面向多样陆地脊椎动物的开源自由活动眼动系统揭示蜥蜴状态依赖性视觉获取机制

《PLOS Biology》：An open-source eye-tracking system adaptable to diverse terrestrial vertebrates reveals state-dependent visual acquisition in lizards

　　

： 眼跳（saccade）等注视转移行为是视觉探索与加工的基础，然而实证认知长期受限于少数模式物种，制约了对跨动物类群视觉获取普遍规律的理解。研究人员提出一种通用、低成本、开源的框架，用于小型自由活动动物的眼动测量。该系统依托摄影测量（photogrammetry）、三维建模与3D打印，生成可适配不同头-眼几何结构的头载装置（headmount），并在蜥蜴、龟与小鼠中完成验证。以高视觉 acuity 的侧向眼变温动物 Pogona vitticeps 为对象的高分辨率记录显示，其具备丰富眼动功能谱：运动学特征与灵长类扫视主序列（main sequence）高度相似；既存在与头部运动耦合的双眼大振幅扫视并呈现显著轴向偏置，也存在各向同性单眼小扫视，提示局部细节采样能力。视觉获取策略与行为状态强耦合：活跃采样期（3–5 Hz 扫视）与持续数秒的眼部静止期交替出现，构成区别于内温模式物种的自然获取模式；且活跃状态伴随瞳孔收缩，趋势与哺乳动物相反而近似鸟类。该实验路径为跨陆地脊椎动物自然视觉获取的比较研究提供可行平台，对理解视觉生态功能与演化轨迹具关键意义。

论文解读

研究背景与问题提出

视觉获取研究长期依赖头部固定范式与少数内温模式物种，自然条件下眼、头、身体协同被割裂，限制了对跨类群视觉采样通用原则的认识。既有小型动物眼动系统多针对特定物种、锚定位固定，难以迁移至头型宽扁、眼位侧置的蜥蜴或会缩头的龟类。非鸟类爬行动物中量化眼动数据极度匮乏，蜥蜴仅见捕食取向研究，缺乏自由行为下扫视统计与状态依赖分析。因此，亟需一种可跨物种、低干扰、开源的头部自由眼动记录方案。

研究人员开展的工作与核心结论

研究人员开发基于摄影测量与3D打印的个性化头载双目红外（IR）眼动系统，在 Pogona vitticeps、Trachemys scripta elegans 与 Mus musculus 中完成自由活动记录。以鬃狮蜥为核心模型，研究人员发现其具备复杂动眼功能谱：扫视峰值速度与振幅呈近似线性主序列关系；存在头部耦合的双眼大扫视（具轴向偏置）与静止期单眼小扫视（各向同性）；行为状态决定时间动态——活跃期高频采样、安静期眼部静止可达数十秒；瞳孔在活跃态收缩、安静态扩张，极性与哺乳动物相反。该系统为比较视觉演化提供通用工具。

主要关键技术方法

研究采用摄影测量重建个体头部三维网格，于计算机辅助设计（CAD）中虚拟拟合单件式头载装置，集成微型IR相机、940 nm反射镜与IR-LED，通过树莓派采集640×480@60 fps视频；以DeepLabCut（基于深度学习的姿态估计工具）标定点瞳，椭圆拟合推导方位角φ与仰角θ；头动由植入式加速度计经Open Ephys同步；样本队列为5只鬃狮蜥、2只红耳龟与1只C57BL/6小鼠。

研究结果

系统设计与适配性

通过摄影测量扫描与虚拟装配，研究人员实现可复现的眼-机几何。单件式头载在蜥蜴、龟、小鼠均获低抖动（中位约1像素）与长时记录，证明跨头型适配可行。

P. vitticeps自由行为中的眼动功能谱

重建双眼注视向量后，研究人员识别共轭、散开、会聚、不等同与单眼扫视。扫视速度曲线呈典型加速-峰值-减速；振幅-峰速关系斜率约0.021 °/ms，接近灵长类主序列。单眼扫视幅度更小且方向各向同性，双眼并发扫视具主轴偏置，提示两套获取模式并存。

行为状态调控时间动态与瞳孔

长时记录显示双相时间结构：活跃态扫视率3–5 Hz，安静态低于1 Hz且可出现数十秒无眼动间隔。瞳孔直径状态依赖反转——活跃态收缩、安静态扩张，且左右瞳偶发解耦，不同于哺乳类的觉醒性扩瞳。

讨论与结论翻译

研究人员指出，该系统以摄影测量+个性化3D打印打破物种几何壁垒。鬃狮蜥扫视主序列、轴向偏置与单眼独立性，既保留羊膜动物保守机制，又体现侧眼物种特异采样策略；其双相时间结构与瞳孔状态反转提示变温动物视觉获取受代谢与状态强烈调制。跨类群比较显示，快速状态相关瞳孔调整可能是蜥蜴-鸟类（sauropsid）共有特征。综上，扩展自由活动眼动追踪至爬行动物，可提炼保守获取策略与特化机制，为理解视觉生态功能及演化路径提供多视角框架。