相信大家聽(tīng)過(guò)著名的漢樂(lè)府詩(shī)《江南》：

江南可采蓮，蓮葉何田田，魚戲蓮葉間。

魚戲蓮葉東，魚戲蓮葉西，魚戲蓮葉南，魚戲蓮葉北。

詩(shī)中描述了歡快的魚兒在荷葉下不停的嬉戲玩耍，忽東忽西，忽南忽北。而動(dòng)物是如何表達(dá)外部環(huán)境和自身位置并利用這些信息完成空間探索的，是腦科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了John O′Keefe、May-Britt Moser和Edvard I. Moser三位教授，以表彰他們構(gòu)建了大腦定位系統(tǒng)的細(xì)胞基礎(chǔ)，揭示了大腦內(nèi)置的“GPS”機(jī)制。然而魚類是如何表達(dá)外部環(huán)境地圖、并進(jìn)行空間定位的機(jī)理，卻一直是科學(xué)界的未解之謎之一。為此，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李孟研究員與德國(guó)馬克斯普朗克學(xué)會(huì)生物控制論研究所合作，使用國(guó)際領(lǐng)先的跟蹤顯微鏡技術(shù)取得突破性進(jìn)展，在斑馬魚大腦中發(fā)現(xiàn)了與其他物種相似的空間表達(dá)與計(jì)算機(jī)理。相關(guān)成果以《幼年斑馬魚端腦中空間表征的群體編碼》（A population code for spatial representation in the larval zebrafish telencephalon）為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07867-2）。

生物通過(guò)空間探索生成其外部環(huán)境的大腦內(nèi)在地圖。當(dāng)探索一個(gè)陌生的城市時(shí)，我們會(huì)使用各種線索——某些地標(biāo)、在一個(gè)方向上走了多遠(yuǎn)的感覺(jué)、又或者是一條無(wú)法穿越的河流——來(lái)創(chuàng)建外部環(huán)境的內(nèi)部地圖。在大腦深處一個(gè)被叫做“海馬體”的腦區(qū)中，一組位置細(xì)胞在構(gòu)建外部世界的內(nèi)部地圖方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)處于空間中的特定位置時(shí)，這些位置細(xì)胞就會(huì)激發(fā)，并可以自我組織成一系列不同的思維地圖。

在哺乳動(dòng)物上超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的研究表明，這種空間地圖是由多種信息源創(chuàng)建的，包括遠(yuǎn)處和近處的地標(biāo)、環(huán)境的幾何特征以及動(dòng)物的自我運(yùn)動(dòng)整合。同時(shí)，哺乳動(dòng)物研究揭示了空間認(rèn)知的關(guān)鍵計(jì)算構(gòu)建模塊，從海馬體（hippocampus）中位置細(xì)胞（place cells，PCs）的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，擴(kuò)展到內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）中的網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells，GCs）、下丘腦（subiculum）中的邊界向量細(xì)胞（border vector cells,BVCs）和方向細(xì)胞（heading direction cells，HDCs）等。然而，這些模塊是何時(shí)以及如何在進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)的，還亟待探索。到目前為止，位置細(xì)胞只在哺乳動(dòng)物和鳥類中發(fā)現(xiàn)，而其他物種如何在內(nèi)部代表外部世界的問(wèn)題在很大程度上仍未得到解答。

雖然行為學(xué)研究顯示，空間認(rèn)知能力在進(jìn)化早期就已經(jīng)出現(xiàn)，并存在于硬骨魚（teleost fish）等脊椎動(dòng)物中，但之前的鳥類以及哺乳動(dòng)物之外的物種研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞的明確證據(jù)。相反，有人提出硬骨魚使用完全不同的一組計(jì)算單元（例如邊界細(xì)胞而不是位置細(xì)胞）進(jìn)行空間認(rèn)知。事實(shí)上，關(guān)于硬骨魚大腦中海馬體的位置存在與否是一個(gè)激烈爭(zhēng)論的科學(xué)問(wèn)題，并且存在各種相互矛盾的模型，一種模型認(rèn)為海馬體和副邊緣（paralimbic）系統(tǒng)占據(jù)了硬骨魚端腦的大部分區(qū)域，另一種模型則認(rèn)為硬骨魚大腦中不存在類似海馬體的區(qū)域。由于缺乏在空間導(dǎo)航過(guò)程中硬骨魚大腦的全面功能數(shù)據(jù)，這一爭(zhēng)論極難解決。

為了解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)自由游動(dòng)幼年斑馬魚進(jìn)行了全腦成像，發(fā)現(xiàn)了微小幼蟲斑馬魚大腦中存在位置細(xì)胞的第一個(gè)令人信服的證據(jù)，揭示了硬骨魚腦中空間信息的功能特性和解剖分布。令人驚訝的是，與編碼方向和速度的細(xì)胞（主要集中在魚類的rhombencephalon區(qū)域）相比，大多數(shù)位置細(xì)胞位于斑馬魚前腦中端腦（telencephalon）區(qū)域，其確切功能幾十年來(lái)一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。端腦中位置細(xì)胞的高濃度可能證實(shí)了長(zhǎng)期以來(lái)的猜想，即該大腦區(qū)域是哺乳動(dòng)物海馬體的功能類似物，只是縮小了。這些位置編碼神經(jīng)元可以用來(lái)解碼動(dòng)物隨時(shí)間變化的空間位置。通過(guò)將這一群體編碼投射到二維活動(dòng)流形上，研究團(tuán)隊(duì)觀察到斑馬魚大腦中空間表示隨時(shí)間的演變。

通過(guò)系統(tǒng)性的改變外界環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)斑馬魚大腦中編碼空間信息的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能同時(shí)集成了類似于哺乳動(dòng)物位置細(xì)胞的異位（allothetic）和自位（idiothetic）信息。這些空間信息編碼神經(jīng)元顯示出組裝結(jié)構(gòu)（assembly structure）的特性，這一結(jié)果與哺乳動(dòng)物中最近的研究成果相符，即位置細(xì)胞之間的相關(guān)性比之前預(yù)期的要強(qiáng)。

綜上所述，本研究證實(shí)了在斑馬魚幼魚端腦中存在編碼空間的神經(jīng)元，表明我們對(duì)魚類大腦空間認(rèn)知組成模塊、早期脊椎動(dòng)物端腦功能作用、以及空間認(rèn)知的進(jìn)化起源等方面取得了重要進(jìn)展。該項(xiàng)研究表明斑馬魚可作為研究空間信息在全腦尺度表達(dá)及處理的全新模式動(dòng)物，并為開(kāi)發(fā)類腦空間計(jì)算及類腦導(dǎo)航提供了理論基礎(chǔ)和生物機(jī)理支持。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所的李孟研究員在前期“斑馬魚大腦內(nèi)在狀態(tài)開(kāi)關(guān)”研究（該成果于2020年發(fā)表于《自然》期刊，文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1858-z）的基礎(chǔ)上，首次在斑馬魚大腦中發(fā)現(xiàn)了用于空間信息表達(dá)的位置編碼神經(jīng)元（見(jiàn)作者貢獻(xiàn)（Author contributions）部分中：“M.L. performed the preliminary analysis and first identification of place-encoding cells using data from Marques et al. 2020.”）。

圖1. 帶有視覺(jué)線索的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景揭示了幼年斑馬魚腦中的位置細(xì)胞

圖2. 通過(guò)改變環(huán)境證明斑馬魚大腦中位置細(xì)胞活動(dòng)參與路徑整合