斑马鱼幼体注意转换机制揭示决策行为中专注力与能力的遗传与环境调控

为解析动物在冲突感官输入下的决策策略，研究人员利用斑马鱼幼体开展光动反应(OMR)研究，通过隐马尔可夫模型(HMM)和漂移扩散模型(DDM)框架，发现其行为表现呈双模态：专注状态(高表现)与分心状态(随机表现)。研究进一步提出"专注度(focus)"和"能力(competence)"两个潜变量，分别受亲本遗传和环境因素影响，为注意力机制的遗传基础和神经环路研究提供新范式。

　　

在复杂多变的环境中，生物体如何根据不确定的感官信息做出决策，是神经科学领域的核心问题。从啮齿类、果蝇到灵长类，众多生物都展现出令人惊叹的感官整合能力。斑马鱼幼体作为模式生物，其透明的身体和简单的神经系统为研究决策机制提供了独特优势。然而，即使在完全一致的视觉刺激下，斑马鱼的表现仍存在显著波动，这种不稳定性的根源成为亟待破解的谜题。

研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，通过大规模行为学数据分析，揭示了斑马鱼幼体在"连贯点"光动 assay（OMR）中的表现呈现双模态特征。这种双模态现象表明，动物的表现可分为两种状态：专注（attentive）状态时表现优异，能持续转向连贯运动方向；而分心（inattentive）状态时表现降至随机水平。研究团队采用隐马尔可夫模型（HMM）成功模拟了这些状态转换，并将其整合到先前用于模拟斑马鱼感知决策的漂移扩散模型（DDM）框架中。

关键技术方法包括：自由游动行为记录系统（16通道同步采集）、闭环视觉刺激呈现（100%相干度随机点运动）、高性能红外追踪技术（90Hz采样率）、混合模型拟合（高斯-伽马分布）和高分辨率熔解曲线（HRM）基因分型技术。实验使用AB野生型斑马鱼品系，样本来自不同养殖设施（A和B），包括scn1lab和slc6a3突变体。

【The performance of larval zebrafish in the OMR is suboptimal】

研究发现即使100%相干度刺激下，斑马鱼表现仍不完美：7%的得分低于-0.5，表明存在大量错误决策。等待时间分析显示，刺激开始后0.75秒表现达到饱和，证实证据积累机制的存在。靠近器壁时表现降至机会水平，表明物理障碍物会分散注意力。基线游泳率与表现呈负相关，慢速游泳预示更高表现。

【Performance score distributions in the optomotor task indicate attentional switching】

1920次试验的点云分析揭示两个明显集群：围绕机会水平的"分心"集群和接近1.0的"专注"集群。双状态HMM成功捕捉状态转换，专注状态持续时间中位数为5次试验。通过高斯-伽马混合模型提取两个关键参数：专注度(focus)w和能力(competence)κ，分别量化参与程度和感官信息利用能力。

【Inheritance influences the level of "focus," while the environment influences the level of "competence"】

亲本来源和饲养环境比较表明：专注度w主要受亲本来源影响（A设施w=0.82 vs B设施w=0.32），而能力κ主要受饲养环境调控（A环境κ=4.2 vs B环境κ=2.1）。这种分离表明"专注度"受遗传因素主导，而"能力"更具环境可塑性。

【Screening for performance and attention levels】

多种扰动实验证实参数独立性：将相干度从100%降至50%主要降低κ(P<1×10^-4)； looming干扰显著提高κ(P=0.001)；睡眠剥夺增加κ(P<1×10^-4)；scn1lab和slc6a3突变体均显示κ增加而w不变，表明这些基因突变影响神经回路功能而非注意力调控。

研究结论表明，注意转换是斑马鱼决策策略的重要组成部分。专注度(focus)和能力(competence)作为独立参数，分别反映遗传和环境对行为表现的贡献。这种双组分框架为理解决策失误提供了新视角：错误可能源于任务执行能力不足，也可能仅仅由于注意力缺失——或将注意力转向更相关的刺激。

讨论部分强调，这种表现下降不能用单纯的感官输入波动或基于历史试次的证据积累器调制来解释，而是反映了动物的完全脱离状态。在神经机制层面，DDM电路模型（包括前顶盖、腹侧后脑整合器和动态阈值神经元）与位于最后区或蓝斑的"门控网络"可能共同调控状态转换。这种注意转换可能反映了不同行为优先级之间的切换，符合"开发-探索"框架下的价值决策机制。

该研究建立的定量框架不仅能识别注意力遗传基础，还能解析跨物种的神经机制，为未来脑成像研究奠定基础。通过分离专注度和能力这两个正交成分，该研究为理解人类、灵长类、啮齿类和鱼类等各类生物的感知决策过程提供了普适性分析框架。