斑马鱼和“C形逃跑”行为范式

在神经科学乃至整个生命科学的发展史上，新的模式生物的应用往往能给一个领域带来克服瓶颈状态的契机，正如果蝇之于神经遗传学领域的开创，线虫之于细胞凋亡原理的发掘。斑马鱼因其所拥有的研究特点，在神经科学的功能性研究中作用日趋重要。首先，斑马鱼拥有相对简单的神经环路。人类大脑中的大部分脑区（尤其那些功能重要且保守的脑区），都能在斑马鱼的大脑中找到相对应的同源脑区。在拥有足够复杂度的同时，斑马鱼幼鱼的大脑神经元总数只有约10万个，相对于人类大脑拥有近1000亿个神经元而言，其神经环路相对简单了好多个数量级。第二，斑马鱼幼鱼脑部透明，便于在整体动物上进行神经环路的功能和形态研究。第三，遗传背景清楚，基因操作工具在斑马鱼中的应用已日渐丰富。结合这三点优势，我们就拥有了回答前面提出的三个问题的可能性：简化的神经环路结构以及遗传操作带来的可视化（例如对特定感觉通路神经元的荧光标记），会帮助我们找寻多感觉信息汇聚的结构基础；脑部透明和简化的环路，使得我们可以用在体电生理和成像技术详尽展示目标脑区神经元的工作机理；简化的环路使得从感觉输入到运动输出的神经通路环节较少，易于解析由多感觉整合所产生的神经功能改变如何影响动物的行为。

斑马鱼（汪屿璠摄）(https://www.daowen.com)

基于这些考虑，我们选用了斑马鱼幼鱼来破解多感觉整合的神经环路机制。首先，我们建立一个稳定表征多感觉整合发生的行为学范式。在斑马鱼以及大部分的硬骨鱼中，都存在一种听觉引起的逃跑行为，被称作“C形逃跑”。由于声音在水里传递速度快，衰减慢，因此相对于其他感觉，听觉对于快速判别环境危险更加重要，而“C形逃跑”便是鱼类远离危险源（往往伴随突发声音刺激）的最快行为反应。斑马鱼在接收到威胁性的声音刺激之后短短20～30毫秒以内，其躯体一侧肌肉会发生大规模的强烈收缩，使得整个躯体尤其头部朝向刺激源的相反方向转动，继而快速逃离。在此过程中，鱼的身体会弯曲为一个“C”形，“C形逃跑”即由此得名。作为一种生死攸关的行为，“ C形逃跑”虽然主要由声音刺激引发，但是我们有足够的理由去猜想，其发生会受到动物所处环境中其他感觉信号（例如视觉）的影响。于是，笔者等人通过摸索建立了一套引起跨感觉模态调节的稳定的行为学范式。在这套范式中，闪光视觉刺激本身并不引起任何“C形逃跑”，但是能大幅度提高随后声音刺激引起“C形逃跑”发生的概率。在此基础上，利用活体电生理记录的方法，我们证实了在对执行“C形逃跑”最关键的“命令”神经元上，听觉引起的电兴奋反应有效地被闪光刺激所调节；相应地，闪光刺激本身并不能在该命令神经元上引起明显的电兴奋反应。

C形逃跑（李小泉摄）