鱼是怎么在湍急的河流中保持位置不被冲走的？

这个看似简单的问题，背后涉及极其复杂的神经计算过程。

现在，来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、美国杜克大学等机构的研究人员不仅破解了这个秘密，还造出了一条能在真实河流中游泳的机器鱼。昨日，这项研究登上了全球机器人领域顶刊《Science Robotics》的封面。

这项研究模拟了斑马鱼视觉运动行为的神经回路，他们创建了名为simZFish的虚拟仿真系统，并最终在80厘米长的物理机器人ZBot上实现了验证。

更厉害的是，这套系统不仅能在实验室环境下重现斑马鱼的行为，还能在瑞士Chamberonne河的急流中自主导航，展现出了从实验室到真实世界的泛化能力。

▍复刻斑马鱼视觉-运动神经通路

要理解这项研究的突破性，得先了解斑马鱼的视动反应（Optomotor Response, OMR）。

当水流将鱼向后推时，鱼眼中看到的景物会向前移动。鱼的大脑检测到这种视觉运动后，会控制身体向前游动来补偿位移，从而保持在原地。这个看似简单的行为，实际上涉及复杂的神经计算。

研究团队使用物理引擎Webots构建了simZFis系统，精确模拟了斑马鱼幼体。这个虚拟鱼包含7个身体节段、双目摄像头作为眼睛，以及完整的流体动力学模拟。

但真正的创新在于神经网络架构。研究人员基于大量实验数据，构建了从视网膜到脊髓的完整神经通路：

视觉处理始于模拟的光敏像素，代表斑马鱼视网膜。通过经典的延迟线模型，人工视网膜能计算运动方向。这些信息被四种方向选择性视网膜神经节细胞（DSGCs）处理，它们分别对上、下、前、后四个方向的运动敏感。

接下来是关键的视觉运动整合。DSGCs的信号传递到对侧的早期顶盖前核（ePT），再激活晚期顶盖前核（lPT）神经元。这些神经元形成了8种镜像对称的功能响应类型，共同控制游泳方向。

最后是运动控制回路。lPT神经元连接到后脑（aHB）和内侧纵束核（nMLF），控制游泳的启动和转向。脊髓中的中央模式发生器（CPG）则产生有节奏的尾部摆动。

这个人工神经网络包含了数百个神经元节点和数千个连接，每个参数都基于真实的神经生物学数据。更重要的是，它以1000Hz的频率实时运行，真正实现了感觉-运动的闭环控制。

▍破解鱼眼光学密码

有了这个数字孪生系统，科学家们可以进行在真实动物身上无法实现的实验。

该研究有一个关于鱼眼的光学特性的发现。通过给simZFish装配不同焦距的镜头（90°、120°、150°视角），研究人员发现视角会显著影响神经活动和行为表现。

此外，还有一个关于视网膜连接模式的发现。

起初，研究人员将所有视网膜区域都连接到下游神经元，结果simZFish的表现很差。通过分析虚拟鱼眼中的光流模式，他们发现了问题所在：

当鱼向前游动时，由于透视畸变，后腹侧视野产生的局部光流方向最一致，而其他区域会产生相互抵消的旋转光流。这解释了为什么真实斑马鱼的OMR主要由后腹侧视野驱动。

"如果进化压力倾向于最小化神经连接，这种配置提供了一个有效的解决方案，"研究人员写道。这一发现揭示了身体形态如何塑造神经架构本身。

simZFish还成功预测了此前未知的神经元类型。当用新的视觉刺激测试时，虚拟鱼表现出了与真实斑马鱼不同的行为。这促使研究人员用双光子钙成像技术在活体斑马鱼大脑中寻找，果然发现了对前向和后向运动有不同偏好的神经元亚型。

将这些新发现的神经元类型加入simZFish后，其行为准确性显著提升。

▍机器鱼抗流实测

虚拟仿真的成功只是第一步。真实世界的复杂性远超任何模拟环境——自然河流中有湍流、浑浊的水、变化的光照，这些都是实验室无法完全重现的。

为此，研究团队打造了ZBot——一个80厘米长、2.7公斤重的物理机器鱼。虽然比真实斑马鱼大得多，但ZBot保留了关键特征：侧面的双目相机、分段式身体、以及最重要的——完全相同的神经控制网络。

研究团队也公布了机器鱼在瑞士Chamberonne河的测试。这条河水流速度约0.5米/秒，河床布满岩石，水流模式复杂多变。

实验中，装载OMR神经网络的ZBot能在水流中保持位置的时间，比关闭视觉系统时长57%，比完全不游动被动漂流时长188%。无人机的俯拍视频显示，ZBot能够自主调整航向对抗水流，执行一系列精确的转向动作来维持位置。

ZBot的成功证明了一个重要观点：在理想实验室条件下发现的神经机制，确实能够在真实世界的复杂环境中发挥作用。

这种方法还可以扩展到其他感觉模态，如机械感觉、本体感觉等。未来的simZFish版本可能会整合电子显微镜重建的连接组数据、光遗传学操作结果，甚至使用机器学习技术来优化行为表现。

这项研究不仅加深了我们对大脑如何控制行为的理解，也为设计新一代智能机器人提供了蓝图。通过在仿真、行为观察、神经成像和机器人测试之间迭代，研究团队展示了综合方法研究感觉运动处理的力量。

从一条小小的斑马鱼开始，科学家们正在解开生命最基本的奥秘之一：大脑如何在物理世界中实现智能行为。而这，可能正是通向真正智能机器的必经之路。

论文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adv4408