Учёные создали робота-рыбу для изучения работы мозга

Дизайн тела simZFish, вдохновлённый личинкой данио-рерио. Автор: Science Robotics (2025). DOI: 10.1126/scirobotics.adv4408

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Университета Дьюка с помощью симуляций, роботов и живых рыб воссоздали нейронные цепи, позволяющие рыбкам данио-рерио реагировать на зрительные стимулы и удерживать позицию в потоке воды. Это даёт полное представление о том, как мозговые цепи, механика тела и окружающая среда совместно контролируют поведение.

Лаборатория биоробототехники EPFL специализируется на создании биоинспирированных роботов для изучения взаимодействий «мозг-тело». В новом исследовании, опубликованном в Science Robotics, учёные подробно изучили «воплощённость» — то, как тело влияет на восприятие — у личинок данио-рерио.

«Наша симулированная личинка данио-рерио обеспечила виртуальное воплощение, позволив наблюдать её реакцию на симулируемую гидродинамику и визуальные сцены. Затем мы использовали физического робота, чтобы наблюдать эти взаимодействия в реальном мире. Эти связи со средой невозможно изучить с изолированным мозгом в лаборатории», — резюмирует глава лаборатории биоробототехники Ауке Айспирт.

Взгляд рыбы

Благодаря прозрачным телам личинки данио-рерио предоставляют оптический доступ ко всем нейронам, что делает их хорошо изученными модельными организмами.

Нейробиолог Ева Науманн и её команда из Университета Дьюка предоставили архитектуру нейронной сети, полученную из данных визуализации мозга живых рыб в реальном времени. Лаборатория биоробототехники разработала симуляцию, точно воспроизводящую зрительную обработку, механику тела и нейронные цепи данио-рерио — от сетчатки до спинного мозга.

«Было захватывающе, что мы воспроизвели все различные поведения, которые Ева и её команда наблюдали у живых рыб — это говорит о том, что нам удалось провести обратный инжиниринг схем», — говорит Айспирт.

В процессе работы команда обнаружила, что большинство нейронных сигналов, управляющих поведением рыбы, исходят из относительно небольшой части сетчатки. Их симуляция даже предсказала два ранее не идентифицированных типа нейронов.

Для дальнейшей проверки работы постдокторант EPFL Сянсяо Лю построил 80-сантиметрового робота-личинку данио-рерио, оснащённого двумя камерами вместо глаз, моторами для движения хвостовых сегментов и теми же нейронными цепями, что и у симулированной рыбы.

В экспериментах в реке Шамберонн в Лозанне робот смог удержаться от сноса течением даже в условиях естественной среды.

«Появление оптомоторного ответа из наших нейронных цепей значимо, поскольку часть реакции животного на любой стимул случайна. Несмотря на эту случайность, нейронные цепи всё равно сходились к переориентации робота и поддержанию его позиции», — говорит Лю.

Открытая платформа для изучения поведения животных

Лаборатория биоробототехники уже расширяет это исследование для изучения паттернов плавания данио-рерио. Их симуляция и дизайн робота также доступны как инструменты с открытым исходным кодом для исследователей, изучающих зрительно-моторную координацию у рыб и других животных.

«В экспериментах с животными вы можете показать только, какие сенсомоторные механизмы необходимы для функционирования, но не какие достаточны, потому что вы не можете удалить все механизмы, кроме одного, у животных. Здесь мы показали, что одного лишь зрения в принципе достаточно для того, чтобы данио-рерио сохраняли свою позицию, что является сложным и нетривиальным результатом», — подчёркивает Айспирт.