Летучие мыши и дельфины излучают звуковые волны, чтобы ощущать свое окружение; как батарея, электрические рыбы генерируют электричество, помогающее им обнаруживать движение, когда они прячутся в своих убежищах; и люди используют крошечные движения глаз, чтобы воспринимать объекты в поле своего зрения.
Каждый из них является примером «активного восприятия» - процесса, характерного для всего царства животных, который включает в себя производство движения, звука или других сигналов для сбора сенсорной обратной связи о внешней среде. Однако до сих пор исследователи изо всех сил пытались понять, как мозг контролирует активное восприятие, отчасти из-за того, насколько тесно связано активное сенсорное поведение с создаваемой им сенсорной обратной связью.
В новом исследовании исследователи NJIT и Johns Hopkins использовали технологию дополненной реальности, чтобы изменить эту связь и разгадать таинственную динамику между активным ощущением движения и сенсорной обратной связью. Полученные данные свидетельствуют о том, что тонкие активные сенсорные движения особого вида слабоэлектрических рыб, известных как стеклянная рыба-нож (Eigenmannia virescens), находятся под контролем сенсорной обратной связи и служат для улучшения сенсорной информации, которую получает рыба. В исследовании предлагается, чтобы рыбы использовали систему двойного контроля для обработки обратной связи от активных сенсорных движений, особенность, которая может быть повсеместной у животных.
Исследователи говорят, что результаты, опубликованные в журнале Current Biology, могут иметь значение в области нейронауки, а также в разработке новых искусственных систем - от автомобилей с автоматическим управлением до кооперативной робототехники.
«Самое интересное то, что это исследование позволило нам исследовать обратную связь способами, о которых мы мечтали более 10 лет», - сказал Эрик Форчун, доцент биологии, который руководил исследованием в NJIT.«Возможно, это первое исследование, в котором дополненная реальность использовалась для исследования в режиме реального времени этого фундаментального процесса активного восприятия, основанного на движении, которое почти все животные используют для восприятия окружающей их среды».
Eigenmannia virescens - вид электрических рыб, обитающих в бассейне реки Амазонки, которые, как известно, прячутся в убежищах, чтобы избежать угрозы со стороны хищников в окружающей их среде. Fortune говорит, что в рамках своей защиты этот вид и его родственники могут демонстрировать магнитоподобную способность сохранять фиксированное положение в своем убежище, известную как сохранение станции. Команда Fortune стремилась узнать, как рыбы контролируют это сенсорное поведение, нарушая то, как рыба воспринимает свое движение относительно своего убежища.
"Мы давно знали, что эти рыбы будут следовать за положением своего убежища, но совсем недавно мы обнаружили, что они генерируют небольшие движения, которые напоминают нам крошечные движения, которые видны человеческим глазам", - сказала Фортуна.«Это побудило нас разработать нашу систему дополненной реальности и посмотреть, сможем ли мы экспериментально изменить взаимосвязь между сенсорной и моторной системами этих рыб, не разъединяя их полностью. До сих пор это было очень сложно сделать».
Для расследования исследователи поместили слабоэлектрическую рыбу в экспериментальный аквариум с искусственным ограждением-убежищем, способным автоматически перемещаться туда-сюда на основе видео-отслеживания движения рыбы в реальном времени. Команда изучала, как поведение и движение рыбы в убежище будет изменено в двух категориях экспериментов: эксперименты с «замкнутым циклом», в которых движение рыбы синхронизируется с челночным движением убежища; и эксперименты с «открытым циклом», при которых движение убежища «воспроизводится» для рыбы, как будто с магнитофона. Примечательно, что исследователи заметили, что рыба проплыла дальше всего, чтобы получить сенсорную информацию во время экспериментов с замкнутым контуром, когда система дополненной реальности включала положительный «усиление обратной связи» или всякий раз, когда положение убежища отражало движение рыбы.
"С точки зрения рыбы стимул в экспериментах с замкнутым и открытым циклом абсолютно одинаков, но с точки зрения контроля один тест связан с поведением, а другой не связан", сказал Ной Коуэн, профессор Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования. «Это похоже на то, как визуальная информация о комнате может меняться, когда человек проходит через нее, в отличие от человека, который смотрит видео о прохождении через комнату».
«Оказывается, рыбы ведут себя по-разному, когда стимул контролируется человеком, по сравнению с тем, когда стимул воспроизводится им», - добавила Fortune. «Этот эксперимент демонстрирует, что явление, которое мы наблюдаем, связано с обратной связью, которую рыба получает от собственного движения. По сути, животное, кажется, знает, что оно контролирует сенсорный мир вокруг себя».
Согласно Fortune, результаты исследования показывают, что рыбы могут использовать два контура управления, которые могут быть общей чертой того, как другие животные воспринимают свое окружение: один контроль для управления потоком информации от активных сенсорных движений, а другой который использует эту информацию для информирования двигательной функции.
Fortune говорит, что его команда сейчас пытается исследовать нейроны, ответственные за каждую петлю управления в рыбе. Он также говорит, что исследование и его результаты могут быть применены к исследованию активного сенсорного поведения у людей или инженеров при разработке передовой робототехники.
«Мы надеемся, что исследователи проведут аналогичные эксперименты, чтобы узнать больше о зрении у людей, что могло бы дать нам ценные знания о нашей собственной нейробиологии», - сказал Fortune. «В то же время, поскольку животные по-прежнему намного лучше видят и контролируют движение, чем любая искусственная система, которая была разработана, мы думаем, что инженеры могли бы использовать опубликованные нами данные и преобразовать их в более мощные системы управления с обратной связью.."