研究人員12月22日在《細胞》雜志上報告說，一種多區域的大腦回路允許斑馬魚幼魚追蹤它們在哪里，去過哪里，以及在被轉移后如何回到原來的位置。研究結果揭示了幼體斑馬魚在被洋流推離航道后如何追蹤自己的位置并利用這一位置來導航。

“我們研究了一種行為，在這種行為中，幼魚斑馬魚必須記住過去的位移，以準確地保持它們在空間中的位置，例如，水流可以把它們沖到自然環境的危險區域，”霍華德·休斯醫學研究所珍妮利亞研究校園的高級作者Misha Ahrens說。“然而，我們還不知道它們是否會在很長一段時間內明確地跟蹤自己的位置，并使用記憶的位置信息返回到之前的位置——我們稱之為位置穩態。這種能力在動物行為學上是至關重要的，因為斑馬魚幼魚間歇性地游泳，休息時隨著水流移動。”

許多動物都能記錄它們在環境中的位置。它們將自我定位信息用于許多重要行為，例如在訪問未知和潛在危險的地區后有效地返回安全地點，再次訪問食物豐富的地區，以及避免在食物匱乏的地區覓食。雖然自我定位在海馬體的形成中得到了體現，但目前還不清楚這種表現是如何產生的，它們是否存在于更古老的大腦區域，以及它們通過什么途徑控制運動。

Howard Hughes醫學研究所Janelia研究園區的第一作者En Yang說:“這種回路很難精確定位，因為神經科學通常依賴于預先選擇的大腦區域的細胞記錄，這些區域覆蓋了大腦中所有神經元的一小部分。”

在這項新的研究中，研究人員開始在幼魚斑馬魚中識別完整的導航回路，從運動積分器到運動前中心，通過在依賴于自我定位的行為過程中以細胞分辨率對整個大腦進行詳盡的成像和分析。通過對每只動物超過10萬個神經元的訪問，揭示了以前未知的與自我定位有關的大腦區域，從而發現了一個多區域的后腦回路，它介導了從速度到位移記憶到行為的轉變。

“我們的研究結果揭示了脊椎動物后腦中自我定位和相關行為的神經系統，并提供了對其功能的電路水平、表征和控制理論理解。該系統在動態環境的閉環中運行，環境-大腦-行為循環包括集成、自我定位的神經表征和運動控制，”Ahrens說。“這些結果表明，有必要在整體層面上考慮大腦，并統一系統神經科學的概念，如自我定位和運動控制，這些概念通常是分開研究的。”

全腦功能成像不僅揭示了幼體斑馬魚位置內穩態的存在，還揭示了大腦如何識別和糾正斑馬魚位置的變化。當動物主動或被動地改變位置時，底層電路通過整合視覺信息，在背腦干中計算自我定位，形成對過去位移的記憶。這種自我定位的表示被下橄欖讀取為一個持久的位置誤差信號，反映了魚的原始位置和當前位置之間的差異。這個信號被轉換成移動輸出，糾正累積位移在許多秒的過程中。

作者說，這種多區域回路在哺乳動物中具有潛在的解剖學和功能同源性，并可能與其他已知的自我定位表征相互作用。此外，這項工作還將自我定位和橄欖小腦運動控制聯系起來，并建立了脊椎動物后腦作為目標導向導航行為的神經控制中心。

“我們在位置記憶和位置穩態方面的結果與進化上古老的大腦區域對高階行為起核心作用的觀點相一致，”Ahrens說。認知過程廣泛分布在神經系統中，這一觀點與進化命題一致，即復雜行為的出現，在一定程度上是通過在執行相關計算的古老大腦結構上構建新的電路來實現的。因此，對全腦神經活動的調查可能對確定分布式認知功能的機制至關重要。”

這項工作得到了霍華德·休斯醫學研究所和西蒙斯基金會的支持。

En Yang, Maarten F. Zwart, Ben James, Mikail Rubinov, Ziqiang Wei, Sujatha Narayan, Nikita Vladimirov, Brett D. Mensh, James E. Fitzgerald, Misha B. Ahrens. A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish. Cell, 2022; 185 (26): 5011