Стандартные поведенческие эксперименты по изучению поведения популярных лабораторных животных лишь не полностью имитируют естественные условия. Таким образом, понимание поведения и функций мозга ограничено. Виртуальная реальность помогает создать более естественную экспериментальную среду, но требует обездвиживания животного, нарушения сенсомоторного опыта и изменения нейронных и поведенческих реакций. В настоящее время исследователи разработали систему виртуальной реальности для свободно движущихся животных, чтобы преодолеть большинство этих ограничений.
От поведения к работе мозга
Человек видит другого человека, и в зависимости от контекста могут происходить очень разные взаимодействия. Окончательный результат после первоначального визуального опыта является результатом сложных взаимодействий нейронов в разных областях мозга - процессов, которые еще очень мало изучены. Чтобы изучить нейронную основу, лежащую в основе поведения, ученые разработали широкий спектр методов, большинство из которых требуют либо частичной, либо полной иммобилизации животного. Это ограничивает сенсорный ввод и обратную связь и в конечном итоге изменяет нейронные и поведенческие реакции. Кроме того, имитировать естественные условия в лаборатории сложно.
Трехмерный, реактивный, управляемый компьютером мир для движущихся животных
Группы Эндрю Стро из Фрайбургского университета (бывший научный сотрудник IMP) и Кристин Тессмар-Райбл из MFPL представили систему под названием «FreemoVR» в Nature Methods, которая преодолевает большинство этих препятствий, погружая свободно движущееся животное в реактивном трехмерном мире, управляемом компьютером. FreemoVR позволяет экспериментатору контролировать визуальный опыт животного, сохраняя при этом естественную обратную связь для его тактильных ощущений. Для этого ученые построили поведенческие арены, стены или пол которых представляли собой компьютерные дисплеи, включая проекционные поверхности произвольной формы. Используя технологию компьютерных игр, животное могло затем исследовать виртуальную среду на этих аренах со своей точки зрения, пока оно шло, летало или плавало.
"Мы хотели создать голопалубу для животных, чтобы они испытали реактивную, иммерсивную среду под управлением компьютера, чтобы мы могли проводить эксперименты, которые показали бы, как они видят объекты, окружающую среду и других животных", - говорит Эндрю Стро, руководитель разработки FreemoVR.
Применения FreemoVR к рыбам, мухам и мышам
Чтобы подтвердить способность FreemoVR вызывать натуралистичные реакции объектов, исследователи исследовали реакцию свободно плавающих рыбок данио и свободно летающих мух на виртуальный вертикальный столб и протестировали свободно гуляющих мышей, которые показали, что в равной степени боятся высоты в реальном мире. и виртуальный приподнятый лабиринт.
Используя FreemoVR, команды обнаружили ранее незамеченные различия в поведении между диким и мутантным штаммом рыбок данио, что свидетельствует о чувствительности системы. Далее ученые исследовали правила, управляющие социальными взаимодействиями настоящих рыбок данио с виртуальными, и обнаружили, что предполагаемая рыба-лидер сводит к минимуму риск потери последователей, уравновешивая свое внутреннее предпочтение направления плавания с социальной отзывчивостью подчиненной рыбы.
Будущие направления
Изучение и манипулирование поведением менее сложных организмов, таких как рыбы или мухи, а также более сложных, таких как мыши и даже люди, является популярным среди нейробиологов способом получения информации о работе мозга. «Меня особенно воодушевляет возможность имитировать более сложную, натуралистическую среду и тестировать более сложные функции мозга у медаки и рыбок данио. Это поможет нам лучше понять функции мозга и то, в какой степени мы можем использовать этих дневных позвоночных в качестве моделей для нейропсихологических исследований. неисправности», - говорит ученый из MFPL Кристин Тессмар-Райбл, руководившая большей частью работы с рыбой.
В будущем различные команды надеются использовать FreemoVR, чтобы получить представление о функциях мозга в поведении высокого уровня, таком как навигация, чтобы лучше понять причинно-следственные связи в коллективном поведении социальных групп и, в конечном счете, изучить механизмы поведения в условиях, в которых мозг эволюционировал для работы.