用EthoVision XT跟踪微小的透明鱼

封面图片来源:森肯伯格自然研究学会拉尔夫·布里茨博士

我们能从已知最小的脊椎动物大脑中学到什么?不是越大越好吗?有时，当结构更大时，更容易看到。然而，在最近发现的Danionella大脑的情况下，我们打开了一个新的窗口(机会)，通过它我们可以实时观察一个工作和发育的大脑。进一步阅读最新的技术是如何应用于这个快速增长的行为神经科学的利基。

追踪拥有已知最小脊椎动物大脑的透明小鱼

Danionella是淡水鲤科小鱼的一个属。最近，在缅甸的山区发现了该属的一个新物种:Danionella cereum。这种新发现的鱼因拥有目前已知的最小的成年脊椎动物大脑而得名(brainum:拉丁语中“大脑”的意思)。

这个新种之前被误认为是Danionella translucida，因为这两个种有很大的外部相似性，使得区分分类学差异具有挑战性。然而，通过对Danionella translucida和Danionella cereum进行彻底的形态学和分子分类学比较分析，发现了骨骼特征等方面的差异，并清楚地表明这是两个不同的物种，根据分子分析，它们大约在1300万年前分离出来[1]。

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图片来源:森肯伯格自然研究学会拉尔夫·布里茨博士

看一看鱼的大脑

Danionella属内的不同物种目前开始成为(行为)神经科学的重要神经生理学模式生物。这些鱼的大脑功能可以在细胞水平上研究，因为它们体积小，解剖结构简单，高度专业化的通信系统和光学半透明。

进化的Danionella大脑，也与斑马鱼密切相关，斑马鱼是行为神经科学中公认的模型，像Danionella大脑一样，也显示出丰富的行为库。

Nina Lindemann等人最近的一项研究旨在比较大脑Danionella和斑马鱼在光暗测试中的幼虫运动活动，测量惊吓反应和其他行为。

鱼类视频跟踪:EthoVision XT遇到Danionella

Lindemann等人使用了一个定制的Noldus观察室，它的动力和控制由EthoVision XT，以确定大脑Danionella brainum和斑马鱼幼体之间的行为差异。

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趋触性

通过在12孔板的每个孔内定义一个外部和内部区域(具有相等的表面积)来评估明暗测试中的拟合性，在80分钟内，每个孔分别打开和关闭灯光两次。明暗状态之间的切换和时间控制使用Noldus的USB-IO盒子，它与研究人员定制的设置和EthoVision XT．

在测量幼虫平均体长4.2 mm后，作者将移动阈值设置为0.42 ~ 0.84 mm/s(平均3帧:100 ms)，以区分移动和非移动幼虫。这意味着，当幼虫每秒移动不到其体长的1/10时，它们被认为是不移动的，而当它们每秒移动超过其体长的1/5时，它们被认为是移动的。

斑马鱼的移动活动不同吗?

乍一看,幼虫运动4 - 6 dpf Danionella大脑的活动,鲐鱼类似乎很大程度上是相似的。例如，在黑暗阶段(与光明阶段相比)，休息时间的减少和速度的增加在两个物种之间是相似的。此外，与5和6 dpf幼虫相比，在4 dpf时，两种幼虫对光照变化的惊吓反应不同，且不太明显。此外，在4 dpf时，Danionella大脑(而不是斑马鱼)偶尔表现出“Rosetta-like”运动模式。

在光明和黑暗中都有趋同性

与斑马鱼相比，Danionella cereum在光照下表现出更强的趋向性，在暗到光的过渡期间表现出强烈的惊吓反应。此外，还发现Danionella cerebrum更喜欢占据水柱[3]的下部区域。所有这些都表明这个物种更喜欢在黑暗的环境中。

焦虑类行为和环境

趋近性与类似焦虑的行为有关。Lindemann等人并不认为Danionella cereum表现出更高的焦虑水平，尽管它们在光线下表现出相对于斑马鱼(Danio rerio)更强的趋近性，相反，作者更倾向于以环境为基础的假设作为可能的解释。

这似乎是合理的，因为大脑Danionella和rerio的自然栖息地不同，这可能是这两个物种之间不同的惊吓反应的基础。斑马鱼幼体对明暗开关反应强烈，而对暗光开关反应微弱。而Danionella大脑则相反:对暗-光开关反应强烈，对明暗开关反应微弱。

斑马鱼喜欢生活在靠近水面的地方

脑鱼和尾鱼生活在不同深度的水体中。据报道，Danionella cerebrum生活在水面30厘米以下的深度，而斑马鱼(Danio rerio)通常在靠近水面的浅而清的水中产卵[1,3]。确实̴80%的Danionella cereum在实验室环境中被发现占据了水箱的下部区域(0-12 cm)，而斑马鱼主要(̴80%)占据了水箱的上部区域(24-36 cm)[4]。

这可以解释斑马鱼幼体的典型惊吓反应，它们在暗-光转换中较弱，因为它们可能更习惯于较轻的环境。

鱼类体内脑成像

大脑Danionella cereum和Danio rerio都特别适合在幼虫阶段进行全脑(体内)脑成像。Lindemann等人在研究中发现的表型行为差异(在光-暗和暗-光反应中)为研究这两个相关物种之间的神经生理机制和可能的神经回路进化提供了机会。事实上，它们的反应是不同的，而环境刺激是相似的。

行为神经科学模型正在不断发展

随着技术的进步，我们能够从这种小动物模型中收集到的信息量不断增加，这最终推动了行为神经科学的边界。总的来说，鱼在这个领域和其他领域越来越受欢迎，因为它被证明可以作为经典动物试验的替代品，用于各种疾病，如癌症、心血管疾病、糖尿病和其他慢性或神经疾病。从这个角度来看，减少、改进和替代动物实验室使用的3r开始发挥作用，这进一步激励了技术进步和替代方法。

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参考文献

1. 拉夫拉尔夫;凯文·康威;Rüber, Lukas(2021)。神经生理学研究新出现的脊椎动物模式种是Danionella cereum新种(网骨目:鲤科)。．科学。报告2021年11月27日(1)，1 - 11。DOI: 10.1038 / s41598 - 021 - 97600 - 0
2. 林德曼,尼娜;Kalix里昂;Possiel茉莉花;Stasch,理查德;Tamia Kusian;Köster，莱因哈德·沃尔夫冈;冯·特罗塔，雅各布·威廉(2022)。大脑Danionella brain与斑马鱼(Danio rerio)幼虫在明暗试验中运动活动的比较分析．前面。Behav。>。，16, 302. DOI: 10.3389/fnbeh.2022.885775
3. 帕里奇，D.M. (2015)通过对斑马鱼生态和进化的更深入理解来推进生物学．eLife 4。DOI: 10.7554 / eLife.05635
4. Rajan g;Lafaye, j .;Faini g;Carbo-Tano m;Duroure k;Tanese d;箩,t;Candelier r;亨宁,j .;拉夫r; Judkewitz, B.; Gebhardt, C.; Emiliani, V.; Debregeas, G.; Wyart, C.; Del Bene, F. (2022).两种相关脊椎动物运动的进化差异．细胞Rep.38:110585。DOI: 10.1016 / j.celrep.2022.110585