Виртуальную реальность освоили насекомые и мыши
Ученые создали специальную установку, на которой мышь фиксируется за голову, при этом у грызуна есть возможность бежать по своеобразной беговой дорожке – шару, который крутится в любую сторону. Движение шара распознается компьютером и позволяет системе понимать, в какую сторону бежит мышь, чтобы сгенерировать соответствующее изображение. Сцена подается на экран в форме тора, охватывающий почти все поле зрения мыши.
Иллюстрация из статьи [Harveyetal., 2009.]
Суть эксперимента в том, что мышь решает навигационную задачу, передвигаясь по виртуальному лабиринту (созданному, кстати, на движке Quake2), в одном из уголков которого спрятана «награда»: когда мышь достигает нужной точки, по трубочке ей подается подкрепление сладкой водой. При этом ученые следят за так называемыми нейронами места (placecells) в гиппокампе благодаря тому, что голова мыши на самом деле неподвижна. Зафиксированная голова позволяет наблюдать за активностью живых нейронов через специальное окно с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Причем для того, чтобы наблюдать клетки именно гиппокампа, пришлось удалить небольшой слой лежащей над ним коры (проделать такую манипуляцию с человеком конечно никто не позволит, это возможно только в редчайших медицинских случаях).
Таким образом, ученые изучают, как клетки нашего мозга позволяют ориентироваться в пространстве всем млекопитающим, а значит не только грызунам, но и нам, людям.
В результате работы установлено: нейроны, отвечающие за навигацию, так называемые gridcells (координатные нейроны), bordercells, headdirectioncells (нейроны направления головы) проявили активность, соответствующую навигации в реальном мире. То есть использование виртуальной реальности для изучения того, как мозг осуществляет навигацию, вполне валидно.
Системы виртуальной реальности для грызунов нашли свое развитие, получая различные модификации: в 2014 похожая виртуальная реальность (VR) для крыс только с коническим экраном была создана так, что крыса еще может поворачиваться на сфере, аппаратура закреплена на голове специальной гибкой «рукой». В данной системе голова грызуна не фиксирована, и поле зрения составляет 360°.[Aronovetal, 2014]
Кажется, что виртуальная реальность для грызуна – это что-то экзотичное, но не спешите с оценочными суждениями, все относительно, вот вам виртуальная реальность для бабочки. Это система для симуляции полета насекомого, которая включает визуальное, ольфакторное, механическое воздействие, а также многоканальную запись нейрофизиологических параметров.[Gray, 2002]
В качестве модельного организма используется Бражник табачный (Manducasexta). Бабочка крепится передней частью (грудью) к подставочке на клей - подопытные насекомые часто одноразовые, таковы уж будни науки. Перед ней стоит экран с визуальной информацией (снова на игровом движке), источник потока воздуха, в который может подаваться феромон – привлекающий самца запах самки. Движения брюшка вправо-влево снимаются оптическим датчиком, это позволяет системе отслеживать, куда насекомое хочет повернуть в полете, и записывать виртуальную траекторию в игровом пространстве для последующего анализа. Виртуальный мир представлен ровной плоскостью с беспорядочно расположенными на ней «подушками» - небольшими препятствиями. Так как отслеживаются только повороты вправо-влево, полет на самом деле происходит в одной плоскости, с постоянной скоростью, примерно соответствующей скорости полета бражника – каждая виртуальная реальность имеет свои ограничения.
Иллюстрация из статьи [Gray, 2002]
В ходе такого эксперимента насекомые показали способность осуществлять навигацию в виртуальном пространстве в ответ на выпуск феромона, и их траектории были подобны траекториям, наблюдаемым в свободном полете. Но просто полетать по виртуальной площадке недостаточно, в брюшную нервную цепь насекомого вводятся зонды для записи активности нейронов его ЦНС.
Другой подход использовал автор из Японии [Sakuma, 2002]. В его установке самец тутового шелкопряда мог свободно ходить по сфере, положение которой компенсировалось так, чтобы в реальности насекомое всегда оставалось наверху. Никакого визуального ряда шелкопряду не предлагалось, вместо этого ему оставалось положиться лишь на обоняние. В ход снова пошли феромоны, максимальный выпуск которых осуществлялся, когда самец направлялся к их виртуальному источнику. Есть еще ряд публикаций о виртуальной реальности для свободно летающих или ползающих насекомых – пчел, пауков, плодовых мушек.
Что же касается приматов, то для них нет необходимости изобретать велосипед заново. Как показали эксперименты, шимпанзе и даже более примитивные макаки-резусы вполне способны принять правила игры и ходить по 3D-лабиринтам с помощью джойстика и обычного плоского экрана. В одном из таких экспериментов по лабиринту были развешены специальные визуальные знаки и, как полагается, в каком-то месте спрятана награда, найти которую можно, если сориентироваться по этим знакам. Шимпанзе показали эффективность на одном уровне с детьми 3-6 лет.
Подытожив, можно с уверенностью сказать, что комплекс приборов, обманывающих органы чувств, можно создать различным образом, для разных видов и разных исследовательских задач.
Технологии виртуальной реальности используются людьми как в мире развлечений, так и для вполне серьезных задач – в инженерии, обучении и т.д. Затронет ли развитие цифрового мира так же широко и животных? Некоторые исследователи говорят, что все возможно. Что ж, выражение «зверь-машина» обретает новый смысл и возможно, скоро VR не только поможет раскрыть тайны мозга и ориентации в пространстве, но и ваш питомец будет иметь возможность поиграть в виртуальном пространстве, пока вас нет дома.
Создание систем виртуальной реальности для животных - это не (только) гиковское развлечение, это еще и актуальное направление на стыке биологии, нейробиологии и инженерии.
Когда люди вовсю уже бегали по виртуальному пространству с винтовкой наперевес, возможность такой навигации по воображаемому миру для других существ была под вопросом. Первыми после человека мир 3D-игр освоили наши братья по разуму и ближайшие родственники на дереве эволюции – шимпанзе. Но о них после.
Резонный вопрос про животных в VR–зачем? Погружение животного в такую систему дает возможность использования диагностического оборудования (энцефалография, invivoмикроскопия) на неподвижном зверьке, который виртуально перемещается по пространству или находится в виртуальной сцене. Так можно изучать, например, работу мозга вживую при решении навигационных задач.
Виртуальная реальность должна создавать эффект погружения в виртуальную сцену, поэтому важно учитывать параметры зрения того вида, для которого система создается. Нюансы вывода визуальной информации очень разные – сравните глаза крысы и глаза мотылька. Кстати, отчасти поэтому шимпанзе первыми освоили виртуальную реальность среди животных: 3D-игры на плоском экране компьютера они, так же как человек, могут воспринимать объемно, так как их зрение несколько сходнос человеческим. А, например, глаза крысы не только смотрят вверх и в стороны, давая охват почти всей верхней полусферы, они еще имеют небольшое наложение полей зрения правого и левого глаза. При этом глаза могут поворачиваться несинхронно, так что один глаз может смотреть вперед, а другой, например, вбок.
Автор: Белла Юрьева, ведущий инженер VE Group
