这些细胞类似于哺乳动物大脑中的“导航系统”，能够对空间位置进行编码。

▲相关成果以《幼年斑马鱼端脑中空间表征的群体编码》论文形式发表在《自然》上

这一发现是人类首次在除哺乳动物和鸟类外的生物模型中揭示类似的空间信息处理机制，不仅表明斑马鱼可作为研究空间信息在全脑尺度表达及处理的全新模式动物，也表明了人类对鱼类大脑空间认知组成模块、早期脊椎动物端脑功能作用，以及空间认知的进化起源等方面的研究取得了重要进展。

研究为理解大脑如何处理空间信息提供了新的视角，并为开发类脑空间计算及类脑导航提供了理论基础和生物机理支持。

参考文章：

https://doi.org/10.1038/41586-024-07867-2

来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所

责任编辑：宋同舟