動物是如何表達外部環境和自身位置并利用這些信息完成空間探索，是腦科學的重要研究領域之一。然而，魚類是如何表達外部環境地圖并進行空間定位的機理尚不清楚。
 

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員李孟與德國馬克斯-普朗克學會生物控制論研究所的科研人員合作，使用國際領先的跟蹤顯微鏡技術，在斑馬魚大腦中發現了與其他物種相似的空間表達與計算機理。相關研究成果以《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，發表在《自然》(Nature)上。
 

　　生物通過空間探索生成其外部環境的大腦內在地圖。當探索陌生城市時，我們使用各種線索——某些地標、在一個方向上走了多遠的感覺、又或是一條無法穿越的河流——來創建外部環境的內部地圖。在大腦深處的被稱為“海馬體”的腦區中，一組位置細胞在構建外部世界的內部地圖方面發揮著關鍵作用。當處于空間中的特定位置時，這些位置細胞便會激發并可以自我組織成一系列不同的思維地圖。
 

　　哺乳動物研究表明，這種空間地圖由多種信息源創建，包括遠處和近處的地標、環境的幾何特征以及動物的自我運動整合。同時，空間認知的關鍵計算構建模塊從海馬體中位置細胞的開創性發現開始，擴展到內嗅皮層中的網格細胞、下丘腦中的邊界向量細胞和方向細胞等。然而，亟待探索這些模塊何時以及如何在進化過程中出現。目前，位置細胞只在哺乳動物和鳥類中被發現，而其他物種如何在內部代表外部世界尚不清楚。
 

　　行為學研究顯示空間認知能力在進化早期便已出現并存在于硬骨魚等脊椎動物中，但此前的鳥類以及哺乳動物之外的物種研究未發現位置細胞的明確證據。相反，有研究提出，硬骨魚使用完全不同的一組計算單元進行空間認知。當前，硬骨魚大腦是否存在海馬體是具有爭議的科學問題。同時，這一問題存在相互矛盾的模型。一種模型認為海馬體和副邊緣系統占據硬骨魚端腦的大部分區域；另一種模型認為硬骨魚大腦不存在類似海馬體的區域。由于缺乏在空間導航過程中硬骨魚大腦的全面功能數據，這一爭論較難解決。
 

　　該團隊對自由游動幼年斑馬魚進行了全腦成像，發現了微小幼蟲斑馬魚大腦存在位置細胞的證據，揭示了硬骨魚腦中空間信息的功能特性和解剖分布。與編碼方向和速度的細胞相比，多數位置細胞位于斑馬魚前腦中端腦區域，但其確切功能是爭論的焦點。端腦中位置細胞的高濃度或證實了長期以來的猜想，即該大腦區域是縮小的哺乳動物海馬體的功能類似物。這些位置編碼神經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，研究觀察到斑馬魚大腦中空間表示隨時間的演變。
 

　　該研究通過系統性地改變外界環境發現，斑馬魚大腦中編碼空間信息的神經元網絡可能同時集成了類似于哺乳動物位置細胞的異位和自位信息。這些空間信息編碼神經元顯示出組裝結構的特性，這與哺乳動物中關于位置細胞之間的相關性比之前預期的要強的發現相符。
 

　　上述成果證實了在斑馬魚幼魚端腦存在編碼空間的神經元。這是關于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的進展。該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，為開發類腦空間計算及類腦導航奠定理論基礎并提供生物機理支持。
 

帶有視覺線索的實驗場景揭示幼年斑馬魚腦中的位置細胞
 

通過改變環境證明斑馬魚大腦中位置細胞活動參與路徑整合