神经元枢纽以脉冲发生器的方式控制大脑整体状态。
作者:顾金涛
封面:李孟
NEUROSCIENCE 神经科学
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。
斑马鱼
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图片来源:李孟
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。
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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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关于共同第一作者
João C. Marques博士及李孟博士
João Marques
João Marques博士于国际神经科学博士计划攻读博士期间,在Michael Orger实验室从事计算伦理学研究。随后加入哈佛大学Rowland研究所RoLi实验室从事觅食过程中全脑神经成像研究。他目前在葡萄牙Champalimaud研究院从事博士后研究。
李孟
李孟博士在哈尔滨工业大学攻读博士学位期间研究计算机视觉及机器学习。为了进一步探索这两个方向的生物神经学基础,李孟博士继而将其研究方向从计算机科学转向神经科学。李孟博士于2018年春加入RoLi实验室从事深度学习和全脑神经成像的数据分析及建模研究,并成功将人工智能及深度学习方法应用于行为学分析中。李孟博士现为德国图宾根马克普朗克生物控制论研究所研究科学家。
关于通信作者
Jennifer Li博士及Drew Robson博士
Jennifer Li博士和Drew Robson博士已合作十余年,这期间他们一直致力于破解神经系统是如何调节大脑内在状态的机理。自2014年以来,Jen和Drew共同领导了一个联合实验室(rolilab.org)。该联合实验室最初成立于哈佛大学(2014-2019),现位于德国图宾根马克普朗克生物控制论研究所,由Jen和Drew担任研究组长。
Jennifer Li
Jennifer Li本科就读于普林斯顿大学分子生物学专业,在Wieschaus实验室学习发育生物学。在哈佛大学攻读博士期间,她于Schier和Engert实验室从事操作性学习(operant learning)及全脑神经成像研究。
Drew Robson
Drew Robson本科就读于普林斯顿大学数学专业,在Olga Troyanskaya和Eric Wieschaus实验室学习计算生物学及生物物理学。在哈佛大学攻读博士期间,他于Schier和Engert实验室从事热感行为及全脑神经成像研究。
作者:顾金涛
编辑:阿莫東森
排版:北方
顾金涛
上海纽约大学神经科学博士生。复旦生科院毕业。现在跟着Sukbin Lim用数学模型研究记忆和神经可塑性,还在找课题。
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