绘制“小鱼”不断变化的目光

斑马鱼是一种科学奇迹鱼。它们具有类似金刚狼的再生能力，脊髓受损后几乎可以完全再生。它们还让科学家能够洞察动物大脑的一些最原始状态。在研究一周大的斑马鱼幼虫时，一组科学家破译了脑干神经元网络如何引导斑马鱼看向何处。他们还创建了一个简化的人工电路，可以预测动物大脑中的视觉运动和活动。这一发现有助于了解大脑如何处理短期记忆，并可能为治疗人类眼球运动障碍带来一些新方法。相关研究结果发表在 11 月 22 日的《自然神经科学》杂志上。它还附带了一张用显微镜拍摄的惊人图像，色彩鲜艳，展示了控制眼球运动的大脑区域。

目光游移和大脑状态变化

动物的大脑不断接收有关环境的各种感官信息，即使我们没有意识到这一点。这些数据往往时时刻刻都在变化，大脑面临的挑战是保留这些快速、微小的信息核心足够长的时间，以便从中理解它们。例如，它必须将一组神秘的声音联系起来，或者让动物将目光集中在感兴趣的区域，比如猎物或潜伏在远处的潜在威胁。

该研究的共同作者、威尔康奈尔医学院生理学家埃姆雷·阿克赛 (Emre Aksay) 在一份声明中表示：“试图了解这些短期记忆行为在神经机制层面是如何产生的，是该项目的核心目标。”

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为了解读这些动态大脑回路中发生的行为，神经科学家建立了数学模型，描述系统状态如何随时间变化，以及当前状态如何根据一组规则决定回路的未来状态。大脑的一个短期记忆回路将保持单一的首选状态，直到出现新的刺激。当新的刺激出现时，回路将进入新的活动状态。在视觉运动系统中，这些状态中的每一个都可以存储动物应该看向何处的记忆。

然而，关于帮助建立这种转换系统的规则和参数仍然存在疑问。一种可能性归结于电路的解剖结构——每个神经元之间形成的连接以及它们组成的连接数量。第二种可能性是这些连接的生理强度。这种强度由几个因素决定，包括释放的神经递质的数量、捕捉神经递质的受体类型以及这些受体的浓度。

从头开始构建神经回路

在这项新研究中，研究小组试图了解电路解剖结构对视觉系统的贡献。当它们只有五天大的时候，斑马“鱼仔”就已经游来游去，寻找猎物。寻找食物需要持续的视觉注意力，而控制眼球运动的大脑区域在结构上与鱼类和哺乳动物相似。然而，斑马鱼系统只包含 500 个神经元。相比之下，人类大脑大约有 1000 亿个神经元。

“因此，我们可以从微观和功能的角度分析整个回路，”Aksay 说道。“这在其他脊椎动物身上很难做到。”

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通过使用多种先进的成像技术，研究小组确定了参与控制斑马鱼凝视的神经元以及所有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。每个反馈回路包含三个紧密连接的细胞簇。利用这种设置，他们建立了一个计算机模型来展示斑马鱼大脑这一部分的情况。

当研究小组将他们建立的人工网络与真实斑马鱼的生理数据进行比较时，他们发现他们的假网络可以准确预测活动模式。

“首先，我认为自己是一名生理学家，”阿克赛说。“因此，我很惊讶我们仅凭解剖结构就能预测出这么多的神经回路行为。”

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未来的应用

在未来的研究中，该团队计划探索每个簇中的细胞如何影响回路的行为，以及不同簇中的神经元是否具有特定的遗传特征。这类数据可以帮助临床医生针对人类眼球运动障碍中可能出现故障的细胞进行治疗。斜视是指双眼不朝同一方向排列，导致“对眼”或“斜视”。眼球震颤障碍表现为快速、无法控制的眼球运动，有时被称为“舞眼”。

这一发现还为科学家提供了一种方法来揭示大脑中依赖于短期记忆的更复杂的计算系统，比如理解语音或解读图像的系统。