2023年11月3日上午，受李毓龙教授邀请，来自美国Janelia Research Campus的Misha B. Ahrens教授在生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为 “Flexible computation in brain-wide zebrafish circuits” 的精彩报告。
大脑的正常功能依赖于全脑大型神经元网络之间的信息交流。这些神经元网络能够感知并接收外界信号，并随着时间推移积累信息、存储记忆，最终触发决策与行动。这些信息交流都依赖于动物的过去经历和当前的精神和生理状态。而由于这种分布式的计算网络跨越整个大脑，覆盖多个空间尺度，从大型神经元网络到小分子水平，使得我们想要完全理解这个系统非常困难。Ahrens 研究组使用斑马鱼这种小型的、光学可及的、在幼年时期就有丰富的灵活运动行为的脊椎动物作为研究对象，开发了新型的工具，尝试对其运动行为调控中的神经网络进行刻画。
自我定位能力对于许多动物来说至关重要。对在野生状态下的斑马鱼而言，他们会通过判断周围环境变化来调整自己的运动，从而使个体定位保持一定的“稳态”，避免“随波逐流”。这一个体位置稳态的维持可能来自于动物脑内对环境变化和个体运动导致的位置变化的整合。然而，这种位置稳态的维持机制人们却并不清楚，这很大程度上是由于先前的研究只能关注特定脑区的一小部分神经元的活动，因此很难同时研究整个大脑神经网络在完成这种复杂的计算整合任务时的精细活动。为了解决这个问题，Ahrens研究组选择以斑马鱼幼鱼在遇到速度变化的水流时能够维持不变位置稳态的行为作为模型，利用虚拟现实技术搭建模拟运动系统，使用单细胞分辨率的全脑钙成像，通过机器学习等方式，构建了一个合理的数学模型，并找寻到了其相应的神经环路机理。
Ahrens 研究组还探究了连续的徒劳行为诱导的放弃行为（FIP）的机制。他们发现去甲肾上腺素诱导的星形胶质细胞激活在这一现象的产生过程中非常重要。随后Ahrens实验室尝试对斑马鱼幼鱼施加速效抗抑郁药氯胺酮，发现氯胺酮可以通过抑制这群星形胶质细胞来减少斑马鱼的FIP行为。
利用新型光片显微镜对斑马鱼全脑进行单细胞钙成像记录
斑马鱼在定位过程中，需要依靠视觉刺激输入来判断当前位置并调整自己的速度与运动方向以达到保持位置相对不变的目的。然而普通光片显微镜虽然可以在这一过程中对斑马鱼全脑神经元钙活动进行记录，但由于光路会直接照射眼球，无法进行有视觉刺激的相关研究。Ahrens研究组为了解决这一问题，搭建了一个使用两路正交照明激光的光片显微镜进行记录的系统1（图1 A、B）来规避避免直接照明眼球，同时又获得全脑的信息，从而在允许视觉刺激条件下，对全脑神经元进行记录。为了验证该系统的可用性，实验者使用elavl3启动子在斑马鱼脑中广泛表达钙探针GCaMP6s，结果显示该系统能够记录到明确的钙信号，且其分辨率可以达到单细胞水平（图1 C、D）。
图1 新型光片显微镜系统及其效果
斑马鱼在短期内可以消除无意识位移带来的位置变化
为了模拟斑马鱼在自然条件下的运动调节情况，研究者利用虚拟现实技术2给斑马鱼施加模拟被动位移的视觉刺激。在分别施加向前或向后的被动位移刺激后，再给斑马鱼一个急促的虚拟水流使其位置发生改变（图2 A、B）。如果斑马鱼没有关于之前的位置记忆，在水流冲击后仅会试图通过游动抵消急促的水流，而不会回复施加被动刺激前的位置；如果斑马鱼存在对先前位置的记忆，则会回到被动刺激前的原始位置（图2 C）。实验结果表明，无论是向前还是向后的被动视觉刺激，斑马鱼均能够在水流出现后的10s内返回视觉刺激前的原始位置3（图2 D、E）。这说明斑马鱼具有短期内对所处位置的记忆，并且能够通过运动调整维持位置的恒定。
图2 模拟刺激下斑马鱼存在位置记忆并可通过运动调节保持位置稳定3
斑马鱼调节运动稳态的神经基础
为了探究这一调节过程的神经环路基础，Ahrens实验室使用上述光片显微镜对活体斑马鱼进行功能成像，发现位于延髓的部分细胞簇（SLO-MO）、下橄榄核（IO）、小脑、中缝背核等显著兴奋（图3 A、B）。
同时根据解剖学连接（图3 C），由SLO-MO发出的GABA能神经元存在向IO的投射，而IO也存在向小脑的投射，据此初步搭建局部环路模型（图3 D）。
图3 与位置稳态过程密切相关的核团及初步模型
特异性消融SLO-MO核团也会导致斑马鱼位置稳态维持功能的消失（图4 A），同时在未受到被动位移的斑马鱼脑中特异性激活SLO-MO核团也会使得斑马鱼产生对应的前后移动现象（图4 B）。
下游的IO核团也是斑马鱼完成该调控活动所必要的（图4 A）。同时该核团相应时间与假位移时间呈正相关（图4 C），这提示了IO核团可能与斑马鱼对偏移距离的估计有关。
根据以上信息，Ahrens的团队最终构建出了最后的模型（图4 D）。即SLO-MO核团可整合视觉刺激带来的位置变化信号和自身运动带来的信号，投射向IO核团再投射到小脑引发运动从而维持位置稳态。
图4 SLO-MO与IO核团的作用及总体环路模型
徒劳行动诱导的放弃行为的神经机制
在斑马鱼的运动调节过程中，还会出现多次尝试游泳都无法回到原始位置后放弃游泳的现象4。
Ahrens实验室利用全脑成像技术，使用绿色钙探针GCaMP6f和红色钙探针jRGECO1b分别对神经元和星形胶质细胞进行记录，发现在消极行为发生时神经元活动性下降同时星形胶质细胞活性上升（图5 A、B）。
而在消融星形胶质细胞后，消极行为的时间显著下降（图5 C）。若激活星形胶质细胞则消极行为时间增长。这说明星形胶质细胞的激活能够导致消极行为的产生。
而为了探索星形胶质细胞的上游，Ahrens实验室通过全脑成像找到了上游为延髓去甲肾上腺素核团（NE-MO），选择性消融NE-MO核团会显著减少消极行为的时长（图5 E）。而使用光遗传学工具激活NE-MO核团，则会激活星形胶质细胞，引起消极行为（图5 D）。
综上，Ahrens实验室发现徒劳行动会激活NE-MO核团，激活其向后脑星形胶质细胞的NE投射从而激活这些星形胶质细胞，进而激活其GABA投射，从而促进消极行为的产生。除此之外，Ahrens还报道了提前的氯胺酮暴露会缓解消极现象的出现。
图5 星形胶质细胞介导消极行为产生的神经机制
Misha Ahrens教授的此次报告，系统性介绍了新的成像工具和斑马鱼多种运动行为背后的神经网络基础。
参考文献
1. Nikita Vladimirov, Misha B. Ahrens, Light-sheet functional imaging in fictively behaving zebrafish. Nat. Methods 11, 883-884 (2014).
2. Misha B. Ahrens, Florian Engert, Brain-wide neuronal dynamics during motor adaptation in zebrafish. Nature 485, 471-477 (2012).
3. En Yang, Misha B. Ahrens, A brainstem integrator for self-location memory and positional homeostasis in zebrafish. Cell 185, 5011-5027 (2022).
4. Yu Mu, Misha B. Ahrens, Glia Accumulate Evidence that Actions Are Futile and Suppress Unsuccessful Behavior. Cell 178, 27-43 (2019).
