大家好，我是菜編，升大四的暑假我在中研院黃國華老師實驗室實習，目前仍維持每週推進一些進度的步調，研究著斑馬魚的大腦，詳細請見底下連結。以斑馬魚為實驗動物，在學界行之有年，根據研究目標發展出的實驗方法也日新月異，今天想跟大家分享我覺得實驗室裡最酷的技術：給斑馬魚用的3D虛擬實境。
當今最夯元宇宙，連斑馬魚也配一款？
畢業於清華大學的黃國華老師，是菜編的大學長，取得哈佛大學博士學位後，接前往瑞士進行博士後研究，去年回到臺灣，在中研院分生所擔任助研究員，目前隸屬於中研院神經科學研究計畫（NPAS）中。從很久以前開始，斑馬魚就是黃老師鍾愛的模式動物，實驗室目前方向主要側重於社交行為跟相關的神經機轉，另外還有帶自閉症相關基因的斑馬魚研究。不過，在我心裡，實驗室中最獨步全球、最有趣的裝置是給斑馬魚用的3D虛擬實境設備，當魚的頭部被固定在架子，面對投影在螢幕上的影像，竟能表現出跟自然情況下相似的行為。
斑馬魚用的3D虛擬實境設備
魚界楚門，誰來告訴我什麼是真的？
這個研究發布於《nature methods》，屬於頂尖期刊《Nature》底下的子期刊，收錄許多新穎，並具有開創性的實驗方法，每個發明都讓人嘖嘖稱奇！新方法的出現總能解決先前未解的謎團，或能更有效率、更加精準的得到成果。
動物行為研究的難處其一，在於實驗中的不可控性，研究烏賊認知行為將近兩年的我，常常戲稱自己都要「看烏賊的心情吃飯」，因為不只動物的狀態會嚴重影響實驗結果，還有給予刺激時，如播放影片，若動物壓根沒察覺到，那就一點用處都沒有，有些科學家會訓練動物配合實驗進行，然而並非所有物種都能接受訓練，而且受過訓練的個體，可能沒辦法如實表現自然狀態下的行為。
因此，科學家們無不絞盡腦汁，思考有什麼方法能夠呈現自然狀況，同時也方便控制各種變因，此環境即為一例，經過三種影像測試：靜止背景（Empty tank）、動態變化的背景、播放魚群影片，結果發現自由游動的魚（左圖），在空魚缸中會漫無目的繞圈游動，若有同伴的影像出現，因為具群游習性，牠們會朝向魚群游去，在VR環境下（右圖），牠們也會表現相同的行為。
自由活動跟固定狀態下，同種影片仍有強吸引力
在VR系統中，魚群的影片同樣有很強的吸引力，根本是魚版《楚門的世界》。
*後註：因為頭被固定住了，魚只能朝單一方向前進，所以右圖跟左圖並未完全相同，在空缸中魚游去自身正對和背對方向的機率還是有差。
綠光罩頂！閃閃發亮的斑馬魚大腦
固定住魚頭，除了能確保實驗操作的可控性外，還有一個重點：能方便且即時的記錄神經活動，下圖右表現在自由游動時，同時比較尾巴擺動強度（Tail movement intensity），和不同區域神經元活動的結果，以ΔF/F數據化神經活動程度。
左上的一團綠色光點，是由雙光子顯微鏡拍攝輸出，這些實驗魚帶有螢光基因，會表現在神經細胞裡，藉雷射光照射讓它們發亮，發亮表示神經細胞才剛活動，根據影像辨識結果，最後發現幾個區域的表現特別明顯，標記於左下圖中，這些腦區可做為下次執行相關實驗的觀察目標。
行為與神經活動的即時比較
雙光子顯微鏡即時拍攝，行為與神經的關係無所遁形。
一切都剛開始，快來當個大腦革命家！
因為科技進步，《刀劍神域》、《駭客任務》等影視作品中的想像世界，輪廓愈發清晰，越來越多設備讓我們逐漸分不出虛擬跟現實的差別，近期世界對元宇宙的好奇心升高，包含著臉書執行長祖克伯對此題目的強調與願景，虛擬實境（VR, Virtual reality）技術也包含在此夢想藍圖中。
雖然這個技術在其他實驗動物曾有應用，但在斑馬魚上倒是頭一遭，相信會帶來許多突破性的發展，在實驗室裡，菜編感覺自己正在參與一場大腦革命，最近中研院的博士班（國際研究生學程，TIGP）還在招生中，對加入開創研究有興趣的學、碩士畢業生們可以聯絡老師，來認識菜編長什麼樣子吧！
資料來源：
- Huang, KH., Rupprecht, P., Frank, T. et al. A virtual reality system to analyze neural activity and behavior in adult zebrafish. Nat Methods 17, 343–351 (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-020-0759-2
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