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绘制海豚脑图会导致行为进化的神经起源

在超过一百万年的时间里,在地理和水文上彼此隔离的独立的洞穴鱼种群已发展成为包括大约29个不同种群。其中,墨西哥小四胞胎(Astyanax mexicanus)包括栖于河中的表层鱼类和多个独立进化的盲孔鱼种群。这些穴居鱼种群之间的许多行为是不同的,表明大脑结构和功能存在广泛的差异。尽管对洞穴鱼的性状进化进行了超过一个世纪的研究,但对其大脑的差异知之甚少。此外,从未探讨过大脑活动的差异。

发表在开创性研究科学进展通过科学和哈里特L.威尔克斯荣誉学院的佛罗里达大西洋大学的查尔斯·施密特学院神经科学家与巴伊兰大学,拉马特甘在以色列的合作,是第一个确定的大型差异墨西哥曲霉的表面鱼类和洞穴鱼类种群之间,以及不同种类的洞穴鱼类之间。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。这项研究产生的全脑图谱代表了脊椎动物模型中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。

该论文的主要作者和生物科学副教授Alex C. Keene博士说:“鱿鱼进化了许多行为改变,包括睡眠不足,社交行为减少,感觉加工的广泛变化和觅食行为的改变。 FAU的查尔斯·施密特科学学院。“尽管长期致力于表征洞穴种群之间的行为和形态差异,但出乎意料的是,与洞穴种群的这些行为变化相关的大脑解剖结构和神经回路知之甚少。”

为了比较墨西哥曲霉独立进化种群的大脑解剖结构,研究人员对地表鱼类和Tinaja,Molino和Pachón穴居鱼类种群的鱼进行了全脑共聚焦成像。他们定义了684个幼体鱼脑功能的进化衍生变化,以生成神经解剖图谱。他们将形态分析,神经回路成像和全脑活动图谱相结合,从而为河栖水面鱼类和三个独立进化的洞穴鱼类生成标准大脑。他们使用这些参考大脑量化了定义的神经解剖区域和有助于睡眠和进食的特定神经元种群的体积。他们还将神经元活动的模式映射到标准大脑,以生成全脑范围的醒来,进食,

研究结果表明,狩猎行为在所有四个墨西哥曲霉种群中引起大脑活动的广泛变化,并可能激活与感官加工,饱腹感和动机相关的大脑区域。与睡眠相关的活动在下丘脑和盖骨的延髓区不同。该研究中确定的与饲喂相关的回路发生了变化,发生在发育的早期,这表明进化变化在不同的洞穴鱼类种群中是独特的。对与行为调节相关的大脑区域体积和神经回路的分析,确定了后脑和下丘脑扩张的收敛性,以及神经递质系统的变化,包括穴居鱼种群中儿茶酚胺和降钙素/尿素神经元数量的增加。

为了表征人群之间大脑解剖结构的差异,研究人员量化了每个墨西哥曲霉种群内单个大脑区域的大小。为了确定人群之间可识别的大脑区域大小是否不同,他们使用他们开发的标准大脑作为参考图以及为成年墨西哥曲霉制作的大脑图谱,确定了选定区域。为了确定是否存在与进化的行为差异有关的大脑区域大小变化,研究人员定量了另外13个大脑区域,包括顶盖,小脑,大脑皮层和下丘脑的四个区域。为了将pERK信号定位到大脑的不同区域,他们对他们发育的标准大脑进行了配准。

“这些鱼已经被研究了80多年,人们对它们能够告诉我们有关不同行为如何进化的认识得到了广泛的赞赏。现在,我们第一次能够以毫米级分辨率观察它们的大脑,”基恩说。“我们可以开始理解驱动复杂行为(包括睡眠和进食)的单个神经元和大脑区域如何进化。这项工作对我们对大脑在许多不同动物模型中的进化方式的理解具有广泛的意义,我们希望它将广泛被科学界使用。”

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