斑馬魚GO/NO GO行為實驗

【服務(wù)簡介】

虛擬現(xiàn)實環(huán)境由四塊液晶顯示屏組成來呈現(xiàn)視覺刺激灭红。在這種環(huán)境中侣滩，魚可以沿著由白色、藍色或紅色背景色和垂直于游動方向的黑色條紋組成的一維軌跡游動和停止变擒。尾部運動由網(wǎng)絡(luò)攝像頭捕獲君珠，并進行了一些修改，即將濾光片替換為以避免顯示光的干擾娇斑。尾部采用紅外 LED 燈進行照明策添。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由基于Matlab 等定制程序控制材部。虛擬現(xiàn)實環(huán)境是使用 OMEGA SPACE 軟件創(chuàng)建的，該軟件提供了用于創(chuàng)建虛擬空間的內(nèi)置工具唯竹。當魚被固定在魚缸內(nèi)時乐导，它可以移動尾巴，并且連續(xù)檢測尾巴的拍打頻率以在虛擬空間中引起僅向前的運動浸颓。使用放置在魚缸頂部的攝像頭以及基于 Matlab 計算機視覺工具箱的自定義程序來檢測魚的身體物臂。相機的放置方式使魚的身體沿著相機拍攝的圖像的垂直(Y)軸。對于每個100毫秒的時間幀产上，通過連接圖像每一行中身體的中點來計算沿著身體的中心線棵磷。中心線的上點對應(yīng)于身體的上部。在尾巴彎曲過程中晋涣，所看到的身體的最上面部分沒有移動仪媒；因此取中心線的五個最高點并計算一條直線，該直線與圖像的水平軸傾斜 90°谢鹊。然后選取中心線上的五個最低點并擬合一條由這些點組成的直線规丽。當魚彎曲尾巴時，第二條線與最初的直線形成一個傾斜角度撇贺。當魚不動尾巴時赌莺，這個角度是180°，當魚動尾巴時松嘶，角度就減小艘狭。因此，用180°減去這個角度來確定尾巴從參考位置偏移了多少翠订。該減去的值用作尾部拍角巢音。根據(jù)魚的不同，尾部角度的方向也存在偏差尽超。采取了一個相對較大的10秒的移動時間窗口官撼，并對該窗口內(nèi)的尾部拍動角度進行平均，以設(shè)置尾部的參考角度似谁。在每個時間步中傲绣，計算參考值與尾部拍打角度之間的差值，以獲得實際的尾部彎曲角度巩踏，用于尾部拍動頻率的計算秃诵。為了計算頻率使用尾部拍角的當前值和先前的九個值進行傅里葉變換。將計算出的頻率乘以任意增益常數(shù)作為魚在虛擬現(xiàn)實空間中的前進速度塞琼，因為魚的速度被認為與尾拍頻率具有線性相關(guān)性菠净。

在顯微鏡下的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對斑馬魚進行GO任務(wù)（主動回避）和NO GO任務(wù)（被動回避）訓(xùn)練。訓(xùn)練前，將魚單獨放置在1L的水箱中過夜毅往。在固定到定制的安全帶上并習(xí)慣于系留狀態(tài)后牵咙，開始呈現(xiàn)來自四個顯示器的視覺刺激，并開始視覺刺激的適應(yīng)過程攀唯。該適應(yīng)包括 20次GO/NO GO試驗（10次GO試驗和10次NO GO試驗霜大，隨機順序），不施加電擊革答。適應(yīng)結(jié)束后開始電擊訓(xùn)練战坤。一場訓(xùn)練包括60次GO/NO GO試驗。在第一個残拐、中間和最后20個試驗中以隨機順序混合了10個GO和10個NO GO試驗途茫。每條魚進行2-5次，間隔持續(xù)15-20 分鐘溪食，不呈現(xiàn)視覺刺激囊卜。在尾巴跳動對虛擬現(xiàn)實的反饋關(guān)閉的試驗間隔內(nèi)，魚呈現(xiàn)出帶有黑色條紋的白色背景错沃。在GO試驗中栅组，虛擬空間中魚附近的背景顏色變?yōu)樗{色，魚前方區(qū)域的背景顏色變?yōu)榧t色枢析。在NO GO試驗中玉掸，近端的顏色變?yōu)榧t色，遠端的顏色變?yōu)樗{色醒叁。GO試驗的成功定義為通過尾部跳動正確逃逸到紅色區(qū)域司浪，尾部跳動在背景顏色變化后10秒內(nèi)啟動。NO GO試驗的成功定義為背景顏色變化后10秒內(nèi)紅色區(qū)域中沒有尾部跳動的正確停留把沼。GO試驗中的失敗是10秒后在藍色區(qū)域沒有尾部跳動的停留行為啊易。NO GO試驗的失敗是錯誤的向前游動，尾部在 10 秒內(nèi)跳入藍色區(qū)域饮睬。如果試驗失敗租谈，則從放置在身體兩側(cè)的兩個針狀電極發(fā)出電擊（5?V/cm，持續(xù)1秒）捆愁。在一些魚中割去，在學(xué)習(xí)了原始規(guī)則后，與電擊相關(guān)的顏色發(fā)生了逆轉(zhuǎn)牙瓢。

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

參考文獻

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