<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668953284937/1668953284937.jpg" width="808" height="538" /></p> <p>麻省理工學院和哈佛大學的一項新研究表明，看似簡單的斑馬魚的大腦比之前認為的要復雜得多。研究人員發(fā)現(xiàn)，斑馬魚幼蟲可以利用視覺信息創(chuàng)建其物理環(huán)境的三維地圖，這是科學家認為不可能實現(xiàn)的壯舉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)斑馬魚可以在躲避捕食者的同時繞過環(huán)境障礙。研究人員說，這些發(fā)現(xiàn)表明斑馬魚&ldquo;比我們想象的要聰明得多&rdquo;，可以作為一個模型來探索人類視覺感知的許多方面。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這些結(jié)果表明，你可以研究動物面臨的最基本的計算問題之一，即在斑馬魚幼蟲中感知環(huán)境的3D模型，&rdquo;麻省理工學院大腦和認知科學系的首席研究科學家、這項新研究的作者Vikash Mansinghka說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>安德魯&middot;博爾頓，麻省理工學院的研究科學家和哈佛大學的研究助理，是今天發(fā)表在《當代生物學》上的這項新研究的資深作者。哈佛博士后漢娜&middot;茲瓦卡(Hanna Zwaka)和最近剛從哈佛畢業(yè)、現(xiàn)為牛津大學研究生的奧利維亞&middot;麥金尼斯(Olivia McGinnis)是這篇論文的主要作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">映射環(huán)境</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>自20世紀70年代以來，斑馬魚被用于研究各種人類疾病，包括癌癥、心血管疾病和糖尿病。南希&middot;霍普金斯是斑馬魚研究的早期先驅(qū)之一，她目前是麻省理工學院的生物學退休教授，她發(fā)現(xiàn)了許多與斑馬魚胚胎發(fā)育有關(guān)的基因。</p> <p>&nbsp;</p> <p>最近，科學家們開始探索用斑馬魚作為涉及感官知覺的行模型的可能性。三年前，博爾頓領(lǐng)導的一項研究表明，斑馬魚可以根據(jù)獵物的位置和速度準確預測獵物的運動軌跡。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在那次研究中，博爾頓不小心掉了一個裝有斑馬魚幼蟲的盤子，并注意到這些魚立即向四面八方散去。這讓他想，他們選擇的逃生路線完全是隨機的嗎?如果路上有障礙，會不會受到影響?</p> <p>&nbsp;</p> <p>檢測障礙物的能力需要綜合多種類型的感官輸入，并能夠利用這些信息計算出相對于自己在空間中的位置的障礙物位置。人類和許多其他動物都能做到這一點，但人們認為，像斑馬魚這樣的簡單生物無法做到這一點。</p> <p>&nbsp;</p> <p>相反，許多神經(jīng)科學家認為，斑馬魚的視覺感知與簡單的線蟲等生物的視覺感知相似。在這些蠕蟲中，光敏細胞檢測到的光線會觸發(fā)反射反應，比如靠近或遠離光線。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了探索斑馬魚是否可以對其3D環(huán)境產(chǎn)生心理表征的問題，博爾頓創(chuàng)建了一個實驗裝置，在這個裝置中，斑馬魚需要試圖避開阻礙它們可能逃跑路徑的障礙。這些實驗是在哈佛大學分子和細胞生物學教授弗洛里安&middot;恩格爾特(Florian Engert)的實驗室完成的，他也是這項研究的作者之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>每條魚都被放在一個直徑約12厘米的圓盤中，在那里它們可以自由游動。當一根金屬棒掉在盤子上，發(fā)出一聲巨響，魚就會立刻逃跑。研究人員首先表明，如果沒有障礙物存在，魚會隨機選擇左邊或右邊作為逃跑路徑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，研究人員放置了一個12毫米的塑料屏障，阻止其中一條逃生路線。研究人員發(fā)現(xiàn)，當障礙物到位時，魚幾乎總是選擇向沒有障礙物的方向逃跑，只要有足夠的光讓它們看到。此外，當障礙物離得更近時，魚更有可能試圖避開障礙物，這表明它們也能夠計算到障礙物的距離。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斑馬魚的快速反應時間約為10毫秒，這表明它們必須在聽到聲音之前&ldquo;預先計算&rdquo;出屏障位置的地圖。斑馬魚將視覺信息從視網(wǎng)膜傳導到大腦大約需要60毫秒，這就排除了它們在聽到巨響后檢查障礙物的可能性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>博爾頓說:&ldquo;他們無法實時繪制地圖，因為逃跑相對于點擊速度太快了。&rdquo;&ldquo;它們需要提前繪制環(huán)境地圖，以防捕食者或模仿捕食者的東西出現(xiàn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">模擬大腦</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>這種預映射行為已經(jīng)在嚙齒類動物和其他哺乳動物中發(fā)現(xiàn)過，但在更簡單的脊椎動物中沒有。在斑馬魚身上的發(fā)現(xiàn)為探索大腦如何創(chuàng)建世界模型的問題開辟了一條新途徑，霍華德休斯醫(yī)學研究所詹尼利亞研究校區(qū)的高級小組負責人米沙&middot;艾倫斯說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這項工作完美地展示了一個看起來簡單的小動物如何擁有非凡的行為和計算能力。它們不僅僅是輸入輸出機器;相反，他們擁有一種我們看不到的周圍世界的模型，直到我們用精心設計的觸發(fā)器仔細探索這些內(nèi)部模型，&rdquo;沒有參與這項研究的Ahrens說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>因為斑馬魚的大腦比哺乳動物的大腦更小更簡單，所以它更容易成像和操作，甚至可以精確到單個神經(jīng)元的水平。先前的研究人員發(fā)現(xiàn)了一對被稱為毛氏神經(jīng)元的神經(jīng)元，它們似乎調(diào)節(jié)了斑馬魚對聲音的反應。本研究的神經(jīng)回路實驗發(fā)現(xiàn)，視障的視覺輸入刺激了誘導逃逸的毛氏神經(jīng)元。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員現(xiàn)在計劃探索斑馬魚大腦的哪一部分編碼了深度感知的表征。神經(jīng)科學家已經(jīng)很清楚哺乳動物的大腦是如何以及在哪里映射二維空間的(在上丘，它類似于斑馬魚大腦中被稱為光學頂蓋的區(qū)域)，但第三維度的深度是如何添加的還不太清楚。</p> <p>Mansinghka說:&ldquo;例如，如果我們在斑馬魚幼蟲的光學頂蓋中找到3D表示，這將是一個指南，它可能在上丘或哺乳動物的視覺通路，包括人類。&rdquo;Mansinghka領(lǐng)導著大腦和認知科學系的概率計算項目，并在麻省理工學院的計算機科學和人工智能實驗室擔任雙重職務。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Mansinghka還希望新的發(fā)現(xiàn)能幫助說服一些認知和系統(tǒng)神經(jīng)科學家，他們認為斑馬魚太簡單了，無法達到他們的目的，把斑馬魚作為一個模型，有潛力整合科學家現(xiàn)在用來研究大腦的許多不同方法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說:&ldquo;從歷史上看，在研究細胞的人、研究腦回路的人、研究成像的人、研究行為的人、研究認知的人以及研究計算的人之間有很多分歧。&rdquo;&ldquo;很難同時解決所有這些層面的綜合研究，但我們可能已經(jīng)證明，有一種生物可以用于研究許多不同層面的感知計算，并將其與底層神經(jīng)元連接起來。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究由美國國立衛(wèi)生研究院資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>