王昆等揭示斑马鱼不同视觉脑区的分工

斑马鱼以其易于遗传改造,幼鱼(nacre-/-突变体)身体透明并适合在体光学成像(in vivo imaging)和稳定的视觉行为(如眼动反应OKR,视动反应OMR和捕食行为(prey capture)),逐渐成为视觉功能研究领域的重要模式生物。顶盖(optic tectum)和前顶盖(prectum)是斑马鱼的主要视觉脑区,二者直接接受来自视网膜的投射,并主要参与包括运动感知、危险信号识别和视觉导航等多种功能。然而,顶盖和前顶盖在视觉信息特征提取、编码和相应的视觉功能的区别与特征并十分不清楚。
 
2020年1月14日,德国University of Tübingen的Aristides B. Arrenberg教授团队(第一作者为博士生王昆Julian HinzCell Reports上发表文章Parallel Channels for Motion Feature Extraction in the Pretectum and Tectum of Larval Zebrafish,揭示斑马鱼不同视觉脑区的分工。
 
在这项研究中,研究人员主要通过双光子成像(two photon iamging)的手段,在体测量了幼年斑马鱼顶盖和前顶盖内神经元视觉感受野(visual receptive field)的大小、形状与神经元在脑内的空间分布。通过实验,发现了几种不同的感受野类型。其中,在斑马鱼顶盖内,其神经元的感受野较小,多数细胞在感受野边缘有抑制效应。并且,这些小感受野的顶盖神经元呈现出规则的拓扑分布(topographic distribution)。从群体水平上,这些小感受野在斑马鱼的全视野(visual field)内并不均匀分布,而是在鱼的前上方更为密集。根据以前的报道,这一区域内的微小浮游生物(例如草履虫)更易诱导幼年斑马鱼捕食行为。
 
相比之下,前顶盖内神经元的视觉感受野很大,甚至覆盖整个单眼视野(monocular visual field)。这些视觉感受野的中心更倾向于之中在下部的视野。由于斑马鱼前顶盖内神经元参与视动反应,研究人员认为在斑马鱼视动反应中,下部视野内的视觉信息有可能更为重要。因此,研究人员又设计实验测量了斑马鱼视动反应的“功能感受野”。与推测的一致,实验表明,视动反应的“功能感受野”主要集中在颞侧下部视野内(temporal lower visual field)。视动反应“功能感受野”和前顶盖内神经元视觉感受野在全视野内呈现出一定程度上相似。
 
研究人员认为,小面积视觉刺激信息,例如微小浮游生物,主要投射到斑马鱼顶盖。相较而言,大范围的视觉刺激,如视觉光流(optic flow),主要由前顶盖接受其信息并完成编码与诱导视觉运动转化(visuomotor transformation)这种结构与功能上的分工,更有利于小体积的斑马鱼大脑高效利用有限的神经元并行处理不同特征的视觉信息。 
 
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.031
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