斑馬魚(yú)GO/NO GO行為實(shí)驗(yàn)

【服務(wù)簡(jiǎn)介】

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境由四塊液晶顯示屏組成來(lái)呈現(xiàn)視覺(jué)刺激示损。在這種環(huán)境中渗磅，魚(yú)可以沿著由白色、藍(lán)色或紅色背景色和垂直于游動(dòng)方向的黑色條紋組成的一維軌跡游動(dòng)和停止检访。尾部運(yùn)動(dòng)由網(wǎng)絡(luò)攝像頭捕獲始鱼，并進(jìn)行了一些修改，即將濾光片替換為以避免顯示光的干擾脆贵。尾部采用紅外 LED 燈進(jìn)行照明医清。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由基于Matlab 等定制程序控制。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境是使用 OMEGA SPACE 軟件創(chuàng)建的卖氨，該軟件提供了用于創(chuàng)建虛擬空間的內(nèi)置工具会烙。當(dāng)魚(yú)被固定在魚(yú)缸內(nèi)時(shí)，它可以移動(dòng)尾巴筒捺，并且連續(xù)檢測(cè)尾巴的拍打頻率以在虛擬空間中引起僅向前的運(yùn)動(dòng)柏腻。使用放置在魚(yú)缸頂部的攝像頭以及基于 Matlab 計(jì)算機(jī)視覺(jué)工具箱的自定義程序來(lái)檢測(cè)魚(yú)的身體。相機(jī)的放置方式使魚(yú)的身體沿著相機(jī)拍攝的圖像的垂直(Y)軸系吭。對(duì)于每個(gè)100毫秒的時(shí)間幀五嫂，通過(guò)連接圖像每一行中身體的中點(diǎn)來(lái)計(jì)算沿著身體的中心線。中心線的上點(diǎn)對(duì)應(yīng)于身體的上部肯尺。在尾巴彎曲過(guò)程中沃缘，所看到的身體的最上面部分沒(méi)有移動(dòng)；因此取中心線的五個(gè)最高點(diǎn)并計(jì)算一條直線则吟，該直線與圖像的水平軸傾斜 90°槐臀。然后選取中心線上的五個(gè)最低點(diǎn)并擬合一條由這些點(diǎn)組成的直線。當(dāng)魚(yú)彎曲尾巴時(shí)氓仲，第二條線與最初的直線形成一個(gè)傾斜角度峰档。當(dāng)魚(yú)不動(dòng)尾巴時(shí)，這個(gè)角度是180°寨昙，當(dāng)魚(yú)動(dòng)尾巴時(shí)讥巡，角度就減小。因此舔哪，用180°減去這個(gè)角度來(lái)確定尾巴從參考位置偏移了多少欢顷。該減去的值用作尾部拍角。根據(jù)魚(yú)的不同捉蚤，尾部角度的方向也存在偏差抬驴。采取了一個(gè)相對(duì)較大的10秒的移動(dòng)時(shí)間窗口炼七，并對(duì)該窗口內(nèi)的尾部拍動(dòng)角度進(jìn)行平均，以設(shè)置尾部的參考角度布持。在每個(gè)時(shí)間步中豌拙，計(jì)算參考值與尾部拍打角度之間的差值，以獲得實(shí)際的尾部彎曲角度题暖，用于尾部拍動(dòng)頻率的計(jì)算按傅。為了計(jì)算頻率使用尾部拍角的當(dāng)前值和先前的九個(gè)值進(jìn)行傅里葉變換。將計(jì)算出的頻率乘以任意增益常數(shù)作為魚(yú)在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的前進(jìn)速度胧卤，因?yàn)轸~(yú)的速度被認(rèn)為與尾拍頻率具有線性相關(guān)性唯绍。

在顯微鏡下的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)斑馬魚(yú)進(jìn)行GO任務(wù)（主動(dòng)回避）和NO GO任務(wù)（被動(dòng)回避）訓(xùn)練。訓(xùn)練前枝誊，將魚(yú)單獨(dú)放置在1L的水箱中過(guò)夜况芒。在固定到定制的安全帶上并習(xí)慣于系留狀態(tài)后，開(kāi)始呈現(xiàn)來(lái)自四個(gè)顯示器的視覺(jué)刺激叶撒，并開(kāi)始視覺(jué)刺激的適應(yīng)過(guò)程绝骚。該適應(yīng)包括 20次GO/NO GO試驗(yàn)（10次GO試驗(yàn)和10次NO GO試驗(yàn)，隨機(jī)順序）祠够，不施加電擊皮壁。適應(yīng)結(jié)束后開(kāi)始電擊訓(xùn)練。一場(chǎng)訓(xùn)練包括60次GO/NO GO試驗(yàn)哪审。在第一個(gè)、中間和最后20個(gè)試驗(yàn)中以隨機(jī)順序混合了10個(gè)GO和10個(gè)NO GO試驗(yàn)虑瀑。每條魚(yú)進(jìn)行2-5次湿滓，間隔持續(xù)15-20 分鐘，不呈現(xiàn)視覺(jué)刺激舌狗。在尾巴跳動(dòng)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的反饋關(guān)閉的試驗(yàn)間隔內(nèi)叽奥，魚(yú)呈現(xiàn)出帶有黑色條紋的白色背景。在GO試驗(yàn)中痛侍，虛擬空間中魚(yú)附近的背景顏色變?yōu)樗{(lán)色朝氓，魚(yú)前方區(qū)域的背景顏色變?yōu)榧t色。在NO GO試驗(yàn)中主届，近端的顏色變?yōu)榧t色赵哲，遠(yuǎn)端的顏色變?yōu)樗{(lán)色。GO試驗(yàn)的成功定義為通過(guò)尾部跳動(dòng)正確逃逸到紅色區(qū)域君丁，尾部跳動(dòng)在背景顏色變化后10秒內(nèi)啟動(dòng)枫夺。NO GO試驗(yàn)的成功定義為背景顏色變化后10秒內(nèi)紅色區(qū)域中沒(méi)有尾部跳動(dòng)的正確停留。GO試驗(yàn)中的失敗是10秒后在藍(lán)色區(qū)域沒(méi)有尾部跳動(dòng)的停留行為绘闷。NO GO試驗(yàn)的失敗是錯(cuò)誤的向前游動(dòng)橡庞，尾部在 10 秒內(nèi)跳入藍(lán)色區(qū)域较坛。如果試驗(yàn)失敗，則從放置在身體兩側(cè)的兩個(gè)針狀電極發(fā)出電擊（5?V/cm扒最，持續(xù)1秒）丑勤。在一些魚(yú)中，在學(xué)習(xí)了原始規(guī)則后吧趣，與電擊相關(guān)的顏色發(fā)生了逆轉(zhuǎn)法竞。

 圖  虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的GO/NO GO任務(wù)

參考文獻(xiàn)

Torigoe, M., Islam, T., Kakinuma, H. et al. Zebrafish capable of generating future state prediction error show improved active avoidance behavior in virtual reality. Nat Commun 12, 5712 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26010-7