绘制穴居鱼大脑的图谱可以找到行为进化的神经起源

naichabei1个月前科学与科技11

100多万年来,地理和水文上相互隔离的独立穴居鱼类种群已经进化到包括大约29个不同的种群。其中,微小的墨西哥四分体,Astyanax mexicanus,由生活在河流中的表层鱼类和多个独立进化的盲孔鱼种群组成。这些穴居鱼类群体之间的许多行为存在差异,这表明大脑结构和功能存在广泛差异。虽然穴居鱼的特征进化已经研究了一个多世纪,但人们对它们大脑的差异知之甚少。此外,大脑活动的差异从未被研究过。

佛罗里达大西洋大学查尔斯·E·施密特科学学院和哈里特·L·威尔克斯荣誉学院的神经科学家与以色列拉马特甘的巴伊兰大学合作,发表在《科学进展》上的一项开创性研究,首次发现了墨西哥湾表层鱼类和穴居鱼类种群之间以及不同穴居鱼类种群之间的大规模差异。研究人员提取了整个大脑的18个解剖区域,并测量了这些区域神经活动的变化。从这项研究中产生的全脑图谱代表了脊椎动物模型中物种内变异的全脑比较研究,并为研究行为进化的神经基础提供了资源。

“穴居鱼进化出许多行为变化,包括睡眠减少、社交行为减少、感官处理的广泛变化以及觅食行为的改变,”首席作者、FAU查尔斯·E·施密特科学学院生物科学副教授亚历克斯·C·基恩说尽管长期以来人们一直致力于描述洞穴种群在行为和形态上的差异,但出乎意料的是,人们对洞穴种群中与这些行为变化相关的大脑解剖结构和神经回路知之甚少。”

这段视频通过对与睡眠和进食相关的电路进行全脑成像,展示了墨西哥海狸幼虫的行为和神经解剖进化。研究人员还利用了全脑pERK神经活动成像,揭示了大脑活动的改变。学分:佛罗里达大西洋大学

为了比较不同独立进化的墨西哥人种群的大脑解剖结构,研究人员对水面鱼类和来自Tinaja、Molino和Pachón穴居鱼类进行了全脑共焦成像。他们定义了684条幼鱼脑功能的进化衍生变化,以生成神经解剖图谱。他们结合形态计量学分析、神经回路成像和全脑活动图,为生活在河面的鱼类和三个独立进化的穴居鱼类群体生成标准大脑。利用这些参考大脑,他们量化了有助于睡眠和进食的特定神经解剖区域和特定神经元群体的体积。他们还利用磷酸化细胞外信号调节激酶(pERK)标记,将神经元活动模式映射到标准大脑,从而生成一张清醒、进食和睡觉鱼类活动差异的全脑地图。


这项研究的结果表明,狩猎行为在所有四个墨西哥人群体中引起了广泛的大脑活动变化,并可能激活与感觉加工、饱足感和动机相关的大脑区域。睡眠相关活动在下丘脑吻侧区和被盖区不同。研究中发现的摄食相关回路在发育早期就发生了变化,这表明进化变化在不同的穴居鱼类种群中是独一无二的。对脑区容积和与行为调节相关的神经回路的分析表明,在后脑和下丘脑的扩张上出现了收敛,神经递质系统也发生了变化,包括儿茶酚胺和降钙素/食欲素神经元数量的增加。

为了描述不同种群之间大脑解剖结构的差异,研究人员量化了每个墨西哥人种群中单个大脑区域的大小。为了确定不同人群中可识别的大脑区域的大小是否不同,他们使用他们开发的标准大脑作为参考地图,以及为成年墨西哥人制作的大脑图谱来识别选定的区域。为了确定大脑区域的大小是否与进化的行为差异有关,研究人员对13个额外的大脑区域进行了量化,包括顶盖、小脑、大脑皮层和4个下丘脑区域。为了将pERK信号定位到大脑的不同区域,他们对他们开发的标准大脑进行了注册。

“这些鱼已经被研究了80多年,人们普遍认为它们能告诉我们不同行为是如何进化的。现在,我们第一次可以用毫米级的分辨率观察他们的大脑内部我们可以开始了解驱动复杂行为(包括睡眠和进食)的单个神经元和大脑区域是如何进化的。这项工作对我们理解大脑在许多不同的动物模型中是如何进化的有着广泛的意义,我们希望它能被科学界广泛应用。”


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