麻省理工学院和哈佛大学的一项新研究表明，看似简单的斑马鱼的大脑比之前认为的要复杂得多。研究人员发现，斑马鱼幼虫可以利用视觉信息创建其物理环境的三维地图，这是科学家认为不可能实现的壮举。

在这项新研究中，研究人员发现斑马鱼可以在躲避捕食者的同时绕过环境障碍。研究人员说，这些发现表明斑马鱼“比我们想象的要聪明得多”，可以作为一个模型来探索人类视觉感知的许多方面。

“这些结果表明，你可以研究动物面临的最基本的计算问题之一，即在斑马鱼幼虫中感知环境的3D模型，”麻省理工学院大脑和认知科学系的首席研究科学家、这项新研究的作者Vikash Mansinghka说。

安德鲁·博尔顿，麻省理工学院的研究科学家和哈佛大学的研究助理，是今天发表在《当代生物学》上的这项新研究的资深作者。哈佛博士后汉娜·兹瓦卡(Hanna Zwaka)和最近刚从哈佛毕业、现为牛津大学研究生的奥利维亚·麦金尼斯(Olivia McGinnis)是这篇论文的主要作者。

映射环境

自20世纪70年代以来，斑马鱼被用于研究各种人类疾病，包括癌症、心血管疾病和糖尿病。南希·霍普金斯是斑马鱼研究的早期先驱之一，她目前是麻省理工学院的生物学退休教授，她发现了许多与斑马鱼胚胎发育有关的基因。

最近，科学家们开始探索用斑马鱼作为涉及感官知觉的行模型的可能性。三年前，博尔顿领导的一项研究表明，斑马鱼可以根据猎物的位置和速度准确预测猎物的运动轨迹。

在那次研究中，博尔顿不小心掉了一个装有斑马鱼幼虫的盘子，并注意到这些鱼立即向四面八方散去。这让他想，他们选择的逃生路线完全是随机的吗?如果路上有障碍，会不会受到影响?

检测障碍物的能力需要综合多种类型的感官输入，并能够利用这些信息计算出相对于自己在空间中的位置的障碍物位置。人类和许多其他动物都能做到这一点，但人们认为，像斑马鱼这样的简单生物无法做到这一点。

相反，许多神经科学家认为，斑马鱼的视觉感知与简单的线虫等生物的视觉感知相似。在这些蠕虫中，光敏细胞检测到的光线会触发反射反应，比如靠近或远离光线。

为了探索斑马鱼是否可以对其3D环境产生心理表征的问题，博尔顿创建了一个实验装置，在这个装置中，斑马鱼需要试图避开阻碍它们可能逃跑路径的障碍。这些实验是在哈佛大学分子和细胞生物学教授弗洛里安·恩格尔特(Florian Engert)的实验室完成的，他也是这项研究的作者之一。

每条鱼都被放在一个直径约12厘米的圆盘中，在那里它们可以自由游动。当一根金属棒掉在盘子上，发出一声巨响，鱼就会立刻逃跑。研究人员首先表明，如果没有障碍物存在，鱼会随机选择左边或右边作为逃跑路径。

然后，研究人员放置了一个12毫米的塑料屏障，阻止其中一条逃生路线。研究人员发现，当障碍物到位时，鱼几乎总是选择向没有障碍物的方向逃跑，只要有足够的光让它们看到。此外，当障碍物离得更近时，鱼更有可能试图避开障碍物，这表明它们也能够计算到障碍物的距离。

斑马鱼的快速反应时间约为10毫秒，这表明它们必须在听到声音之前“预先计算”出屏障位置的地图。斑马鱼将视觉信息从视网膜传导到大脑大约需要60毫秒，这就排除了它们在听到巨响后检查障碍物的可能性。

博尔顿说:“他们无法实时绘制地图，因为逃跑相对于点击速度太快了。”“它们需要提前绘制环境地图，以防捕食者或模仿捕食者的东西出现。”

模拟大脑

这种预映射行为已经在啮齿类动物和其他哺乳动物中发现过，但在更简单的脊椎动物中没有。在斑马鱼身上的发现为探索大脑如何创建世界模型的问题开辟了一条新途径，霍华德休斯医学研究所詹尼利亚研究校区的高级小组负责人米沙·艾伦斯说。

“这项工作完美地展示了一个看起来简单的小动物如何拥有非凡的行为和计算能力。它们不仅仅是输入输出机器;相反，他们拥有一种我们看不到的周围世界的模型，直到我们用精心设计的触发器仔细探索这些内部模型，”没有参与这项研究的Ahrens说。

因为斑马鱼的大脑比哺乳动物的大脑更小更简单，所以它更容易成像和操作，甚至可以精确到单个神经元的水平。先前的研究人员发现了一对被称为毛氏神经元的神经元，它们似乎调节了斑马鱼对声音的反应。本研究的神经回路实验发现，视障的视觉输入刺激了诱导逃逸的毛氏神经元。

研究人员现在计划探索斑马鱼大脑的哪一部分编码了深度感知的表征。神经科学家已经很清楚哺乳动物的大脑是如何以及在哪里映射二维空间的(在上丘，它类似于斑马鱼大脑中被称为光学顶盖的区域)，但第三维度的深度是如何添加的还不太清楚。

Mansinghka说:“例如，如果我们在斑马鱼幼虫的光学顶盖中找到3D表示，这将是一个指南，它可能在上丘或哺乳动物的视觉通路，包括人类。”Mansinghka领导着大脑和认知科学系的概率计算项目，并在麻省理工学院的计算机科学和人工智能实验室担任双重职务。

Mansinghka还希望新的发现能帮助说服一些认知和系统神经科学家，他们认为斑马鱼太简单了，无法达到他们的目的，把斑马鱼作为一个模型，有潜力整合科学家现在用来研究大脑的许多不同方法。

他说:“从历史上看，在研究细胞的人、研究脑回路的人、研究成像的人、研究行为的人、研究认知的人以及研究计算的人之间有很多分歧。”“很难同时解决所有这些层面的综合研究，但我们可能已经证明，有一种生物可以用于研究许多不同层面的感知计算，并将其与底层神经元连接起来。”

这项研究由美国国立卫生研究院资助。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。