与运动方向相关的神经网络

　　过去的研究发现，一些动物的大脑会生成它们前进方向的表征。

　　

               

A)文中描述的HD网络在斑马鱼大脑中的位置。(B) HD神经元(左)的颜色编码方向调谐与它们的解剖位置(右)非常匹配。(B)斑马鱼(绿色)的高清网络在几十分钟内跟踪航向(金色)。(D)在非同心坐标下，网络相位在转弯时如何变化并始终指向同一方向的示意图。

过去的研究发现，一些动物的大脑会生成它们前进方向的表征。例如，昆虫的前进方向是由它们大脑中心区域的神经元活动来表示的，这个区域被称为中央复合体。慕尼黑工业大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在识别代表斑马鱼行进方向的类似神经网络，同时揭示其潜在的动力学。他们的研究结果发表在《Nature Neuroscience》杂志上，指出了斑马鱼后脑前部的一个特定网络，这个网络似乎代表了它们前进的方向。

开展这项研究的研究人员之一Ruben Portugues说：“我实验室之前的工作揭示了一个与决策有关的区域，尤其是向左或向右转弯的决定。这个区域，即脚间核，是一个圆形结构，可以在脊椎动物大脑的中间找到。这种大脑结构的解剖学和动力学让我们想起了昆虫大脑的深层圆形结构，即椭球体，这对导航很重要，并被证明代表了昆虫的前进方向。”

这项最近的研究从其他研究小组以前的工作中获得了灵感，比如Vivek Jayaraman在弗吉尼亚州霍华德·休斯医学研究所的实验室和Gaby Maimon在洛克菲勒大学的实验室。这些工作确定了一个似乎代表昆虫前进方向的大脑区域。 在他们的实验中，Portugues和他的同事专门寻找斑马鱼神经元中投射到这个大脑区域的方向表征。

Portugues解释说:“早在上世纪90年代，人们就在啮齿动物身上发现了方向神经元，但从未观察到完整的网络，我们对如何产生方向表征缺乏了解。我们在这项研究中的主要目标是找到斑马鱼的方向网络，并同时对网络的大部分进行成像。这使我们能够表征网络，以及它如何代表动物的前进方向。”

在他们的实验中，Portugues和他的同事使用功能成像技术检查了斑马鱼后脑中的神经元。更具体地说，他们使用自己制造的显微镜收集图像，这种显微镜被称为薄片显微镜，可以同时对几个神经元的活动进行成像。

“我们还根据现有的电子显微镜数据集重建了这个区域的神经元形态，”Portugues说。“从这个数据集可以检测到这些神经元在哪里发送它们的投影，以及它们如何与网络中的其他神经元连接。我们的重建发现，方向神经元抑制了代表相反方向的方向神经元。这确保了在任何给定的时间点只表示一个方向。”

自从几十年前神经科学家首次发现所谓的“朝向神经元”的存在以来，已经引入了许多理论模型来解释这些神经元如何在网络中连接。对昆虫的研究已经显示出理论和实验之间的完美一致，但对于脊椎动物(即拥有脊椎或脊柱的动物)的方向网络却几乎没有什么可说的。

Portugues和他的同事是第一个收集到证实斑马鱼大脑中也存在朝向神经回路的发现的人。

“我们最近的工作表明，脊椎动物大脑中存在这样的网络，”Portugues说。“由于斑马鱼的透明度和小尺寸，我们可以揭示网络的架构，让我们对它的工作原理有一个机械的理解。此外，虽然昆虫和脊椎动物的大脑非常不同，但我们发现两者的朝向系统都有许多连接模式，这表明神经系统的一些架构原则在动物王国中得到了保留。”

这组研究人员最近的发现可能很快就会为寻找其他脊椎动物(如不同的鱼类、鸟类、两栖动物、爬行动物甚至哺乳动物)大脑中前进方向的神经表征的研究铺平道路。总的来说，这些工作可以为动物关于旅行地点的决定是如何在大脑中存储或表示的提供一些有趣的新线索。

“在我们最近的研究中，我们发现了一个编码航向信号的网络，”Portugues补充说。“我们现在计划发现这个信号是如何产生的，这个信号在大脑中被传输到哪里，以及鱼是如何利用它来导航环境的。具体来说，我们想要研究当动物走向一个目标时会发生什么；它是如何使用航向信号的，以及当信号受损时会发生什么。”