Open-source virtual reality platform for head-fixed adult zebrafish
Dit artikel presenteert een open-source, hoog-resolutie virtuele realiteit-platform voor met de kop gefixeerde volwassen zebravisjes dat real-time, closed-loop gedragsexperimenten en gelijktijdige twee-foton imaging mogelijk maakt, waardoor wordt onthuld hoe visuele oriëntatiepunten locomotie- en houdingreacties aansturen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Om te begrijpen hoe een brein een vloedgolf aan zintuiglijke informatie omzet in een beslissing, moeten wetenschappers vaak de chaos van de echte wereld wegnemen. In de natuur wordt een dier tegelijkertijd gebombardeerd door onvoorspelbare beelden, geluiden en geuren, wat het moeilijk maakt om precies te isoleren welk signaal een specifieke beweging heeft getriggerd. Hier wordt virtuele realiteit een krachtig hulpmiddel. Door een dier in een gecontroleerde, door de computer gegenereerde omgeving te plaatsen, kunnen onderzoekers één klein detail veranderen—zoals het uiterlijk van een rots of de kleur van een muur—terwijl de rest exact hetzelfde blijft. Dit stelt hen in staat om de reactie van het brein en het lichaam op die enkele verandering met precisie te observeren. Hoewel deze aanpak gebruikelijk is voor het bestuderen van kleine, transparante babyvisjes, is het veel moeilijker toe te passen op volwassen vissen, wier hersenen complexer zijn en wier lichamen te groot zijn om gemakkelijk te immobiliseren zonder het zicht op het brein te blokkeren.
Een team onderzoekers in Zwitserland heeft nu een nieuw, open-source systeem gebouwd dat deze problemen voor volwassen zebravisjes oplost. Ze creëerden een opstelling waarin een volwassen vis voorzichtig op zijn plaats wordt gehouden, waarbij de kop stevig is vastgezet, terwijl de staart vrij kan bewegen. De vis zwemt in een kleine tank omringd door een gebogen scherm dat een hoogresolutie, driedimensionale wereld projecteert. Terwijl de vis met zijn staart beweegt, volgen camera's de beweging in realtime, en de computer werkt de scène onmiddellijk bij om overeen te komen met de beweging, waardoor de illusie ontstaat dat de vis door een lange, virtuele gang zwemt. Dit platform is niet alleen een camera en een scherm; het is een compleet laboratorium dat ook licht in het brein van de vis kan schijnen om individuele neuronen te laten vuren, terwijl de vis door deze digitale wereld navigeert.
De onderzoekers gebruikten dit systeem om te zien hoe volwassen zebravisjes reageren wanneer ze een bekend pad plotseling tegenkomen dat verandert. Ze bouwden een lange virtuele gang met natuurlijk ogende texturen op de wanden en de vloer, die doen denken aan een rivierbedding. In sommige proeven was de gang leeg. In andere verscheen er een grote stenen boog in het midden van het pad. Wanneer de vis naar deze boog zwom, veranderde hun gedrag op een zeer specifieische manier. Ze stopten niet of raakten niet in paniek. In plaats daarvan veranderden ze subtiel hun lichaamshouding, waarbij ze hun staart scherper bogen alsof ze zich voorbereidden op een bocht, ook al gingen ze gewoon door met bewegen. Deze reactie gebeurde snel en consistent, wat suggereert dat de vis het landmerk herkende en zich voorbereidde op het navigeren rond het object.
Het team wilde ook weten of de vissen reageerden omdat ze de locatie van de boog herinnerden, of simpelweg omdat ze deze konden zien. Om dit te testen, simuleerden ze "troebel water" door de virtuele wereld een kort stukje voor de vis in de duisternis te laten vervagen. De boog werd zo ver weg geplaatst dat deze onzichtbaar was aan het begin van de zwemtocht. Terwijl de vis naar voren zwom, klaarde het troebele water op en verscheen de boog plotseling. In dit scenario veranderde de vis niet van lichaamshouding. In plaats daarvan vertraagden ze simpelweg op het moment dat het landmerk in zicht kwam. Deze bevinding is significant omdat het aantoont dat de reactie van de vis primair wordt gedreven door wat ze op dat moment zien, in plaats van door een mentale kaart van waar het object zou moeten zijn. Hun gedrag verschilt afhankelijk van of ze verrast worden door een plotseling visueel verschijnsel of navigeren langs een bekend obstakel.
Naast het observeren van de vissen, gebruikten de onderzoekers het systeem om in het brein te kijken. Ze richtten zich op een specifiek gebied dat bekend staat als betrokken bij navigatie en geheugen. Met behulp van een speciale microscoop die diep in het brein kan kijken zonder de vis te beschadigen, bekeken ze individuele zenuwcellen oplichten terwijl de vis zwom. Ze ontdekten dat bepaalde neuronen alleen vuurden wanneer de vis een specifieke plek in de virtuele gang bereikte, wat fungeert als een interne marker voor locatie. Dit bevestigt dat zelfs in een met de kop vastgezette volwassen vis, het brein een gedetailleerde kaart bouwt van de ruimte die het doorkruist. Het feit dat deze cellen actief en precies bleven terwijl de vis in de virtuele wereld zwom, bewijst dat het systeem de natuurlijke functie van het brein niet verstoort.
Het succes van dit project rust zwaar op de snelheid en nauwkeurigheid van de technologie. Het systeem werkt de virtuele wereld zestig keer per seconde bij, een snelheid die snel genoeg is om het natuurlijke zwemritme van de vis bij te houden. Als de computer zelfs maar iets traag zou zijn, zou de vis een vertraging ervaren tussen de beweging van de staart en de veranderende omgeving, wat de illusie zou verbreken en de vis onnatuurlijk zou laten zwemmen. De onderzoekers losten dit op door een aangepast algoritme te gebruiken dat de snelheid en richting van de vis op basis van de staartbewegingen met hoge precisie voorspelt. Ze ontwierpen ook een manier om de videoprojectie te synchroniseren met de hersenimagediagnostiek, zodat de heldere lichten die worden gebruikt om het beeld te projecteren de gevoelige sensoren die in het brein kijken niet storen.
Dit nieuwe platform opent de deur naar het bestuderen van complexe gedragingen bij volwassen vissen die voorheen onmogelijk in dergelijke detailgraad te observeren waren. Volwassen zebravisjes zijn in staat om abstracte regels te leren, sociale interacties te onthouden en problemen op te lossen op manieren die babyvisjes niet kunnen. Door het vermogen om het brein te observeren op het niveau van individuele cellen te combineren met de mogelijkheid om deze complexe gedragingen in een gecontroleerde omgeving te testen, kunnen wetenschappers nu diepere vragen stellen over hoe leren en geheugen werken. Het systeem is ontworpen om gratis gedeeld te worden met andere wetenschappers, zodat de hele onderzoeksgemeenschap deze instrumenten kan gebruiken. Het vertegenwoordigt een stille maar significante stap voorwaarts, waarbij een complexe technische uitdaging is omgezet in een betrouwbaar venster voor het observeren van de innerlijke werking van een denkend brein.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.