Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Биологи сбили рыб с толку в виртуальной реальности

Kuo-Hua Huang et al. / Nature Methods, 2020

Ученые создали новую экспериментальную модель с данио-рерио. Она позволяет регистрировать поведение и активность отдельных нейронов рыб, которые находятся в виртуальной реальности. Несмотря на то, что голова животных была зафиксирована, а вместо естественной среды они плавали в симуляции, данио-рерио вели себя так же, как и в обычном аквариуме. В мозге рыб исследователи обнаружили группу нейронов, которые активировались при несовпадении зрительных стимулов с движениями животных. Статья опубликована в журнале Nature Methods.

Виртуальная реальность — удобный инструмент для изучения поведения и процессов, происходящих в мозге. С одной стороны, исследования проходят в обстановке, похожей на естественную, а с другой — можно регулировать параметры среды и создавать сценарии происходящего. Кроме того, при использовании искусственной реальности животное можно ограничить в движении, а в таких условиях мозг гораздо проще изучать оптическими и электрофизиологическими методами.

Высшие функции мозга основаны на активности различных популяций нервных клеток, которую можно визуализировать с помощью современных оптических методов. Однако у животных с крупным мозгом доступна только его поверхность, и увидеть нейроны, которые располагаются в глубине, невозможно. Поэтому удобным модельным организмом является данио-рерио — маленькие рыбы (2,5-4 сантиметра в длину). Они прозрачны даже на взрослых стадиях развития, поэтому активность их нервных клеток можно исследовать с помощью оптических методов in vivo.

Группа ученых под руководством Хуан Ко-Хуо (Kuo-Hua Huang) из Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера создала модель исследования поведения и нейронной активности данио-рерио в виртуальной реальности. Экспериментальная камера представляла собой аквариум с панорамным экраном, на которой проецировалось 3D изображение. Рыбы видели круглую арену, к которой примыкало два прямоугольных отсека. Виртуальные стены были покрыты камнями и растениями; поле обзора составляло 180 градусов. Чтобы обездвижить голову рыб, к их черепу с двух сторон приклеили крепления, с помощью которых животное можно было фиксировать в установке. Хвост не был закреплен, и его колебания регистрировались видеокамерой.


Для полной реалистичности виртуальной реальности проецируемая картинка координировалась с движениями рыбы в реальном времени с частотой 50 Герц. Если хвост качался симметрично, то видео имитировало движение вперед: слегка смещалось влево и вправо синхронно с движениями рыбы. Если же животное пыталось повернуть, то и виртуальная реальность изменялась соответствующим образом. Передвижения данио-рерио в искусственной среде были ограничены невидимыми стенками, которые не давали рыбе выплыть за пределы центральной зоны.

Ученые тестировали реакцию рыб на различные стимулы: в одном из отсеков виртуальной камеры появлялась стайка из трех данио-рерио или три вертикальных черных эллипса такого же размера (для сравнения отклика на сородичей и на абстрактные формы). Второй отсек оставался пустым.

Исследователи также проверили гипотезу о связи нейронной активности с прогностическими способностями животных. Предполагается, что мозг создает модели окружающего мира, согласно которым он прогнозирует некоторые закономерности или события. Если действительность не соответствует предположениям, в мозг поступают сенсорные стимулы, которые говорят об ошибке, и модель корректируется. Для того, чтобы детектировать нейронную активность, связанную с сигналом ошибки, исследователи инвертировали видео в момент его согласования с поворотами рыб. Например, когда данио-рерио пыталась повернуть направо, виртуальная среда изменялась так, как будто животное уклонилось влево.

Регистрировали не только поведение рыб, но и активность отдельных нейронов их мозга. Для этого в клетках трансгенных данио-рерио присутствовали флуоресцентные белки, которые изменяли параметры своего свечения при взаимодействии с кальцием. Появление ионов этого металла сопровождает активацию нейронов, что исследователи и наблюдали с помощью двухфотонного лазерного микроскопа.

В виртуальной среде данио-рерио плавали по арене кругами, как и не ограниченные в движении рыбы в естественных условиях. Если в одном из отсеков появлялось изображение других рыб, животные переставали плавать по кругу и перемещались как можно ближе к сородичам. На черные эллипсы данио-рерио реагировали небольшим смещением своей траектории в сторону отсека, однако не переставали двигаться кругами. В новой модели рыбы демонстрировали характерное исследовательское поведение, которое не нарушилось ни фиксацией головы, ни виртуальной реальностью. 


Когда экспериментаторы инвертировали поворот среды относительно движения рыб, данио-рерио реагировали определенным набором колебаний хвоста: сначала пытались повернуться вокруг своей оси, а затем начинали активно извивать тело. Между началом неправильного смещения видео и ответом животных проходило от одной до четырех секунд, в течение которого рыбы двигались как обычно.


В ответ на десинхронизацию видео увеличивалась активность в 12 процентах регистрируемых нейронов конечного мозга. В значительной доле этих клеток возбуждение возникало до начала двигательной реакции на инвертированный поворот зрительных ориентиров. Нейронный ответ не был связан с изменением моторной деятельности рыб, и авторы работы предположили, что наблюдаемая активность — это и есть сигнал ошибки, а задержка реакции вызвана тем, что мозг обрабатывает информацию о несоответствии реальности прогнозу.


Модель, которую разработали и протестировали в этой работе, можно использовать для исследования широкого круга вопросов, связанных с поведением, в том числе его сложными формами, а также развитием и функционированием нейронных сетей.

Данио-рерио — излюбленное животное биологов для изучения поведения. Для наблюдения за реакцией страха их пугали рыбами-роботами (и не раз), давали им пообщаться с искусственными сородичами, а еще вызывали у них наркотическую зависимость.

Алиса Бахарева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.