斑马鱼凭借其透明的身体，为神经科学家提供了一个独特的视角，以深入了解大脑如何控制运动。研究人员聚焦斑马鱼的大脑，探索运动背后的神经“编舞”。通过一种新颖的分析方法，研究发现了后脑中的两个主要神经回路：一个负责眼球旋转，另一个负责身体稳定。这一创新方法不仅有助于理解神经系统疾病，还为机器人技术提供了潜在应用。

关键发现

1. 斑马鱼作为研究模型：斑马鱼在神经科学研究中广受欢迎，为深入理解大脑如何控制运动提供了重要线索。

2. 两大神经回路：研究发现斑马鱼大脑中存在两个核心神经回路，一个控制眼球旋转，另一个负责身体稳定和眼球汇聚。

3. 新分析方法的应用：这种分析方法为其他研究人员提供了强大工具，可用于研究感觉-运动转换机制，并为机器人设计提供灵感。

研究背景

斑马鱼的大脑虽然比人类简单，但其神经元网络复杂且活跃。研究人员希望通过研究斑马鱼的神经活动，揭示大脑（包括人类大脑）如何控制运动的奥秘。这项由Champalimaud基金会领导的研究，为观察神经群体活动提供了新视角。

研究内容

大脑的主要功能：运动

研究的主要作者Claudia Feierstein指出：“大脑的主要功能是运动。植物不需要大脑，因为它们不会移动。然而，即使是看似简单的眼球运动，大脑的作用仍然是一个谜。我们的目标是揭开运动的‘黑匣子’，并解码神经活动如何控制眼球和身体运动。”

斑马鱼因其透明的身体成为神经科学的宠儿，为研究大脑功能提供了独特窗口。Feierstein解释说：“眼球运动是一个在物种间保守的回路，包括人类。如果我们能理解斑马鱼的工作原理，就能更好地理解人类大脑如何控制运动。”

神经活动的复杂性

斑马鱼和人类一样，具有稳定视觉和位置的本能能力。当周围环境旋转时，它们的眼睛和身体会协同运动以保持稳定。然而，大脑如何协调这种行为仍不清楚。研究团队此前发现斑马鱼大脑的不同区域与不同类型的运动相关，但这些区域与具体行为之间的关系尚不明确。

Feierstein指出：“虽然我们知道神经元参与检测视觉刺激（输入）和控制肌肉（输出），但中间的处理过程仍然是个谜。”此外，神经元对多种刺激的反应以及全脑成像研究捕获的海量数据，使得问题更加复杂。

新分析方法

为了应对这一挑战，研究人员最初使用线性回归统计方法探索行为变量与神经元活动之间的关系。然而，他们很快意识到，单独分析神经元无法提供整体图景。Feierstein解释说：“我们开始观察单个神经元，但很快意识到需要理解整体，即整个‘舞蹈团’的活动。”

研究团队在分析中引入了“降维”步骤，以缩小视角，观察神经元群体的整体活动。研究的高级作者之一Christian Machens表示：“我们想知道：我们测量的整体活动如何与行为相关？如何将数万个神经元的活动简化为其基本特征？”

揭示大脑的“编舞”

通过将分析方法应用于斑马鱼的后脑区域，研究人员将复杂的神经元活动简化为两个主要“特征”，分别对应特定类型的运动。这些特征可能由斑马鱼后脑中的两个独立回路生成。

第一个回路主要与眼球运动相关，特别是眼球的旋转（顺时针或逆时针）。当斑马鱼看到环境中某物旋转时，其眼睛也会旋转以保持稳定的视觉图像。第二个回路则与“汇聚”运动和尾部运动相关。汇聚是指眼睛向相反方向移动的能力，以响应刺激。当斑马鱼感知到刺激从前向后移动时，这一回路会启动，帮助其调整身体和眼球运动以保持稳定位置。

研究意义

这项研究不仅增强了我们对大脑如何控制运动的理解，还为其他研究人员提供了一种新的分析方法。Feierstein表示：“这种方法的优点在于，其他科学家可以用它来更好地理解神经活动与行为之间的联系。”

研究结果可能为理解某些神经系统疾病（如感觉信息到运动指令的转换受损）开辟新途径。此外，这些发现还可能为机器人和机器学习领域提供新思路，因为将感觉数据转换为运动是其基本原理之一。

未来展望

Feierstein表示：“我们只是触及了表面。下一步，我希望研究不同类型的神经元（如兴奋性和抑制性神经元）的活动，以了解它们在这一过程中的作用。”

在大脑的“芭蕾舞”中，每个神经元都扮演着重要角色。得益于这项研究，我们离理解运动的“编舞”又近了一步。

参考文献
Feierstein, C., et al. (2023). "Dimensionality reduction reveals separate translation and rotation populations in the zebrafish hindbrain." Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2023.08.056