端到端模型揭秘弱电鱼主动电感知机制:开启生物电感知研究新征程

【字体: 时间:2025年04月24日 来源:Current Biology 8.1

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  弱电鱼能通过自身产生电场的畸变来定位和识别物体,但背后神经计算机制不明。研究人员构建模型生成模拟数据集,训练人工神经网络(ANN)。结果显示,ANN 性能与真实弱电鱼相当且分两阶段运行最佳。这为电感知研究提供新视角,意义重大。

  弱电鱼(Weakly electric fish)通过感知自身产生的电场(electric field)畸变来定位和识别物体。它们能够判断物体的电阻和电容,即便所感知的电场畸变微小且高度依赖物体的距离和大小。然而,支撑这些出色行为能力的神经计算过程却鲜为人知。
研究人员测量了电感受器传入神经(electroreceptor afferents)的反应,并构建了一个基于滤波器的模型,该模型能够精确解释这些反应。同时,研究人员还建立了弱电鱼产生的电场模型,以及不同位置、具有不同电阻和电容的物体所引起的电场畸变模型。将这些模型相结合,为生成大型人工数据集提供了一种精确且高效的方法,可模拟弱电鱼与各种物体的互动情况。

利用这些数据集,研究人员训练了一个人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN),该网络代表电感受器下游的脑区,用于提取物体的三维位置、大小和电学特性。在经过实验测试的行为任务中,该模型的性能与真实弱电鱼相当。如果 ANN 分两个阶段运行,即先估计物体的距离和大小,然后利用这些信息提取电学特性,其性能将达到最佳。

这些结果突出了端到端建模在电感知研究中的潜力,并提出了一种电感知处理中特定形式的模块化,这一模块化形式可通过实验进行验证。

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