基于头戴式眼动追踪的狨猴自由活动中的视觉研究
灵长类动物自由活动中的视觉行为研究：创新眼动追踪系统的开发与应用
学术背景
视觉系统是灵长类动物神经系统中最被深入研究的领域之一，尤其是在大脑皮层中的视觉通路机制方面。然而，目前关于灵长类动物在真实世界环境中自由活动和探索时的视觉功能的研究却非常有限。这一研究空白主要是由于缺乏能够在自由活动的个体中精确、快速、高分辨率地追踪眼动轨迹的技术。传统的研究方法通常需要在实验室环境中对动物进行头部固定，这限制了对动物在自然行为中视觉系统的理解。因此，开发一种能够在不限制动物自由活动的情况下精确记录眼动轨迹的技术，成为了一个重要的研究方向。
论文来源
这篇题为“Active vision in freely moving marmosets using head-mounted eye tracking”的研究论文由Vikram Pal Singh、Jingwen Li、Kana Dawson、Jude F. Mitchell和Cory T. Miller共同完成。作者分别来自University of California San Diego（加利福尼亚大学圣迭戈分校）和University of Rochester（罗切斯特大学）。该研究于2025年2月3日发表在《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊上。
研究流程
创新眼动追踪系统的开发
为了研究灵长类动物在自由活动中的视觉行为，研究团队开发了一种名为“Cerebro”的无线头戴式眼动追踪系统。该系统由两个主要模块组成：头戴模块和背包模块。头戴模块包括一个固定在动物头部的摄像头组件，用于记录动物的眼动轨迹和前方场景。背包模块则包含用于同步摄像头、采集图像和存储数据的电子设备。整个系统的重量约为60克，对动物的活动影响极小。
为了解决自然环境中光照变化对眼动追踪的干扰，研究团队还开发了一种基于人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）的瞳孔检测算法。该算法使用了一个名为U-Net的语义分割网络，能够在不同光照条件下准确地检测动物的瞳孔位置。
实验对象与方法
研究使用了两种年幼的普通狨猴（marmosets）作为实验对象，分别在头部固定和自由活动两种不同状态下进行实验。在头部固定状态下，动物被固定在椅子上，并通过屏幕呈现视觉刺激，如闪烁的点或漂移的光栅，以研究其视觉神经元的调谐特性。在自由活动状态下，动物被放置在一个开放的矩形场地中，可以自由移动并探索环境。通过Cerebro系统记录动物的眼动轨迹、头部运动和身体运动。
为了验证系统的准确性，研究团队还进行了校准实验。在头部固定状态下，动物被要求在屏幕上注视不同位置的狨猴面部图像，以校准眼动追踪系统。在自由活动状态下，研究人员使用激光在屏幕上绘制几何图形，模拟动物在自然环境中的视觉目标，以评估系统的精度。
数据分析
研究通过分析眼动轨迹、头部运动和身体运动的数据，量化了动物在自由活动状态下的视觉行为特性。特别是，研究团队关注了动物在两种行为状态下的视觉稳定性：一种是动物在固定位置上扫描环境（stationary），另一种是动物在场地中移动（locomotion）。通过计算眼动和头部运动的相关系数，研究团队评估了前庭眼动反射（vestibulo-ocular reflex，VOR）在视觉稳定性中的作用。
主要结果
眼动追踪系统的性能
Cerebro系统在头部固定状态下的眼动追踪精度达到了0.05度，与传统的头部固定眼动追踪系统（如Arrington眼动仪）相当。在自由活动状态下，系统的中位误差也保持在1度以内，证明了其在自然环境中应用的可行性。视觉行为特性
在自由活动状态下，狨猴的眼动范围显著大于头部固定状态，表明头部固定状态下的眼动范围更多是一种运动偏好，而非生理限制。此外，尽管在自由活动状态下动物的头部和眼动幅度增加，但其视觉稳定性并未下降，尤其是在运动状态下，视觉稳定性甚至有所提高。这一结果表明，动物在运动过程中通过增加前庭眼动反射的增益来维持视觉稳定性。前庭眼动反射的作用
研究显示，前庭眼动反射在自由活动状态下发挥了重要作用，尤其是在动物运动时，眼动与头部运动呈负相关，帮助抵消头部运动对视网膜稳定性的影响。这一机制在灵长类动物的自然视觉行为中起到了关键作用。
结论
该研究通过开发创新的头戴式眼动追踪系统，首次在自由活动的狨猴中量化了视觉行为和神经活动。研究结果表明，灵长类动物在自然状态下通过协调头部和眼动来维持视觉稳定性，尤其是在运动状态下，视觉系统的预测性和稳定性显著提高。这一发现不仅深化了我们对灵长类动物视觉系统的理解，还为未来研究自然行为中的神经机制提供了重要的技术和方法支持。
研究亮点
- 技术创新：Cerebro系统是首个能够在自由活动的灵长类动物中进行高精度眼动追踪的设备，解决了传统方法在自然环境中应用的局限性。
- 科学价值：研究揭示了灵长类动物在自由活动状态下的视觉行为特性，特别是前庭眼动反射在视觉稳定性中的关键作用。
- 应用前景：该系统可用于研究其他灵长类动物或人类在自然状态下的视觉行为，具有广泛的应用潜力。
其他有价值的信息
研究团队还计划利用该系统进一步研究狨猴的社会感知及其神经机制，特别是在自然环境中，视觉系统如何与其他感觉系统协同工作。此外，该系统也为研究其他动物（如小鼠和大鼠）的自然视觉行为提供了新的技术手段。
通过这项研究，我们不仅能够更好地理解灵长类动物的视觉系统，还为未来的神经科学研究开辟了新的方向。