Вчені створили нову експериментальну модель з даніо-реріо. Вона дозволяє реєструвати поведінку і активність окремих нейронів риб, які знаходяться у віртуальній реальності. Незважаючи на те, що голова тварин була зафіксована, а замість природного середовища вони плавали в симуляції, даніо-реріо вели себе так само, як і в звичайному акваріумі. У мозку риб дослідники виявили групу нейронів, які активувалися при неспівпадінні зорових стимулів з рухами тварин. Стаття опублікована в журналі.
Віртуальна реальність - зручний інструмент для вивчення поведінки і процесів, що відбуваються в мозку. З одного боку, дослідження проходять в обстановці, схожій на природну, а з іншого - можна регулювати параметри середовища і створювати сценарії того, що відбувається. Крім того, при використанні штучної реальності тварину можна обмежити в русі, а в таких умовах мозок набагато простіше вивчати оптичними і електрофізіологічними методами.
Вищі функції мозку засновані на активності різних популяцій нервових клітин, яку можна візуалізувати за допомогою сучасних оптичних методів. Однак у тварин з великим мозком доступна тільки його поверхня, і побачити нейрони, які розташовуються в глибині, неможливо. Тому зручним модельним організмом є даніо-реріо - маленькі риби (2,5-4 сантиметри в довжину). Вони прозорі навіть на дорослих стадіях розвитку, тому активність їх нервових клітин можна досліджувати за допомогою оптичних методів.
Група вчених під керівництвом Хуан Ко-Хуо (Kuo-Hua Huang) з Інституту біомедичних досліджень імені Фрідріха Мішера створила модель дослідження поведінки і нейронної активності даніо-реріо у віртуальній реальності. Експериментальна камера являла собою акваріум з панорамним екраном, на якій проектувалося 3D зображення. Риби бачили круглу арену, до якої примикало два прямокутних відсіки. Віртуальні стіни були покриті камінням і рослинами; поле огляду становило 180 градусів. Щоб знерхнути голову риб, до їх черепу з двох боків приклеїли кріплення, за допомогою яких тварину можна було фіксувати в установці. Хвіст не був закріплений, і його коливання реєструвалися відеокамерою.
Для повної реалістичності віртуальної реальності проектована картинка координувалася з рухами риби в реальному часі з частотою 50 Герц. Якщо хвіст гойдався симетрично, то відео імітувало рух вперед: злегка зміщувалося вліво і вправо синхронно з рухами риби. Якщо ж тварина намагалася повернути, то і віртуальна реальність змінювалася відповідним чином. Пересування даніо-реріо в штучному середовищі були обмежені невидимими стінками, які не давали рибі виплисти за межі центральної зони.
Вчені тестували реакцію риб на різні стимули: в одному з відсіків віртуальної камери з'являлася зграйка з трьох даніо-реріо або три вертикальних чорних еліпса такого ж розміру (для порівняння відгуку на сородичів і на абстрактні форми). Другий відсік залишався порожнім.
Дослідники також перевірили гіпотезу про зв'язок нейронної активності з прогностичними здібностями тварин. Передбачається, що мозок створює моделі навколишнього світу, згідно з якими він прогнозує деякі закономірності або події. Якщо дійсність не відповідає припущенням, в мозок надходять сенсорні стимули, які говорять про помилку, і модель коригується. Для того, щоб детектувати нейронну активність, пов'язану з сигналом помилки, дослідники інвертували відео в момент його узгодження з поворотами риб. Наприклад, коли даніо-реріо намагалася повернути направо, віртуальне середовище змінювалося так, як ніби тварина ухилилася вліво.
Реєстрували не тільки поведінку риб, а й активність окремих нейронів їхнього мозку. Для цього в клітинах трансгенних даніо-реріо були присутні флуоресцентні білки, які змінювали параметри свого світіння при взаємодії з кальцієм. Поява іонів цього металу супроводжує активацію нейронів, що дослідники і спостерігали за допомогою двофотонного лазерного мікроскопа.
У віртуальному середовищі даніо-реріо плавали по арені колами, як і не обмежені в русі риби в природних умовах. Якщо в одному з відсіків з'являлося зображення інших риб, тварини переставали плавати по колу і переміщалися якомога ближче до сородичів. На чорні еліпси даніо-реріо реагували невеликим зміщенням своєї траєкторії в бік відсіку, проте не переставали рухатися колами. У новій моделі риби демонстрували характерну дослідницьку поведінку, яка не порушилася ні фіксацією голови, ні віртуальною реальністю.
Коли експериментатори інвертували поворот середовища щодо руху риб, даніо-реріо реагували певним набором коливань хвоста: спочатку намагалися повернутися навколо своєї осі, а потім починали активно звивати тіло. Між початком неправильного зміщення відео і відповіддю тварин проходило від однієї до чотирьох секунд, протягом якого риби рухалися як зазвичай.
У відповідь на десинхронізацію відео збільшувалася активність у 12 відсотках реєстрованих нейронів кінцевого мозку. У значній частці цих клітин збудження виникало до початку рухової реакції на інвертований поворот зорових орієнтирів. Нейронна відповідь не була пов'язана зі зміною моторної діяльності риб, і автори роботи припустили, що активність - це і є сигнал помилки, а затримка реакції викликана тим, що мозок обробляє інформацію про невідповідність реальності прогнозу.
Модель, яку розробили і протестували в цій роботі, можна використовувати для дослідження широкого кола питань, пов'язаних з поведінкою, в тому числі його складними формами, а також розвитком і функціонуванням нейронних мереж.
Даніо-реріо - улюблена тварина біологів для вивчення поведінки. Для спостереження за реакцією страху їх лякали рибами-роботами (і не раз), давали їм поспілкуватися зі штучними сородичами, а ще викликали у них наркотичну залежність.