魚群風暴,為何它們從不掉隊?

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本文來自微信公眾號: 神經現實 (ID:neureality) ,作者:Marius Bruer,譯者:Stella,校對:老司橘,編輯:Soda,頭圖來自:unsplash

眾所周知,人類是社會性動物,但這種與同物種其他個體合作來達到目標的傾向性並不獨屬於人類。實際上,這種傾向在成群結隊的哺乳動物、鳥類或者魚類中都隨處可見。 那動物的大腦是如何識別出與它同物種的其他動物的呢?

馬克斯·普朗克生物智慧研究所 (Max Planck Institute for Biological Intelligence) 的科學家們在斑馬魚身上研究了這個過程。 他們發現了一條調節社交吸引力的神經迴路。這條從視網膜深入大腦的專門通路讓斑馬魚可以探測到並接近附近的同類。

人類和很多其他動物都是群居動物,而社互動動需要個體去識別同類,這是最基本的。這種識別往往是瞬間發生的,本能性的。但是,揭示這種行為背後的神經元迴路卻遠遠不是一件簡單的事。

赫維希·拜爾 (Herwig Baier) 帶領的基因-迴路-行為實驗室的專案組的組長約翰內斯·拉爾施 (Johannes Larsch) 說:“對於我們觀察者來說,無論是動物行為層面和神經元層面,行動和反應都是交織在一起的,這是研究社互動動時必然面對的挑戰。 因為個體在互動中會相互影響,雙方同時發出和接收社交訊號,因此要研究這個過程中視覺系統的作用以及與它相關聯的大腦區域是很難的。

一、引起群聚行為的視覺刺激

不過,約翰內斯·拉爾施的小組找到了一種方法來弄清楚視覺系統對於社互動動的重要性。他們開發了一套為幼年斑馬魚模擬同類的虛擬現實實驗裝置,只需要在螢幕上投影一個點即可完成同類模擬。但重要的是這個點以一種斑馬魚游泳時常見的抖動的運動模式在螢幕上移動。

斑馬魚無法無視這個訊號點,他們會跟著這個點轉好幾個小時。 顯然它們是把這個移動的點當成了自己現實中的同類。研究者們因此發現了一種會引起魚類群聚行為的明確的視覺刺激。

研究小組接下來就可以研究神經元如何處理這種刺激了。為此他們為那套虛擬現實裝置拓展了同步測量魚腦活動的功能,並通過實驗發現 那個移動的點會啟用丘腦腦區中特定的一組神經元,而在其他幼年斑馬魚遊過時被啟用的也正是這群神經元

約翰內斯·拉爾施解釋說:“丘腦是大腦中整合並中轉感覺輸入訊號的感官控制中心。”在通向丘腦的過程中,感覺資訊會先後在視網膜和頂蓋 (脊椎動物大腦的一個主要視覺中心) 被處理。

在這些資訊到達丘腦之前,跟社交有關的訊號——比如那種來自潛在同類的抖動運動方式就已經被篩選出來了。

一片專門的腦區使斑馬魚可以識別並接近附近的同類。—MPI for Biological Intelligence, i.f. / Julia Kuhl

二、視覺系統與社會行為腦區間的聯絡

研究者們在丘腦中發現的這些神經細胞連線了斑馬魚的視覺系統與其他在社交行為中活躍的腦區。

拉爾施說:“我們已經知道這些其他腦區在控制社交行為上是有一定作用的,但之前並不知道是什麼視覺刺激可以啟用這些腦區。我們的研究揭示了傳遞這些訊號的神經元通路,從而填補了這一空白。”

當研究者們阻斷了這些新被識別出的神經元的功能時,幼年斑馬魚同時喪失了對同類和移動點的興趣,也不再跟著轉了,這進一步確認了這些特定細胞的重要性。

約翰內斯·卡普佩爾 (Johannes Kappel) 是一名研究生,也是這項研究的主要作者,他說:“我 們發現的這些神經元調節了斑馬魚對於社群的接近和歸屬感。 人類也有丘腦,而且在進化過程中很多神經元突起都得到了保留。我們也有一些腦區在我們察覺到面部活動或者身體活動時會活躍起來,但目前還沒有關於這些腦區對於社交行為的重要性的探索。“

卡普佩爾、拉爾施、拜爾和其他合作者的研究向我們展示了大腦中的一群特定的神經元,它們提供了兩隻斑馬魚建立關係所需的基本的“粘合劑”,而這種小規模的互動合起來就創造了魚群。腦內網路,也就是神經元網路,驅使著社交行為。拜爾總結道:“像我們提出的這種神經生物學的發現,或許可以從總體上啟發和豐富其他科學學科領域中關於動物社群自我組織的思考。”

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