使用 CaMPARI-seq 的分子与功能解剖揭示用于区分依赖视觉流的行为的神经元组织

大脑如何分辨转向与直行

当动物移动时，整个视觉世界似乎在眼前流动。从这一不断变化的景象中，大脑必须解决一个简单但至关重要的问题：我们是在转向，还是在直线前进？本文利用微小的斑马鱼和一种新的分子“荧光标记”技术，揭示了特定脑细胞如何将这两类运动区分开来，以分别控制眼球运动或整体游动。

把运动看作流动的景观

当动物游动或行走时，光纹会在视网膜上扫过，这一现象称为视觉流。旋转性视流（例如动物转头时）主要驱动眼球运动以稳定注视；而平移性视流（例如动物向前游动时）则应驱动身体与周围水体或地面保持一致地移动。在包括斑马鱼在内的许多脊椎动物中，一个称为前顶盖的中脑区域在解释这些运动模式并将信号传向运动中枢方面起着核心作用。以往的研究绘制了许多对视觉流有反应的前顶盖神经元地图，但仍不清楚哪些精确的细胞类型（由其基因表达和连线方式定义）负责不同的运动驱动行为。

点亮活动神经元并读取它们的基因

研究者开发了一种他们称为 CaMPARI-seq 的混合方法，将对活动神经元的光学标记与单细胞基因表达谱联用。他们改造了斑马鱼幼体，使大多数神经元在细胞核中产生一种特殊的荧光蛋白 CaMPARI2。当神经元活跃并受到紫外光照射时，该蛋白会永久性地从绿色变为红色。团队向鱼展示移动的条纹图案以产生多种双眼视觉流条件，同时对前顶盖照射紫外光。对运动有反应的活动神经元变为红色，随后被逐个分离并读取其 RNA 序列，以确定每个细胞表达了哪些基因。

构建视觉流神经元的细胞图谱

通过基于基因表达模式对成千上万个被标记细胞进行聚类，作者鉴定出一个由基因 tcf7l2 标记的主要前顶盖群体，其中大多数细胞还携带抑制性神经元的典型基因。利用基因工程鱼系使 tcf7l2 阳性细胞驱动钙指示器，他们验证了这一广泛群体包含几乎所有先前描述的视觉流响应类型，从仅对单眼可见运动敏感的神经元，到仅在双眼感知到一致的前向或后向运动时响应的神经元。进一步将 tcf7l2 群体细分出七个分子上不同的亚型，每个亚型有其独特的标记基因组合，并在前顶盖内呈基本不重叠的空间分布，提示在这一运动处理中心周围存在一片片专门化的抑制性电路。

两类关键亚型的截然不同任务

在这些亚型中，有两类尤为突出。表达基因 mafaa 的细胞位于一个向外迁移的侧位区域，该区域与来自视网膜的方向选择性传入纤维重叠。成像和解剖追踪显示，这些神经元建立局部连接，并在条纹仅在一只眼中按特定方向移动时强烈响应，符合其编码简单眼特异性运动并支持眼球转动的角色。相比之下，表达 nkx1.2lb 的神经元位于更内侧的区域，并通过一条背侧脑连合发送长距离交叉投射到对侧，形成左右前顶盖回路之间的桥梁。这些 nkx1.2lb 阳性细胞也多为抑制性细胞，且总体覆盖了多种视觉流响应类型，包括单眼和双眼模式，暗示它们有助于比较来自两只眼的信号。

解开眼球与躯体反应

为检验功能，团队使用一种遗传“自杀”酶选择性消除 nkx1.2lb 阳性的前顶盖神经元，该酶仅在给予无害药物时在这些细胞中变为有毒。消融后，幼体在环境围绕其旋转时仍表现出正常的眼睛追踪运动，表明旋转视觉流及由此产生的视动反应保持完整。然而，当地面图案移动以模拟向前游动时，趋动反应显著减弱：鱼游动的距离缩短，尾鳍拍动变得不那么协调，表明计算游动方向的能力受损。脑成像显示，特异响应平移视觉流的细胞数量减少，而基本的单眼运动探测器则大致保留。综合这些实验结果表明，连合的 nkx1.2lb 神经元对整合来自两眼的信号以估计前进运动并驱动向前游动至关重要，但对在转向时稳定注视的功能并非必要。

这对理解运动感知有何意义

对非专业读者而言，关键信息是大脑通过将“我是在转向吗？”与“我是在向前移动吗？”这两个问题分配给不同的细胞群来将它们分开，即便是在一条小小的鱼体内。作者表明，左右前顶盖之间一条特定的抑制性桥接回路对于识别平移运动并控制躯体转向至关重要，而其他回路则可以在没有这条桥的情况下处理旋转运动和眼球运动。他们的 CaMPARI-seq 方法——用光标记活动细胞然后读取其分子身份——提供了一种强有力的途径，将神经元的功能、构造与所控制的行为联系起来。来自这一紧凑斑马鱼系统的见解，可能有助于澄清更大脊椎动物大脑（包括我们自身的大脑）如何在移动的世界中保持视觉稳定和导航精确。

引用: Matsuda, K., Wang, CH., Kakinuma, H. et al. Molecular and functional dissection using CaMPARI-seq reveals the neuronal organization for dissociating optic flow-dependent behaviors. Nat Commun 17, 3411 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71371-6

关键词: 视动, 斑马鱼, 前顶盖（pretectum）, 单细胞 RNA 测序, 视觉运动处理