我們可以從已知最小的脊椎動物大腦中學到什么？是越大越好嗎？有時，結構較大時更容易看到。但是，就新發(fā)現(xiàn)的Danionella而言，打開了一扇新的大門，透過它我們可以實時觀察正在工作和發(fā)育的大腦，進一步了解如何將新技術應用于這個快速發(fā)展的行為神經科學領域。

追蹤已知最小脊椎動物大腦的微小透明魚
Danionella是小型淡水鯉科魚類的一個屬，在緬甸的山區(qū)發(fā)現(xiàn)了該屬的一個新物種：Danionella cerebrum。這種魚因其擁有目前已知最小的成年脊椎動物大腦而得名（cerebrum：拉丁語中的“大腦"）。Danionella cerebrum具有光學半透明性、豐富的行為特征和僅0.6 mm ³的腦體積，在成年脊椎動物中具有更高認知功能的單細胞分辨率的全腦體內成像分析中具有巨大的前景。

這種新的Danionella以前被誤認為是Danionella translucida，因為這兩個物種具有很大的外部相似性，因此很難識別分類學差異。 然而，對Danionella translucida和Danionella cerebrum進行的比較形態(tài)學和分子分類學分析揭示了一些差異，例如骨骼特征，并清楚地表明這是兩個不同的物種，根據(jù)分子分析，它們在大約 1300 萬年前彼此分離^[1]。

圖片來源：Ralf Britz 博士，森肯伯格自然研究學會

觀察魚的大腦
Danionella的不同物種目前開始成為行為神經科學的重要神經生理學模式動物。由于這些魚的尺寸微小、解剖結構簡單以及光學半透明性，因此可以在細胞層面上研究這些魚的大腦功能。

Danionella cerebrum的演化也與斑馬魚密切相關，斑馬魚是行為神經科學領域成熟的模型，與Danionella cerebrum一樣，都表現(xiàn)出豐富的行為。

Nina Lindemann等人最近的一項研究^[2]旨在在明暗測試中比較Danionella cerebrum和斑馬魚的幼魚運動活動，測量驚嚇反應和其他行為。

魚類視頻追蹤：動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)遇見Danionella
Lindemann 等人使用由Noldus定制的觀察箱（由動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)供電和控制）來確定Danionella cerebrum和斑馬魚幼魚之間的行為差異。實驗裝置由諾達思制造的尺寸為 666 毫米（長）× 472 毫米（寬）× 1010 毫米（高）的定制黑箱組成，可保護幼魚免受外部影響。該盒子通過位于底部的白光和紅外的背光進行照明，并包含一個鏡頭，頂部還帶有 850 nm紅外濾鏡。白光裝置連接到諾達思的USB-IO 盒，該盒連接動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)進行控制。

動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)是應用于跟蹤和分析任何動物的行為、運動和活動研究中的視頻跟蹤軟件。在研究魚類或昆蟲時，還可以結合兩個攝像機角度對實驗對象進行跟蹤，并結合三維軌跡跟蹤系統(tǒng)中的三維跟蹤項目實現(xiàn)三維追蹤。


趨觸性
透過在 12 孔板的每個孔內定義外部和內部區(qū)域（具有相等的表面積）來評估明暗測試中的趨觸性，其中在 80 分鐘內，打開和關閉燈各兩次。明暗狀態(tài)之間的切換和計時是使用諾達思的USB-IO盒控制的，該盒與研究人員的定制化設定和動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)整合。

在測量了 4.2 毫米的平均幼魚體長后，作者將運動閾值設定在0.42至0.84毫米/秒之間（3 幀的平均值：100毫秒），以區(qū)分運動和不運動的幼魚。這意味著，當幼魚每秒移動的距離小于其身體長度的1/10時，它們被視為不移動，而當它們每秒移動的長度超過其身體長度的1/5時，則被視為移動。

斑馬魚的運動活動有何不同？
乍一看，4-6 dpf Danionella cerebrum和斑馬魚的幼魚運動活動似乎非常相似。例如，兩個物種在黑暗階段（與光明階段相比）的休息時間減少和速度增加相似。此外，在 4 dpf 時，與5 dpf和6 dpf幼魚相比，這兩個物種對光照變化的驚嚇反應不同且不太明顯。此外，在4 dpf時，Danionella cerebrum（而非斑馬魚）偶爾會表現(xiàn)出類似「Rosetta」的同心軌跡運動模式，然而，在斑馬魚幼魚中并沒有觀察到這種活動模式。

光照和黑暗中的趨觸性
與斑馬魚相比，Danionella在光照期間表現(xiàn)出更強的觸動性，并且在從暗到亮的過渡期間表現(xiàn)出強烈的驚嚇反應。也發(fā)現(xiàn)Danionella更喜歡占據(jù)水體的下部區(qū)域^[3]。所有這些都表明該物種偏好黑暗環(huán)境。

焦慮樣行為與環(huán)境
趨觸性與焦慮樣行為有關。 Lindemann等人認為，盡管Danionella在光下表現(xiàn)出比斑馬魚更強的觸動性，但并不認為會增加它們的焦慮水平。相反，作者更傾向于基于環(huán)境的假設作為可能的解釋。

基于Danionella和斑馬魚不同的自然棲息地，這似乎是合理的，這可能是這兩個物種之間不同驚嚇反應的基礎。斑馬魚幼魚對明暗開關反應強烈，對暗光開關反應較弱。而Danionella則相反：對暗-亮開關反應強烈，對明-暗開關反應較弱。


斑馬魚更喜歡生活在靠近水面的地方
Danionella和斑馬魚生活在不同深度的水體。Danionella生活在水面下30厘米的深度，而斑馬魚通常在靠近水面淺而清澈的水中產卵^{[1, 3]}。實際上，在實驗室環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)80% 的Danionella占據(jù)了水箱的下部區(qū)域（0-12 厘米），而斑馬魚主要( 80%) 占據(jù)了水箱的上部區(qū)域（24-36 厘米）^[4]。

這可以解釋斑馬魚幼魚的典型驚嚇反應，斑馬魚幼魚在暗光轉換中較弱，因為它們可能更習慣于較亮的環(huán)境。

魚類體內腦部造影
Danionella和斑馬魚都非常適合在幼魚階段進行全腦（體內）腦部造影。 Lindemann等人在研究中發(fā)現(xiàn)的表型行為差異（光-暗和暗-光反應）為研究這兩個相關物種之間的神經生理機制以及可能的神經回路進化提供了機會。事實上，它們的反應不同，而環(huán)境刺激卻相似。

行為神經科學模型正在進步
隨著科技的進步，我們能夠從這樣的小動物模型中收集的信息量不斷增加，最終推動了行為神經科學的界限。一般來說，魚在這一領域和其他領域越來越受歡迎，因為它證明了魚可以取代經典動物試驗來治療各種疾病，如癌癥、心血管疾病、糖尿病和其他慢性或神經系統(tǒng)疾病。從這個角度來看，減少、替代和優(yōu)化實驗室動物使用的3Rs原則開始發(fā)揮作用，進一步激勵技術進步和方案替代。

參考文獻
1.Britz, Ralf; Conway, Kevin W.; Rüber, Lukas (2021). The emerging vertebrate model species for neurophysiological studies is Danionella cerebrum, new species (Teleostei: Cyprinidae). Sci. Reports 2021 111, 11 (1), 1–11.
2.Lindemann, Nina; Kalix, Leon; Possiel, Jasmin; Stasch, Richard; Kusian, Tamia; K?ster, Reinhard Wolfgang; von Trotha, Jakob William (2022). A comparative analysis of Danionella cerebrum and zebrafish (Danio rerio) larval locomotor activity in a light-dark test. Front. Behav. Neurosci., 16, 302.
3.Parichy, D.M. (2015) Advancing biology through a deeper understanding of zebrafish ecology and evolution. eLife, 4.
4.Rajan, G.; Lafaye, J.; Faini, G.; Carbo-Tano, M.; Duroure, K.; Tanese, D.; Panier, T.; Candelier, R.; Henninger, J.; Britz, R.; Judkewitz, B.; Gebhardt, C.; Emiliani, V.; Debregeas, G.; Wyart, C.; Del Bene, F. (2022). Evolutionary divergence of locomotion in two related vertebrate species. Cell Rep.38:110585.

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