在墨西哥东北部黑暗洞穴的深处，生活着一种已经适应无光世界数十万年的鱼类。盲眼墨西哥洞穴鱼（Astyanax mexicanus）在永久黑暗中进化，失去了眼睛和色素，同时发展出卓越的适应能力，帮助其在营养贫瘠的环境中生存。
如今，科学家们正利用这一非凡物种来揭示进化如何重新布线大脑并塑造行为。由于Astyanax既存在有视力的表层鱼类，也有30多个独立进化的洞穴种群，研究人员可以直接比较黑暗生活如何改变感觉系统、神经回路和行为。
借助新的基因工具和先进的成像技术，科学家们能够实时观察大脑活动，这种独特的鱼类为动物如何适应极端环境以及进化如何改变大脑本身提供了前所未有的见解。
为了研究进化如何改变大脑以产生新行为，佛罗里达大西洋大学的研究人员及其合作者比较了表层鱼和洞穴鱼对光线变化的反应。他们将行为实验与先进的全脑成像技术相结合，使他们能够在细胞分辨率下观察活鱼的神经活动。
通过使用在神经元中表达荧光标记的基因工程鱼，科学家们追踪了鱼类暴露在光线和黑暗中时不同大脑区域的反应。他们还将这些反应映射到已建立的洞穴鱼大脑图谱上，并使用针对性实验来研究产生多巴胺的神经元在驱动行为中的作用。
发表在《科学进展》上的这项研究揭示了一种显著的行为进化反转。当突然陷入黑暗时，表层鱼变得更加活跃——这一反应被认为有助于它们寻找光线——而洞穴鱼则相反，在暴露于光线时变得更加活跃。这种由光线触发的反应可能帮助洞穴鱼避开洞穴入口等被照亮的区域，在这些地方它们更容易受到捕食者和黑暗地下栖息地外环境条件的影响。
通过绘制整个大脑的活动图谱，研究人员发现了一个称为后结节区域的变化，以及一种与这些行为相关但以前未被识别的神经元细胞类型。
"令人惊讶的是，在表层鱼中对黑暗有反应的神经元在洞穴鱼中却对光线有反应，这表明进化可以重新利用现有的神经回路，而不是创造全新的神经回路，"高级作者、佛罗里达大西洋大学Harriet L. Wilkes荣誉学院生物学副教授、FAU Stiles-Nicholson脑研究所成员Erik R. Duboué博士说。
研究团队还发现，多巴胺信号在这类反应中起着核心作用，揭示了一条在进化过程中被修改的保守大脑通路。
"我们发现洞穴鱼已经进化出光诱发的光动性，这使我们能够探究哪些大脑区域受到影响，以及哪些神经元亚群可能导致行为变异，"Duboué说。"事实上，所有先前研究过的眼睛鱼类都表现出暗光动性，而只有洞穴鱼表现出光光动性，这表明这种行为是作为对洞穴生活的适应而进化的。"
这些发现扩展了科学家们对大脑如何响应极端环境进化的理解，并提供了神经回路变化如何驱动行为适应的最清晰例子之一。由于类似的多巴胺通路在包括鱼类、啮齿动物和灵长类在内的脊椎动物中是保守的，这项研究可能提供更广泛的见解，了解大脑如何处理感官信息并适应变化的条件。
这项研究还提供了光动性是遗传的证据。通过将表层鱼与洞穴鱼杂交，研究人员在杂交后代中观察到广泛的反应，证明在光线或黑暗中变得更加活跃的倾向被编码在基因组中。未来的研究将探索负责重新布线这些神经回路和塑造行为的基因和发育机制。
"Cavefish provide a unique model for studying how sensory systems evolve and how brains adapt to novel environments," said Duboué. "By understanding how evolution modifies neural circuits to process environmental information, we can gain deeper insights into the fundamental principles that shape behavior across the animal kingdom."
除了阐明动物如何适应极端环境外，这项研究可能对理解人类大脑具有深远的意义。参与感觉处理、运动和多巴胺信号传导的许多神经通路在脊椎动物中高度保守，这意味着它们在鱼类和人类中的功能相似。通过揭示进化如何重新布线大脑回路以产生新行为，这些发现可能为与感觉处理和多巴胺功能改变相关的神经和神经发育障碍提供见解，包括帕金森病、精神分裂症、自闭症谱系障碍和注意力缺陷多动障碍(ADHD)。
研究合著者包括圣约翰大学助理教授Robert A. Kozol博士；佛罗里达大西洋大学Harriet L. Wilkes荣誉学院毕业生Ally Canavan——这篇论文是她荣誉论文的一部分；南加州大学博士生Bernadeth Tolentino；德克萨斯A&M大学生物学教授兼系主任Alex C. Keene博士；以及利哈伊大学生物科学助理教授Johanna E. Kowalko博士。
Robert A. Kozol等人，《盲眼洞穴鱼中光诱发的感光运动反应适应的中枢多巴胺回路进化》，《科学进展》(2026)。DOI: 10.1126/sciadv.adv3770
关键概念：动物行为，有机体、种群、进化与生态系统
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