科学家们发现了与鱼群行为有关的大脑回路

一群迁徙的鹅以明显的“V”字形在夏日的天空中滑翔……一群雷鸣般的野牛在平原上隆隆作响，形成了一个强大的群体。。。一大群沙丁鱼齐声游泳，令人着迷

几十年来，生态学家和动物行为专家一直在研究各种物种的这类群体行为。加州大学圣地亚哥分校的科学家们现在正在从大脑的角度研究它们的根源。动物群体是如何发展协调运动的？如此多的个体大脑如何共享信息以产生单一、连贯的行为

发表在《当代生物学》杂志上，生物科学学院助理教授Matthew Lovett Barron实验室的博士后学者David Zada和Lisanne Schulze研究了微小透明玻璃鱼（Danionella cerebrum）的鱼群，以帮助揭示这些问题的有趣答案

神经生物学系助理教授洛维特·巴伦说：“集体社会行为，如鱼群和鸟群，是自然界行为复杂性的显著表现，但人们对这些行为是如何从许多个体的相互作用大脑中产生的知之甚少。”。“我们对个体动物的神经过程如何产生合作行为知之甚少。”加州大学圣地亚哥分校神经生物学家在《当代生物学》杂志上发表的一项新研究发现，玻璃鱼（Danionella cerebrum，此处显示为实时游泳）在成熟时增强了它们跟随协调群体运动的能力。来源：加州大学圣地亚哥分校生物科学学院

在他们的新发现中，研究人员发现玻璃鱼依靠视觉成群结队地游泳。正如研究人员通过一系列实验揭示的那样，虽然已知一些鱼类会利用它们的水流感一起游泳，但玻璃鱼只会使用视觉

使用机器学习工具跟踪不同年龄段鱼类的运动，他们还发现，随着个体的成熟，跟踪协调群体运动的能力也在发展

就像新生人类在成长过程中发展出复杂的社交技能一样，玻璃鱼也在随着年龄的增长而提高了在协调的社会群体中移动的能力。在正常社会环境中饲养的鱼类在两周大时避开其他鱼类，然后在四周后获得了与其他鱼类聚集的能力，最后在六周后在学校中实现了完全的社会对齐

图片来源：加州大学圣地亚哥分校生物科学

由于玻璃鱼是高度透明的，研究人员能够使用光学显微镜捕捉到它们大脑活动的图像。他们记录了沉浸在全景虚拟现实环境中的玻璃鱼大脑中的数千个神经元，在这个环境中，鱼看到了模仿上学体验的移动的鱼状形状

研究人员通过记录神经元中荧光蛋白GCaMP的图像来识别有源电路。GCaMP在钙的存在下发光更亮，钙在神经元活跃时进入细胞。这些活动记录表明，玻璃鱼的大脑对社交伙伴的视线有反应，成熟度对社交视觉很重要

虽然所有年龄段的玻璃鱼都能感知虚拟社交伙伴的运动，但只有年龄较大的鱼才能区分鱼形和非鱼形的运动。研究人员认为，这种视觉能力的发展使玻璃鱼能够将身体与社交伙伴对齐，以便在学校里正确游泳

加州大学圣地亚哥分校的科学家在专门开发的虚拟现实环境中研究了玻璃鱼。通过索尔克研究所的科学家开发的深度学习跟踪程序，游泳和身体定向后会实时显示颜色。来源：加州大学圣地亚哥分校生物科学

研究人员研究了隔离饲养的鱼类，进一步推动了这一想法。与分组饲养的同类相比，这些鱼表现出严重受损的学校行为和对社会刺激的不成熟视觉处理

洛维特-巴伦说：“在自然界中，我们看到大型动物群体可以作为一个有凝聚力的单位移动，我们的实验室正在努力了解个体的大脑如何能够关注其社会伙伴的行为，以产生这种群体级的行为。”。“在这项研究中，我们发现，随着神经系统的成熟，这些社交能力会在发育过程中逐渐出现。”玻璃鱼只有10-12毫米长（大约一支铅笔的宽度），最近才成为生物学研究的模型系统。与斑马鱼关系密切的斑马鱼得到了广泛的研究，但随着年龄的增长，斑马鱼会失去其小的体型和透明度。另一方面，玻璃鱼在整个生命过程中都保持着小而近乎透明的状态，这为生物学家观察大脑活动提供了新的机会 More information: David Zada et al, Development of neural circuits for social motion perception in schooling fish, Current Biology (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.06.049

Journal information: Current Biology