威尔康奈尔医学院的研究人员和同事们通过对一周大的斑马鱼幼鱼的研究，破译了脑干中神经元网络形成的连接是如何引导鱼的视线的。
这项研究发表在11月22日的《Nature Neuroscience》杂志上，研究发现，基于这种神经系统结构的简化人工回路可以预测网络中的活动。除了揭示大脑如何处理短期记忆之外，这些发现还可能导致治疗眼动障碍的新方法。
生物体不断地接收关于环境的一系列感官信息，这些信息每时每刻都在变化。为了准确地评估一种情况，大脑必须保留这些信息片段足够长的时间，以便用它们形成一个完整的画面——例如，将一个句子中的单词连接起来，或者让动物的眼睛一直盯着感兴趣的区域。
“试图理解这些短期记忆行为是如何在神经机制层面产生的，这是该项目的核心目标，”资深作者Emre Aksay博士说，他是威尔康奈尔医学院生理学和生物物理学副教授，他与加州大学戴维斯分校的Mark Goldman博士和普林斯顿大学的Sebastian Seung博士共同领导了这项研究。
动态系统建模
为了解码这种神经回路的行为，神经科学家使用了动力系统的工具，包括建立数学模型来描述系统的状态如何随时间变化，其中当前状态根据一套规则决定了它的未来状态。例如，一个短期记忆回路将保持在一个单一的首选状态，直到一个新的刺激出现，导致它进入一个新的活动状态。在视觉运动系统中，每一种状态都可以储存动物应该看哪里的记忆。
但是什么参数有助于建立这种动力系统呢？一种可能是神经回路的解剖结构：每个神经元之间形成的连接以及它们之间形成的连接数量。另一种可能是这些连接的生理强度，这是由无数因素决定的，比如释放的神经递质的数量、突触受体的类型和这些受体的浓度。
为了了解回路解剖学的贡献，Aksay博士和他的合作者研究了斑马鱼的幼鱼。到5天大的时候，这些小鱼就会四处游动和捕猎猎物，这一技能需要持续的视觉注意力。对研究小组来说，重要的是，鱼类和哺乳动物控制眼球运动的大脑区域在结构上是相似的。但是斑马鱼的系统只有500个神经元。“因此，我们可以从微观和功能上分析整个回路，”Aksay博士说。“这在其他脊椎动物身上很难做到。”
斑马鱼揭示了神经回路
利用一系列先进的成像技术，Aksay博士和同事们确定了参与控制动物凝视的神经元，然后确定了这些神经元是如何连接在一起的。他们发现该系统由两个突出的反馈回路组成，每个回路包含三个紧密相连的细胞簇。研究人员利用这种独特的结构建立了一个计算模型。他们发现他们的人工网络可以准确地预测斑马鱼回路的活动模式，他们通过将结果与生理数据进行比较来验证这一点。威尔康奈尔医学院生理学和生物物理学副教授Emre Aksay说：“博士首先，我认为自己是个生理学家。所以，我很惊讶我们仅从解剖结构就能预测出多少回路的行为。”
接下来，研究人员将探索每个簇中的细胞如何影响回路的行为，以及不同簇中的神经元是否具有不同的遗传特征。这些信息可以让临床医生在治疗上瞄准那些可能导致眼动障碍的细胞。这些发现还为解开大脑中依赖短期记忆的更复杂的计算系统提供了蓝图，比如那些涉及解码视觉场景或理解语音的计算系统。
参考文献
Predicting modular functions and neural coding of behavior from a synaptic wiring diagram
