鱼与熊掌兼得：单细胞记录和全脑尺度的斑马鱼显微成像

研究大脑的功能需要实时记录神经元的活性。在全脑尺度可以应用功能磁共振 （fMRI）技术，但是无法达到单细胞分辨率；利用在体多通道和钙成像技术可以达到单细胞分辨率，但往往只能专注于一个特定脑区。单细胞的精确度和全脑记录难道真的鱼与熊掌不能兼得？

2019年6月19日，来自詹宁斯研究园的Misha B. Ahrens博士与北京脑中心的老师和学生们分享了自己的研究工作。

Misha的开拓新工作在于，他在斑马鱼上同时实现了两者——单细胞的精确度和全脑记录。这也得益于幼年斑马鱼 （larval zebrafish，年龄约6天）的两个特点：一是身体透明，利于全脑成像；二是脑体积小，再结合光片照明钙成像，使得全脑成像速度能更快 （3Hz）（Vladimirov et al., 2018）。

为了研究斑马鱼的大脑如何整合视觉信息并反馈为运动的控制，Misha 在成像的基础上，还为斑马鱼设计了一套虚拟现实的视觉刺激装置。底部光栅的移动模拟了环境中水流导致斑马鱼漂流，从而欺骗麻醉中的斑马鱼，促使它游动以保持与环境（光栅）相对静止。 斑马鱼对游动力度的控制会被实际游动距离所影响，这被称之为运动学习，Misha建立了一套运动学习的范式。通过对该行为任务过程中全脑的活动进行筛选，研究人员最终发现中缝背核 （Dorsal raphe nucleus, DRN）的五羟色胺能神经元介导了该运动学习：只有学会了训练学习范式的斑马鱼的 DRN 才会被激活；而在学习效果弱或者无的斑马鱼中，DRN 神经元的激活程度低于阈值（Kawashima et al., 2016）。

运动学习由 DRN 脑区介导

除了运动学习，Misha 组还探究了斑马鱼“giving up”行为相关脑区。如果斑马鱼自发游动时却控制光栅不移动，会让斑马鱼在游动时产生仍然和环境相对静止的错觉。在这种情况下，斑马鱼的行为先后会经历 3 个过程，起初以正常的力量自发游动；在感知到游动无效的错觉后，它会更加努力的游动；努力游动后仍然感知游动无效，它将放弃挣扎 （像条“咸鱼”般长时间维持一动不动）。利用之前同样的方法，即结合行为实验和显微成像，Misha 筛选了全脑参与 giving up 控制的候选脑区，并结合单细胞尺度的神经元损毁，进一步验证了该脑区与 giving up 之前的因果关系。相关工作正在 Cell 审稿。

Misha 在斑马鱼上实现了单细胞记录和全脑显微成像，为脑区功能筛选提供了便捷的途径，并且为研究全脑神经元群体如何彼此协调以产生行为活动提供了机遇。

参考文献：

Kawashima, T., Zwart, M.F., Yang, C.-T., Mensh, B.D., and Ahrens, M.B. (2016). The Serotonergic System Tracks the Outcomes of Actions to Mediate Short-Term Motor Learning. Cell 167, 933-946.e20.

Vladimirov, N., Wang, C., Höckendorf, B., Pujala, A., Tanimoto, M., Mu, Y., Yang, C.-T., Wittenbach, J.D., Freeman, J., Preibisch, S., et al. (2018). Brain-wide circuit interrogation at the cellular level guided by online analysis of neuronal function. Nature Methods 15, 1117.

撰文 | 陈昕枫（CIBR18级博士生）

审校 | 罗敏敏

编辑 | 程   莉