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德国图宾根大学新研究:斑马鱼视顶盖和前顶盖神经元运动特征的平行提取

已有 658 次阅读 2020-1-15 16:26 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

2020年1月14日,德国图宾根大学整合神经生物学中心Aristides Arrenberg 课题组Cell Reports发表文章,斑马鱼视顶盖和前顶盖神经元运动特征的平行提取(Parallel Channels for Motion Feature Extraction in the Pretectum and Tectum of Larval Zebrafish)。


论文链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31681-X

假设你开着一辆车一路向前,突然一只鹿在前方远处横穿马路飞驰而过。

这只鹿的影像由视网膜经外侧膝状体(lateral geniculate nucleus)传向初级视觉皮层(primary visual cortex),再经过高级皮层分析处理,你意识到这是一只横穿马路的动物。
与此同时,你还看到车外视野内的一切物体都向后飞驰,而你自身正在向前运动。而这就是所谓的视觉光流(optic flow)。

视觉光流经常被动物用来感知自身运动和运动导航。

在哺乳动物脑内,其视觉光流信息的编码依赖于附属光学系统(accessory optic system)。
实验动物斑马鱼能够通过视觉,识别并捕捉(prey capture)微小的浮游生物(如草履虫)。
也能够感知与识别周围的视觉光流,并通过眼动反应(OKR)或者视动反应(OMR)来抵消视网膜内信息漂移(retinal slip)而维持身体平衡。
我们已知这两类视觉信息分别主要由顶盖(optic tectum)和前顶盖(prectum)来分析处理,但顶盖和前顶盖内神经元在视觉信息特征提取、编码方面的特征并十分不清楚。

Arrenberg 课题组采用在体双光子成像方法和钙离子成像技术测量并比较顶盖和前顶盖内神经元感受野的特征;

顶盖神经元较小,感受野中心覆盖整个视野并在鱼体前上方更为集中分布;前顶盖感受野较大,甚至单个神经元感受野覆盖单眼整个视野,其中心更集中于下部分视野;
顶盖和前顶盖神经元感受野的大小、位置和分布分别与幼年斑马鱼捕食微小浮游生物和视动反应相适应。
在这次实验中,研究组利用身体透明的(nacre-/-突变体)转基因幼年斑马鱼,结合在体双光子成像(two photon imaging)方法和钙离子成像技术(calcium imaging),探究了斑马鱼顶盖和前顶盖内神经元视觉感受野(visual receptive field)的大小、形状与脑内这些神经元的空间分布。
实验中,研究人员发现了几种不同类型的视觉感受野。其中,顶盖内神经元的感受野较小,并且在感受野边缘常伴有抑制效应。
这些具有小感受野的顶盖神经元呈现出规则的拓扑分布(topographic distribution)。
1.jpg
图中斑马鱼模型由Prudenter-Agas (Hamburg,Germany)提供

另外,这些小感受野在全视野(visual field)内并不均匀分布,而是在群体水平上更为密集地分布在鱼的前上方。
根据以前的报道,这一区域正是幼年斑马鱼捕食微小浮游生物的突袭地带(striking zone)。
相比之下,前顶盖内神经元多具有很大的视觉感受野,有些甚至覆盖整个单眼视野(monocular visual field)。
这些大视觉感受野的中心更倾向于集中在下部的视野。
由于斑马鱼视动反应主要由前顶盖内神经元参与并介导,研究人员认为在斑马鱼中,下部视野内的视觉信息在介导斑马鱼视动反应中有更高的权重。
因此,研究人员又测量了视动反应的“功能感受野”。
2.jpg
本图由Prudenter-Agas (Hamburg,Germany)提供

与研究人员的假设一致,视动反应对位于斑马鱼颞侧下部视野内(temporal lower visual field)的向前运动更为敏感。
视动反应“功能感受野”和前顶盖内神经元视觉感受野都位于下部视野,暗示了其功能上的联系。
研究人员认为,小面积视觉刺激信息,例如微小浮游生物,主要由斑马鱼顶盖内小感受野神经元编码。
而大范围的视觉刺激,如视觉光流,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。 
论文通讯作者简介
Aristides Arrenberg,图宾根大学神经生物学系教授。
自2014成立实验室起,主要以斑马鱼为模式生物,研究视觉光流的脑内编码,水平眼动的神经整合机制和视觉通路与自然环境的适应机制。联系方式:aristides.arrenberg@uni-tuebingen.de
第一作者简介
德国图宾根大学博士生王昆瑞士巴塞尔Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research博士生Julian Hinz为本文共同第一作者。
王昆,2011年和2013年分别于内蒙古大学和中国科技大学获得生物学学士和神经生物学硕士学位。目前在读博士,主要研究视觉光流的神经信号编码。
Julian Hinz,2015年和2017年于图宾根大学获得生物学学士和神经生物学硕士学位。目前在读博士,主要研究杏仁核内恐惧的神经信号编码。




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