Крысы поиграли в Doom в виртуальной реальности. И получили сладкую награду за прохождение уровней

Венгерские инженеры-энтузиасты собрали систему виртуальной реальности, которая позволяет крысам играть в культовый ретро-шутер Doom. Установка состоит из всенаправленной беговой дорожки в виде шара, на котором располагается зафиксированный грызун. Перед глазами животного находится миниатюрный панорамный дисплей, а также рычаг для стрельбы. За успешные действия в игре, например, за движение к выходу или попадание в монстра, крыса получает награду в виде капли сладкой воды. Чертежи, программное обеспечение проекта, а также инструкция по сборке опубликованы в открытом доступе.

Системы виртуальной реальности все чаще используют не только для развлечений, но и в научных исследованиях, например, для изучения особенностей поведения животных. Поскольку надеть VR-шлем на голову мухе или мыши проблематично, ученые обычно используют панорамные экраны, окружающие животное, а его движения ограничиваются бегом на шаре или беговой дорожке. Такие системы позволяют симулировать условия, невозможные в реальности, и получать ценные данные о работе мозга.

В последние годы появилось несколько подобных исследований. Например, ученые из Германии и Австрии разработали систему FreemoVR, напоминающую голодек — голографическую комнату из сериала «Звездный путь». Животное внутри системы могло свободно перемещаться по арене, а камеры в реальном времени отслеживали его положение и подстраивали проецируемое на стены «комнаты» изображение. Еще одна группа исследователей создала миниатюрные VR-очки, которые крепятся непосредственно перед глазами мыши, обеспечивая животному максимальный эффект погружения в виртуальную реальность. Однако большинство таких систем — это сложные и дорогие лабораторные установки, предназначенные для решения научных задач.

Венгерский нейробиолог Виктор Тот (Viktor Tóth) совместно с инженером Шандором Макрой (Sándor Makra) решили сделать VR-системы для животных более доступными для постройки энтузиастами и разработали открытую VR-платформу для крыс на примере видеоигры Doom. Все чертежи и инструкции по сборке они опубликовали в свободном доступе.

В основе системы — большой 40-сантиметровый шар из пенопласта, покрытый жидкой резиной, который свободно вращается и играет роль всенаправленной беговой дорожки. Грызун закрепляется в специальной упряжи на вершине шара и может бегать по его поверхности, вращая шар во всех направлениях. Установленные вокруг шара оптические сенсоры считывают это вращение и преобразуют его в команды перемещения персонажа в игре. Для визуализации используется небольшой изогнутый панорамный Full HD AMOLED-экран, который охватывает поле зрения животного на 180 градусов по горизонтали и на 80 градусов по вертикали, обеспечивая эффект погружения.

В качестве игрового окружения выбран модифицированный вариант классического шутера Doom. Крыса обучается бегать по коридорам уровня, встречая на пути врагов. Чтобы «выстрелить», животное должно приподняться на задних лапах и нажать на рычаг, расположенный перед ним. Успешное действие — уничтожение монстра или прохождение определенного участка — вознаграждается порцией подслащенной воды, которая подается через трубку прямо ко рту. Система автоматизирована: компьютер отслеживает игровые события и управляет подачей награды. Для имитации столкновений с препятствиями предусмотрена система подачи воздушных потоков на вибриссы.

Вся система управляется с помощью персонального компьютера и одноплатного компьютера Raspberry Pi. На ПК запускается модифицированная версия игры ViZDoom и управляющий скрипт на Python, который обрабатывает данные сенсоров и игровую логику. Raspberry Pi в реальном времени считывает показания датчиков, а также управляет моторами и системой подачи вознаграждения. Шар помимо отслеживания движений крысы в режиме свободного вращения может также принудительно приводиться в движение моторами. Эта функция используется для обучения: система может вести животное по нужному маршруту и выдавать вознаграждение, помогая ему установить связь между движением, стрельбой по демонам и наградой.

В ходе экспериментов три крысы по кличке Тодд, Кодзима и Гейб успешно прошли этап привыкания к установке, который занял около двух недель для каждой. Они научились самостоятельно бегать по коридору и нажимать на рычаг. Полноценный цикл обучения сложным действиям, однако, провести не удалось, так как, по словам автора, крысы к тому моменту уже переросли подходящий для экспериментов возраст. Однако начальные результаты подтвердили работоспособность VR-системы.

VR-системы используют не только для изучения поведения млекопитающих. Например, ученые из Индии и Германии разработали арену виртуальной реальности для насекомых. С ее помощью они исследовали поисковое поведение двукрылых насекомых в условиях, близких к естественным.

Источник