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腦科學與智能技術卓越創新中心徐春研究組開發場景認知研究的VR平臺

文章來源:腦科學與智能技術卓越創新中心  |  發布時間:2022-11-09  |  【打印】 【關閉

  

  2022118日,《Neuroscience Bulletin》 期刊在線發表了題為A virtual reality platform for context-dependent cognitive research in rodents的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室徐春研究組和溫云卿副研究員,中國科學院自動化研究所劉禹研究組和海軍軍醫大學賀華研究組合作完成。該研究開發了一套由模塊化硬件及自定義軟件組成的高性能VR平臺,為研究嚙齒類動物基于場景認知的復雜行為提供了更為經濟、靈活的工具。 

  插圖制作:陳世碩 

  在日?;顒又?,動物需要不斷認知環境以做出適當的反應,場景信息緊密聯系著方方面面的行為活動,因此對場景認知過程進行研究具有重要意義。而環境場景往往包含了豐富多樣的感官,如何對特定場景進行量化控制和快速切換始終是該領域研究中的難題。 

  虛擬現實(VR)技術在最大限度地操縱場景組成元素、模擬現實世界的同時,能夠兼顧頭部固定的神經活動記錄手段,這為研究嚙齒類動物的場景認知行為提供了巨大的便利。 

  該研究開發了一套高性能VR平臺,其主要硬件構造包括環繞屏幕、跑動滾輪、運動檢測器、神經活動記錄設備及可根據實驗需要組裝的外設功能模塊。通過自定義VR軟件對位置檢測、實時屏幕更新、外設設備觸發及小鼠行為參數的多線程處理,實現快速場景切換及交互沉浸式VR體驗。(圖1) 

  圖1VR原理示意圖。 

  AVR平臺硬件示意圖。(1)數據采集卡,(2)環繞顯示屏,(3arduino調控的功能模塊,(4)主控電腦,(5)神經活動記錄設備,(6)鼠標,(7)滾輪,(8)頭部固定裝置。 

  B.信息傳遞示意圖。 

  C.VR軟件的功能結構模塊示意圖。 

  利用該VR平臺,研究團隊成功訓練小鼠完成了多種依賴場景認知的任務。在場景識別任務中,小鼠在學習后體現出了在特定位置的舔水偏好。并且在該任務中研究人員在小鼠海馬CA1區域記錄到位置細胞發放,驗證了VR系統中的小鼠擁有空間感知能力。(圖2)隨后在場景元素部分缺失或替換的識別任務中,研究人員進一步發現在部分原有元素缺失甚至小比例相反場景元素的替換下小鼠依然能完成整體場景的識別。在場景依賴的延遲匹配任務中,小鼠也體現出了對場景匹配規則的學習,展示了該VR平臺在復雜認知任務中應用的潛力。 

  圖2:場景識別任務的訓練。 

  A.兩種場景識別任務的虛擬空間構成及給水規則示意圖。分別在特定場景中或走廊中進行給水獎勵。 

  B.隨著學習進程在整個虛擬空間內的舔水概率變化示例。 

  C.場景識別任務訓練中的海馬位置細胞展示。(左側,來自4只動物的725個位置細胞。右側,來自3只動物的1054個位置細胞) 

  與以往的實驗用VR設備相比,本研究開發的VR平臺具有高采樣率、高靈活性、操縱簡便、成本低廉的特點。其輕量化的軟件和模塊化的外設功能模塊可針對不同實驗任務的需求進行升級裝配,適用更為廣泛。本研究初步探究了場景中的元素組成在場景識別中的作用,并為更多基于場景的認知行為探究提供了更為便利的工具。 

  中科院腦智卓越中心徐春研究員、中科院自動化研究所劉禹研究員、海軍軍醫大學第三附屬醫院賀華為該論文的共同通訊作者。腦智卓越中心博士研究生曲雪彤和吳近泥以及溫云卿副研究員為該論文的共同第一作者。腦智卓越中心博士后陳龍、助理研究員詹麗杰也對課題做出了重要貢獻。該研究獲得上海市、科技部、中科院、基金委和臨港實驗室的資助。 

       更多實驗室介紹詳見:http://www.cebsit.cas.cn/yjz/xc_/yjfx/

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