人造“身体电路”揭示脊椎动物视觉运动行为的神经结构
作者: aeks | 发布时间: 2025-10-16 21:58 | 更新时间: 2025-10-16 21:58
学科分类: 控制科学与工程 生物医学工程 神经科学 计算机科学与技术
大脑在特定的感知和物理环境中进化，但神经科学传统上侧重于孤立研究神经回路。要理解其功能，需要在真实环境中进行脑-体整合测试。为了研究感觉运动转换的神经和生物力学机制，我们构建了斑马鱼视觉运动反应（一种视觉稳定行为）的真实神经机械模拟（simZFish）。通过计算重现身体力学、身体与水的物理相互作用、流体动力学、视觉环境以及实验得出的神经网络结构，我们精确复制了真实斑马鱼幼鱼的行为。
通过对生物学实验中无法实现的生理和回路连接特征进行系统性操控，我们展示了具身性如何塑造神经活动、回路结构和行为。改变晶状体特性和视网膜连接后，发现后下方视野能驱动simZFish产生最佳视觉运动反应，这解释了真实斑马鱼中观察到的感受野特性。当受到新的视觉刺激时，simZFish预测了先前未知的神经元反应类型，我们通过对真实斑马鱼活体大脑的双光子钙成像识别了这些反应，并将其整合以更新simZFish的神经网络。
在虚拟河流中，simZFish通过将水流诱导的光流模式作为导航线索自主进行趋流行为，补偿模拟水流。最后，物理机器人（ZBot）实验验证了具身感觉运动回路在具有复杂流体动力学和视觉环境的真实河流中维持位置的作用。通过在模拟、行为观察、神经成像和机器人测试之间迭代，本研究展示了整合方法在研究感觉运动处理中的价值，为具身神经回路功能提供了深入见解。