不同動物的高階腦功能

曾經(jīng),高階智力被認為是靈長類動物獨有的,這是通過一些復雜的認知功能,如使用先進的工具和自我識別來確定的。然而,這些智力特征已經(jīng)在除了哺乳動物之外的許多其他種類動物身上被發(fā)現(xiàn)。值得注意的是,鴉科動物和鸚鵡表現(xiàn)出了高度先進的行為,包括使用創(chuàng)造性的工具,這些需要結(jié)合復雜的推理、計劃和精細協(xié)作技能。
高級腦功能的發(fā)展伴隨著相對腦質(zhì)量的增強,稱為腦化。在靈長類動物中,與其他哺乳動物相比,相當于大腦皮層的大小增加了。人們很自然地認為,鳥類的智力也會以同樣的方式增長,但相反,研究發(fā)現(xiàn)它們的蒼白球(大腦中也包括皮質(zhì)的區(qū)域)的神經(jīng)元密度有所增加。這似乎表明,在不同的動物類別中,高級認知功能可以以明顯不同的方式發(fā)展。

P. Estienne等取樣的硬骨魚類物種的系統(tǒng)發(fā)育樹
圖在CC BY 4.0下復制
瀨魚智力

瀨魚是硬骨魚類下綱的一種海洋魚類,是放線菌鰭魚類的一個亞科。盡管硬骨魚類和一般魚類的腦化程度相對較低,但人們發(fā)現(xiàn)瀨魚表現(xiàn)出使用工具的能力。因為它們沒有四肢,所以它們會用嘴抓住貝類,并在巖石或珊瑚等堅硬的平面上反復撞擊,使其破碎。
為了確定這種高階行為是如何與大腦化相對應的,巴黎薩克萊神經(jīng)科學研究所的研究人員比較了各種瀨魚和硬骨魚的身體質(zhì)量、大腦質(zhì)量和大腦結(jié)構(gòu)。

左)在這項研究中檢查的大腦五個主要區(qū)域,
突出顯示在慈鯛的大腦上,慈鯛是瀨魚的親戚。
(右)與瀨魚大腦相同的區(qū)域。
CC BY 4.0下的圖改編自P. Estienne等
大腦可視化與Amira軟件

為了將這些復雜的大腦結(jié)構(gòu)可視化,我們對硬骨魚大腦的微米厚切片進行了成像,并利用Thermo Scientific™Amira™軟件將其堆疊重組成3D圖像。使用手動分割,可以識別大腦的各個區(qū)域,包括腦葉和連接纖維。研究人員發(fā)現(xiàn),與其他硬骨魚相比,瀨魚有更大的端腦和一般的前腦/中腦區(qū)域。值得注意的是,還包括一個更大的下葉,這種結(jié)構(gòu)在哺乳動物和鳥類中沒有發(fā)現(xiàn)類似的。這個腦葉還顯示出與腦白質(zhì)的獨特和實質(zhì)性的連接,而腦白質(zhì)已經(jīng)與其他動物的高階思維有關(guān)??傊?,這展示了動物發(fā)展高階思維的另一種獨特方式,拓展了我們理解大腦功能和進化的方式。

比較隆頭魚和斑馬魚的大腦皮層和下葉(IL)的相互連接。瀨魚的IL明顯大于斑馬魚,表明腦化程度較高。CC BY 4.0下的圖改編自P. Estienne等
通過成像來理解大腦進化

這項研究為不同種類動物的智力發(fā)展提供了獨特的、新穎的見解,以及智能行為如何在大腦中沿著不同的途徑進化。這些觀察是通過高分辨率成像和3D可視化實現(xiàn)的,這為研究人員提供了整個大腦及其復雜結(jié)構(gòu)的近距離視圖。
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