Робототехники реконструировали навигацию рыб-зебр для изучения сенсомоторной обработки
Учёные из EPFL и Университета Дьюка с помощью симуляций, роботов и живых рыб воспроизвели нейронные цепи, позволяющие рыбкам-зебрам реагировать на зрительные стимулы и удерживать позицию в текущей воде. Работа даёт полную картину того, как мозговые цепи, механика тела и окружающая среда взаимодействуют для контроля поведения.
Лаборатория BioRobotics в EPFL специализируется на создании биоинспирированных роботов для изучения взаимодействий мозга и тела. В новом исследовании, опубликованном в Science Robotics, они детально изучили воплощённость (embodiment) — влияние тела на восприятие — у личинок рыбок-зебр.
"Наша симулированная личинка обеспечила виртуальное воплощение, позволив наблюдать её реакцию на симулированную гидродинамику и визуальные сцены. Затем мы использовали физического робота для наблюдения этих взаимодействий в реальном мире. Эти связи со средой нельзя изучить на изолированном мозге в лаборатории", — резюмирует глава лаборатории Ауке Ийсперт.
Взгляд рыбы
Личинки рыбок-зебр с их прозрачными телами предоставляют оптический доступ ко всем нейронам, что делает их хорошо изученной моделью.
Нейробиолог Ева Науманн и её команда из Университета Дьюка предоставили архитектуру нейронной сети, полученную на основе данных визуализации мозга живых рыб в реальном времени. Они также отслеживали визуально управляемое поведение рыб и их реакции на различные зрительные стимулы, имитирующие условия в текущей воде.
Лаборатория BioRobotics совместно с командой Науманн разработала симуляцию, точно воспроизводящую зрительную обработку, механику тела и нейронные цепи рыб — от сетчатки до спинного мозга. В экспериментах, нацеленных на оптомоторный ответ (рефлекторное плавание, помогающее компенсировать течение), виртуальное животное близко повторило поведение реальных личинок.
"Было захватывающе, что мы воспроизвели все различные типы поведения, которые Ева и её команда наблюдали у живых рыб — это говорит о том, что нам удалось реконструировать схему", — говорит Ийсперт.
В процессе команда обнаружила, что большинство нейронных сигналов, управляющих поведением рыб, исходит из относительно небольшой части сетчатки. Их симуляция даже предсказала два ранее не идентифицированных типа нейронов, объясняющих реакцию живой рыбы на необычные стимулы.
Для дальнейшей проверки постдок EPFL Сянсяо Лю построил 80-сантиметрового робота-личинку рыбки-зебры, оснащённого двумя камерами вместо глаз, моторами для движения сегментами хвоста и теми же нейронными цепями, что и у симулированной рыбы.
В экспериментах в реке Шамберонн в Лозанне робот смог удерживаться от сноса течением, даже в неупорядоченной естественной среде.
"Возникновение оптомоторного ответа из нашей нейронной цепи значимо, так как часть реакции животного на любой стимул случайна. Несмотря на эту случайность, нейронная цепь всё равно сходилась к переориентации робота и удержанию его позиции", — говорит Лю.
Платформа с открытым исходным кодом для изучения поведения животных
Лаборатория уже расширяет это исследование для изучения паттернов плавания рыб-зебр. Их симуляция и дизайн робота также доступны как инструменты с открытым исходным кодом для исследователей, изучающих зрительно-моторную координацию у рыб-зебр и других животных.
Ийсперт подчёркивает, что работа демонстрирует, насколько важны модели и симуляции для понимания того, какие сенсомоторные механизмы достаточны для определённых биологических функций.
"В экспериментах на животных можно показать, какие сенсомоторные механизмы необходимы для функции, но не какие достаточны, потому что нельзя удалить все механизмы, кроме одного, у животных. Здесь мы показали, что одного только зрения в принципе достаточно рыбкам-зебрам для удержания позиции, что является сложным и нетривиальным результатом".
Роботы дают ключи к пониманию впечатляющей устойчивости движения угрей
В другом исследовании EPFL, опубликованном в PNAS совместно с Университетом Тохоку и Университетом Оттавы, была протестирована модель нейронной цепи на амфибийных угреподобных роботах, разработанных в BioRobotics Lab.
Эксперименты показали, что мультисенсорная обратная связь может позволить настоящим угрям плавать даже после травмы спинного мозга, которая парализовала бы большинство позвоночных, а также дали новые данные об эволюционном переходе позвоночных из воды на сушу.