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徐春研究组开发场景认知研究的VR平台

发布时间:2022-11-09

  2022118日,《Neuroscience Bulletin 期刊在线发表了题为《A virtual reality platform for context-dependent cognitive research in rodents》的研究论文,该研究由澳门新威斯人网站、神经科学国家重点实验室徐春研究组和温云卿副研究员,中国科学院自动化研究所刘禹研究组和海军军医大学贺华研究组合作完成。该研究开发了一套由模块化硬件及自定义软件组成的高性能VR平台,为研究啮齿类动物基于场景认知的复杂行为提供了更为经济、灵活的工具。 

  插图制作:陈世硕 

  在日常活动中,动物需要不断认知环境以做出适当的反应,场景信息紧密联系着方方面面的行为活动,因此对场景认知过程进行研究具有重要意义。而环境场景往往包含了丰富多样的感官,如何对特定场景进行量化控制和快速切换始终是该领域研究中的难题。 

  虚拟现实(VR)技术在最大限度地操纵场景组成元素、模拟现实世界的同时,能够兼顾头部固定的神经活动记录手段,这为研究啮齿类动物的场景认知行为提供了巨大的便利。 

  该研究开发了一套高性能VR平台,其主要硬件构造包括环绕屏幕、跑动滚轮、运动检测器、神经活动记录设备及可根据实验需要组装的外设功能模块。通过自定义VR软件对位置检测、实时屏幕更新、外设设备触发及小鼠行为参数的多线程处理,实现快速场景切换及交互沉浸式VR体验。(图1 

  1:VR原理示意图。 

  AVR平台硬件示意图。(1)数据采集卡,(2)环绕显示屏,(3arduino调控的功能模块,(4)主控电脑,(5)神经活动记录设备,(6)鼠标,(7)滚轮,(8)头部固定装置。 

  B.信息传递示意图。 

  C.VR软件的功能结构模块示意图。 

  利用该VR平台,研究团队成功训练小鼠完成了多种依赖场景认知的任务。在场景识别任务中,小鼠在学习后体现出了在特定位置的舔水偏好。并且在该任务中研究人员在小鼠海马CA1区域记录到位置细胞发放,验证了VR系统中的小鼠拥有空间感知能力。(图2)随后在场景元素部分缺失或替换的识别任务中,研究人员进一步发现在部分原有元素缺失甚至小比例相反场景元素的替换下小鼠依然能完成整体场景的识别。在场景依赖的延迟匹配任务中,小鼠也体现出了对场景匹配规则的学习,展示了该VR平台在复杂认知任务中应用的潜力。 

  2:场景识别任务的训练。 

  A.两种场景识别任务的虚拟空间构成及给水规则示意图。分别在特定场景中或走廊中进行给水奖励。 

  B.随着学习进程在整个虚拟空间内的舔水概率变化示例。 

  C.场景识别任务训练中的海马位置细胞展示。(左侧,来自4只动物的725个位置细胞。右侧,来自3只动物的1054个位置细胞) 

  与以往的实验用VR设备相比,本研究开发的VR平台具有高采样率、高灵活性、操纵简便、成本低廉的特点。其轻量化的软件和模块化的外设功能模块可针对不同实验任务的需求进行升级装配,适用更为广泛。本研究初步探究了场景中的元素组成在场景识别中的作用,并为更多基于场景的认知行为探究提供了更为便利的工具。 

  澳门新威斯人网站徐春研究员、中科院自动化研究所刘禹研究员、海军军医大学第三附属医院贺华为该论文的共同通讯作者。澳门新威斯人网站博士研究生曲雪彤和吴近泥以及温云卿副研究员为该论文的共同第一作者。澳门新威斯人网站博士后陈龙、助理研究员詹丽杰也对课题做出了重要贡献。该研究获得上海市、科技部、中科院、基金委和临港实验室的资助。 

       更多实验室介绍详见:/yjz/xc_/yjfx/

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