韦尔康奈尔医学院的研究人员及其合作伙伴研究了一周大的斑马鱼幼虫，以了解脑干神经元网络如何引导鱼的视线。他们的研究结果于11月22日发表在《自然神经科学》上，揭示了一种简化的人工电路模拟这种神经元排列可以准确预测网络的活动。除了提供关于大脑如何管理短期记忆的见解，这些结果还可能为与眼球运动相关的疾病的新疗法铺平道路。
生物体不断处理来自其动态环境的各种感官信息。为了做出准确的评估，大脑必须足够长时间地保留关键信息，以创造全面的理解——例如连接句子中的单词或使动物能够将视线集中在感兴趣的事物上。
“了解这些短期记忆功能如何在神经层面上出现是本研究的主要目标，”研究的资深作者、韦尔康奈尔医学院生理学和生物物理学副教授埃姆雷·阿克赛医生解释道。他与加利福尼亚大学戴维斯分校的马克·戈德曼医生和普林斯顿大学的塞巴斯蒂安·西昂医生合作。
动态系统建模
为了调查神经电路的行为，神经科学家利用动态系统，这涉及创建数学模型以描述系统状态如何随时间演变，每个当前状态根据预定义规则影响未来状态。例如，短期记忆电路可能会保持在一个首选状态，直到出现新的刺激，促使它切换到不同的活动状态。在视觉-运动背景下，这些状态可以保留生物体应该将视线指向何处的记忆。
塑造这样的动态系统的关键因素是什么？一个潜在的因素是电路的解剖结构：神经元之间的连接以及每个神经元的连接数量。另一个重要因素是这些连接的强度，可能会受到各种元素的影响，包括释放的神经递质的数量、存在的突触受体类型及其浓度。
为了深入了解电路的解剖贡献，阿克赛医生及其团队专注于幼体斑马鱼。到五天大时，这些鱼能够游泳和捕食，这需要持续的视觉注意。重要的是，负责眼球运动的大脑区域在鱼类和哺乳动物中结构上是相似的，但斑马鱼只有500个神经元。“这使我们能够在显微镜下或功能上分析整个电路，”阿克赛医生指出。“在其他脊椎动物中，这种分析水平要困难得多。”
斑马鱼照亮神经电路
阿克赛医生和他的同事们使用各种先进的成像技术，识别出参与控制鱼的视线的神经元，并详细描述了这些神经元之间的相互连接。他们发现该系统具有两个重要的反馈回路，每个回路包含三个密切相连的细胞簇。利用这种独特的结构，研究人员构建了一个计算模型，成功预测了斑马鱼电路中的活动模式，并通过将其发现与生理数据进行比较来确认。
“我主要看自己是个生理学家，”阿克赛医生承认。“我惊讶于我们仅根据电路的解剖结构能够预见多少电路的行为。”
展望未来，研究人员计划调查每个簇中的细胞如何影响电路的行为，以及不同簇之间的神经元是否表现出不同的遗传特征。这些知识可能有助于临床医生针对参与眼球运动障碍的故障细胞。此外，这些发现为探索大脑中依赖短期记忆的更复杂的计算系统提供了基础，包括那些与理解视觉场景或理解口头语言相关的系统。
本研究部分得到了国家卫生研究院的资助，包括国家神经疾病和中风研究所R01 NS104926和脑计划奖5U19NS104648；国家眼科研究所R01 EY027036，R01 EY021581和K99 EY027017；以及国家癌症研究所UH2 CA203710。
