相信大家聽過著名的漢樂府詩《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。而動物是如何表達外部環(huán)境和自身位置并利用這些信息完成空間探索的，是腦科學的重要研究領(lǐng)域之一。2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了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)的細胞基礎(chǔ)，揭示了大腦內(nèi)置的“GPS”機制。然而魚類是如何表達外部環(huán)境地圖、并進行空間定位的機理，卻一直是科學界的未解之謎之一。為此，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李孟研究員與德國馬克斯普朗克學會生物控制論研究所合作，使用國際領(lǐng)先的跟蹤顯微鏡技術(shù)取得突破性進展，在斑馬魚大腦中發(fā)現(xiàn)了與其他物種相似的空間表達與計算機理。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)表于國際學術(shù)期刊《自然》（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07867-2）。

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

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

雖然行為學研究顯示，空間認知能力在進化早期就已經(jīng)出現(xiàn)，并存在于硬骨魚（teleost fish）等脊椎動物中，但之前的鳥類以及哺乳動物之外的物種研究并沒有發(fā)現(xiàn)位置細胞的明確證據(jù)。相反，有人提出硬骨魚使用完全不同的一組計算單元（例如邊界細胞而不是位置細胞）進行空間認知。事實上，關(guān)于硬骨魚大腦中海馬體的位置存在與否是一個激烈爭論的科學問題，并且存在各種相互矛盾的模型，一種模型認為海馬體和副邊緣（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)航過程中硬骨魚大腦的全面功能數(shù)據(jù)，這一爭論極難解決。

為了解決上述問題，研究團隊對自由游動幼年斑馬魚進行了全腦成像，發(fā)現(xiàn)了微小幼蟲斑馬魚大腦中存在位置細胞的第一個令人信服的證據(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胞（主要集中在魚類的rhombencephalon區(qū)域）相比，大多數(shù)位置細胞位于斑馬魚前腦中端腦（telencephalon）區(qū)域，其確切功能幾十年來一直是爭論的焦點。端腦中位置細胞的高濃度可能證實了長期以來的猜想，即該大腦區(qū)域是哺乳動物海馬體的功能類似物，只是縮小了。這些位置編碼神經(jīng)元可以用來解碼動物隨時間變化的空間位置。通過將這一群體編碼投射到二維活動流形上，研究團隊觀察到斑馬魚大腦中空間表示隨時間的演變。

通過系統(tǒng)性的改變外界環(huán)境，研究團隊發(fā)現(xiàn)斑馬魚大腦中編碼空間信息的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可能同時集成了類似于哺乳動物位置細胞的異位（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)果與哺乳動物中最近的研究成果相符，即位置細胞之間的相關(guān)性比之前預(yù)期的要強。

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

中國科學院上海微系統(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的位置編碼神經(jīng)元（見作者貢獻（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. 帶有視覺線索的實驗場景揭示了幼年斑馬魚腦中的位置細胞

圖2. 通過改變環(huán)境證明斑馬魚大腦中位置細胞活動參與路徑整合