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来创建其物理环境的三维地图——这是科学家认为不可能的壮举。

斑马鱼比我们想象的更聪明

在这项新研究中，研究人员发现斑马鱼可以在逃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”，可以用作探索人类视觉感知的许多方面的模型。

“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，即在斑马鱼幼体中感知环境的3D模型，”麻省理工学院脑与认知科学系首席研究科学家VikashMansinghka说，新研究的作者。

麻省理工学院研究科学家兼哈佛大学研究助理安德鲁博尔顿是这项新研究的资深作者，该研究今天发表在《当代生物学》上。哈佛大学博士后汉娜·兹瓦卡(HannaZwaka)和哈佛大学应届毕业生、牛津大学研究生奥利维亚·麦金尼斯(OliviaMcGinnis)是该论文的主要作者。

视频摘要。图片来源：当代生物学(2022年)。DOI:10.1016/j.cub.2022.10.050

映射环境

自1970年代以来，斑马鱼已被用于研究多种人类疾病，包括癌症、心血管疾病和糖尿病。斑马鱼研究的早期先驱之一是南希·霍普金斯(NancyHopkins)，她目前是麻省理工学院的名誉生物学教授，她发现了许多与斑马鱼胚胎发育有关的基因。

最近，科学家们开始探索使用斑马鱼作为涉及感官知觉的行为模型的可能性。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。

在那项研究中，博尔顿不小心掉落了一个盛有斑马鱼幼虫的盘子，并注意到这条鱼立即四处散落。这让他不禁怀疑，他们选择的逃生路径是不是完全随机的，如果有障碍物，会不会影响?

检测障碍物的能力需要整合多种类型的感官输入，以及使用该信息计算障碍物相对于自身空间位置的能力。人类和许多其他动物可以做到这一点，但人们认为斑马鱼等更简单的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体的视觉感知相似。在这些蠕虫中，光敏细胞检测到的光可以触发反射性反应，例如朝向或远离光移动。

为了探索斑马鱼是否可以创建其3D环境的心理表征这一问题，Bolton创建了一个实验装置，在该装置中，斑马鱼需要尽量避开阻挡其可能逃生路径的障碍物。这些实验是在哈佛大学分子和细胞生物学教授FlorianEngert的实验室完成的，他也是该研究的作者。

每条鱼都放在一个直径约12厘米的圆形盘子里，它们可以在盘子里自由游动。当一根金属棒落在盘子上时，发出一声巨响，鱼会立即逃跑。研究人员首先表明，如果不存在障碍物，鱼会随机选择左侧或右侧作为逃生路径。

然后，研究人员放置了一个12毫米的塑料屏障，挡住了其中一条逃生路线。当有障碍物时，研究人员发现，只要有足够的光线让它们看到，鱼几乎总是选择没有障碍物的方向逃跑。此外，当鱼靠近障碍物时，它们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——大约10毫秒——表明这些动物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，这排除了斑马鱼在听到巨响后检查障碍物的可能性。

“他们无法实时绘制地图，因为逃逸相对于水龙头来说太快了，”博尔顿说。“他们需要预先绘制环境图，以防出现捕食者或模仿捕食者的东西。”

大脑建模

这种预映射行为已在啮齿动物和其他哺乳动物中观察到，但在更简单的脊椎动物中却没有。HowardHughes医学研究所JaneliaResearchCampus高级小组组长MishaAhrens表示，斑马鱼的研究结果为探索大脑如何创建世界模型的问题开辟了一条新途径。

“这项工作精美地展示了一种看似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，它们拥有周围世界的模型，除非我们仔细探索，否则我们是看不到的那些带有精心设计的触发器的内部模型，”阿伦斯说，他没有参与这项研究。

由于斑马鱼的大脑比哺乳动物的大脑更小、更简单，因此可以更容易地对其进行成像和操作，直至单个神经元的水平。之前的研究人员发现了一对神经元，称为Mauthner神经元，它们似乎可以调节斑马鱼对声音的反应。这项研究的神经回路实验发现，屏障的视觉输入会激发Mauthner神经元，从而诱导逃离屏障。

研究人员现在计划探索斑马鱼大脑的哪一部分对深度感知的表征进行编码。神经科学家已经很好地了解哺乳动物大脑如何以及在何处映射二维位置(在上丘，类似于称为光学顶盖的斑马鱼大脑区域)，但如何添加深度的三维空间并不是很好-明白了。

“例如，如果我们在斑马鱼幼虫光学顶盖中发现3D图像，这将指导它在上丘或哺乳动物(包括人类)的视觉通路中的位置，”概率论项目负责人Mansinghka说。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的计算项目。

Mansinghka还希望这些新发现将有助于说服一些认知和系统神经科学家，他们认为斑马鱼太简单而无法用于他们的目的，将其视为一种模型，有可能整合科学家现在用来研究斑马鱼的许多不同方法。脑。

“从历史上看，研究细胞的人、研究脑回路的人、做成像的人、研究行为的人、研究认知的人和研究计算的人之间存在很多分歧，”他说。“很难同时解决所有这些层面的综合研究，但在这里我们可能已经证明有一种有机体可用于研究许多不同层面的感知计算并将其连接到底层神经元。”