Nature：斑马鱼揭秘大脑导航奥秘，视觉地标如何被神经指南针锚定

视觉是动物导航的重要“指南针”：固定的地标帮助判断朝向，而视野中流动的图像（光流）则提示身体是否在转动。科学家早就发现，大脑中的“头向神经元”会利用这些视觉线索来实时更新方向感，但在脊椎动物中，这些信息究竟是如何传到头向神经元的，一直是个谜。

基于此，2026年1月7日，德国慕尼黑工业大学神经科学研究所Ruben Portugues研究团队在Nature杂志发表了“Plastic landmark anchoring in zebrafish compass neurons”，揭示了斑马鱼指南神经元中的可塑性地标锚定。

本研究利用幼年斑马鱼这一小型脊椎动物模型结合双光子成像与虚拟现实技术，发现其后脑的头部方向（HD）神经元虽位于视觉端脑不发达的区域，却能有效整合视觉地标和光流信息进行方向追踪。不同个体对地标的编码具有独特性且依赖经验形成。该能力依赖于缰核向脚间核的侧化投射，而脚间核正是HD神经元的靶区。缰核轴突的生理与结构特征提示其可能采用类似果蝇环形神经元的赫布型学习机制。这一发现表明，脊椎动物在演化早期就已具备基于视觉的导航基础，为理解导航环路的起源与演化提供了新线索。

图一 追踪视觉场景的aHB GABA能神经元

作者发现，幼年斑马鱼后脑aHB区存在一群表达gad1b的头方向（HD）神经元，其偏好朝向在空间上呈拓扑排列，当鱼右转时，神经活动“峰”逆时针移动。为验证这些神经元是否利用上视野视觉线索进行定向（此前因刺激仅在下方而未观察到），作者开发了一套覆盖270°方位角与90°仰角的全景上视野虚拟现实系统，结合双光子成像记录GCaMP6s标记的神经活动。

在包含“太阳-条纹”视觉场景的闭环实验中，HD神经元活动能高度拟合场景朝向且群体活动峰在25条鱼中的15条显著对齐于视觉场景，远超随机水平。值得注意的是，尽管拓扑排布规律一致，不同个体的HD地图相对于视觉地标存在独特偏移，例如同一偏好朝向的细胞可能位于脑左侧或右侧。

结果表明HD系统对视觉线索的锚定并非先天固定，而是依赖经验、具有个体可塑性，为理解脊椎动物早期导航环路如何整合感觉信息提供了关键证据。

图二 对称场景会破坏地标对HD神经元的锚定作用

为检验幼年斑马鱼HD神经元对视觉地标的编码是否具有经验依赖的可塑性，作者设计了一个“双太阳”学习实验：在学习前和学习后阶段，斑马鱼仅看到一个模拟太阳的径向亮度梯度，HD活动峰与场景朝向高度对齐；而在中间的学习阶段，添加一个180°对称的第二太阳，使场景具有二重对称性。此时，HD活动峰在两个相反相位间切换，导致每个HD神经元反复与两组不同方位的视觉输入共激活。根据环形吸引子模型中的赫布型可塑性机制，这种共激活会重塑视觉到HD神经元的连接，形成双峰投射。在学习后，即使恢复单太阳，HD峰仍频繁出现在原相位或其反相位，场景-峰对齐显著减弱，反相偏移时间明显增加；而全程仅暴露于单太阳的对照组则无此变化。

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该结果表明，斑马鱼HD系统并非通过固定回路硬连线锚定视觉地标，而是通过经验动态建立并可被修改的映射关系，首次在脊椎动物中提供了HD环路具备赫布型可塑性的直接证据。

图三 HD神经元动态重映射视觉对称性

尽管实验已证明HD神经元对视觉地标的映射具有可塑性，但作者发现一个意外现象：在双太阳对称场景中，场景-活动峰偏移并未如“翻转切换”模型预测的那样呈现双峰分布。

深入分析单个HD细胞的调谐曲线后发现，在对称场景下，这些曲线确实变成双峰，但并非简单复制，而是整体发生系统性旋转。原本偏好相反方向的一对神经元，其调谐曲线总共旋转了90°，从而在新环境中仍保持反相关性。更关键的是，任意两个HD细胞的相对旋转角度与其原始调谐差异成比例，斜率为−0.5，表明整个环形阵列进行了协调重排。这种“有序旋转”的结果是：180°对称的视觉世界被完整映射到360°的HD神经环上。

因此，偏移量若以2θ为基准就呈现清晰的单峰分布，解释了为何传统偏移分析看不到双峰。这一“拉伸式重映射”揭示：HD系统不仅能学习视觉线索，还能动态重构编码空间以匹配环境的统计结构，展现出远超简单锚定的惊人适应能力。

图四 视觉缰核损毁会消除地标锚定作用

作者发现，幼年斑马鱼的HD神经元依赖左侧缰核获取视觉地标信息。缰核神经元具有局部、稳定的ON型视觉感受野，其轴突广泛投射至背侧脚间核（dIPN）：HD神经元树突所在区域形成“全对全”连接，为赫布型学习提供理想结构基础。

钙成像显示，缰核群体活动能准确编码“太阳-条纹”场景的朝向。关键的是，选择性激光损毁左侧缰核至dIPN的视觉通路后，HD神经元的活动峰虽仍存在，却不再与视觉场景对齐；而对侧损毁则无此效应。

这表明，左侧缰核是视觉地标信号传入HD环路的关键通路，为脊椎动物如何将外部视觉线索锚定到内在方向表征提供了机制解释。

总结

本研究发现，幼年斑马鱼依赖进化保守的缰核-脚间核通路实现视觉地标对HD信号的锚定，揭示了一种可能早于哺乳动物皮层系统的原始导航机制。该结果提示：脊椎动物的HD环路可能起源于后脑，随端脑演化才发展出前脑主导的复杂网络。未来需建立行为范式，验证斑马鱼是否真正利用HD记忆进行导航，并进一步解析角速度信号来源，以完整理解这一“神经指南针”的功能与演化。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09888-x

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