# 教师指南：感觉、神经与动作之间的因果关系

**课时：50 分钟；可缩为 45 分钟，讨论充分时延长至 60 分钟。** 适合已有高中生物基础的学生、大学神经科学入门课和跨专业计算实验课。无需安装 GPU 环境。先确认课堂站的视频和数据可播放，并下载备用工作纸。

## 学习目标

学生结束时应能：

1. 区分真实连接结构、计算动力学和身体辅助控制器。
2. 使用同一记录中的时间、条件和单位描述神经及动作变化。
3. 解释“感觉屏蔽”和“运动读出钳制”阻断的环节为什么不同。
4. 用阴性结果定位后续问题，并给出一个可以被否定的模型假设。

统一介绍用语：**“基于果蝇连接组结构的具身计算模拟。”** 真实的是 FlyWire v783 的连接结构与 ID；LIF、感觉编码、转向增益和步态是有明确假设的模型。它没有重建完整生物大脑、腹神经索或肌肉控制。

## 50 分钟安排

| 时间 | 教师行动 | 学生交付 |
|---|---|---|
| 0–5 分钟 | 展示感觉→神经→读出→身体→感觉的反馈链，说明数据来源 | 写下一条可检验预测 |
| 5–17 分钟 | 直接刺激左、右和双侧 DNa02，先预测再播放 | 比较左右放电与 yaw，写出一个对照 |
| 17–30 分钟 | 比较正常、视觉屏蔽和读出钳制 | 标出改变发生的环节，引用至少两项指标 |
| 30–42 分钟 | 看嗅觉阶跃、下游活动及 DNa02 阴性诊断 | 区分“输入存在”“传播存在”“输出出现” |
| 42–50 分钟 | 展示答案，组织模型边界讨论 | 完成解释、导出 JSON、打印或保存报告 |

45 分钟时每个实验少讨论 1–2 分钟；60 分钟时增加小组互评与研究方案。两人共用一台电脑可以由一人控制播放、一人记录，实验间交换。

## 实验一答案：直接刺激与转向

存档来源为 `artifacts/natural/calibration.json` 中的 `motor_attempts`。三个记录均为 `lif_v3`、10,000 神经元、平地实验室、seed=0、3,000 ms，**神经连接关闭**；目的在于隔离读出和身体映射，而非检验感觉通路。

| 直接刺激 | 左/右 DNa02 spike 数 | 刺激后累计 yaw / rad | 翻倒采样 |
|---|---:|---:|---:|
| 左侧 | 196 / 0 | +5.208981 | 0 |
| 右侧 | 0 / 196 | −5.118719 | 0 |
| 双侧 | 196 / 196 | +0.027542 | 0 |

**合理解释：** 在这一配置中，左右率差能够驱动相反符号的转向；双侧活动接近相等时累计转向较小。yaw 是展开后的累计角度，可能超过一圈，单位为 rad。应依赖符号、坐标说明和俯视轨迹，不能根据相机中身体的左右直接判断。

**不能推出：** DNa02 只有一种真实生物作用、上游视觉/嗅觉必能激活它，或双侧刺激在所有模型中绝对直行。这里的 gain 和辅助步态是模型选择；三次校准不是 10 种子正式统计。

## 实验二答案：正常、视觉屏蔽、读出钳制

固定使用 2026-09-15 `lif_v3` 自然世界 `seed=0`、源位置 Y=+8 mm 的配对记录。源标志可见；镜像位置可能同时改变视觉，因此每次只比较同位置、同种子的条件。

| 条件 | 左/右 DNa02 spike 数 | 刺激后累计 yaw / rad | 源距离变化 / mm | 翻倒采样 / 1000 |
|---|---:|---:|---:|---:|
| 正常 | 16 / 2 | −2.728101 | +19.789778 | 2 |
| 视觉屏蔽 | 0 / 0 | −3.050381 | +7.782517 | 71 |
| 读出钳制 | 4 / 0 | −3.050381 | +7.782517 | 71 |

数据可从 `output/showcase/runs/nature_0_1_<condition>/data.json` 的 `summary` 对照。距离变化是末态减初态；正值表示远离，不是寻源成功。

**合理解释：** 视觉屏蔽阻断编码后的视觉输入，眼部原图仍可变化；读出钳制将神经转向贡献设为零，神经活动仍可能存在。基础步态继续运行，所以屏蔽或钳制后身体不一定静止。钳制改变轨迹，轨迹又改变后续感觉，故闭环里不能要求钳制条件与正常条件的神经活动逐点相同。

两种干预在本例得到相同身体摘要，也不说明它们在计算机制上等价。自然地面 120 次运行中 108 次有翻倒采样，动作指标受到身体稳定性的影响。这个实验能讨论闭环因果，不能据此证明模型符合真实果蝇的视觉行为规律。

## 实验三答案：嗅觉阴性结果怎样解释

独立嗅觉诊断采用固定模型，每次重置；1 s 基线、2 s 一侧嗅觉输入、1 s 恢复，无视觉输入。零浓度保留已映射 ORN 的 5 Hz 基础输入，缺失受体响应保持未知。

| 侧别、浓度 | ORN 最大输入 / Hz | ORN 之外 spike 数（2 s） | 左/右 DNa02 spike |
|---|---:|---:|---:|
| 左，0 | 5.00 | 1559 | 0 / 0 |
| 左，0.1 | 35.50 | 3877 | 0 / 0 |
| 左，1 | 60.45 | 6318 | 0 / 0 |
| 右，0 | 5.00 | 1559 | 0 / 0 |
| 右，0.1 | 35.50 | 3823 | 0 / 0 |
| 右，1 | 60.45 | 5745 | 0 / 0 |

答案依据为 [第三阶段实测报告](../../NATURAL_VALIDATION.md) 的“嗅觉阴性结果定位”及其原始记录。`uniform75` 是额外诊断，不能把它写成默认乙酸乙酯输入。

**合理解释：** 输入率和部分下游活动确实随浓度改变，但这些条件未激活 DNa02；直接 DNa02 刺激能够驱动转向。因此当前有效传播至选定读出的环节值得进一步检查。真实有向路径存在，不保证这组权重、抑制符号、阈值和子网边界能形成输出。

正式闭环 20 个正常−嗅觉屏蔽配对中，19 个距离变化相同；剩余 seed=4、Y=+8 mm 的差值为 −2.863965 mm，正常与屏蔽都仍远离源。它可以作为交互作用线索，不能把单例当作稳定寻源。不能由模型的阴性结果否定真实果蝇嗅觉行为。

## 评分规则（10 分）

| 项目 | 2 分 | 1 分 | 0 分 |
|---|---|---|---|
| 预测 | 明确条件、方向和可被否定结果 | 方向清楚但条件不全 | 看完结果再当作预测 |
| 观察 | 正确引用两项记录，含单位/时间 | 一项正确证据 | 仅凭动作印象 |
| 对照 | 同种子、同位置比较，指出干预环节 | 有对照但混入其他差异 | 不使用对照 |
| 解释 | 区分感觉、传播、读出及辅助步态 | 解释部分环节 | 把连接存在等同于必然行为 |
| 边界与复查 | 说明模型边界并导出可复查记录 | 只说明一项边界 | 宣称已重现完整真实果蝇 |

接受预测失败、零响应和无法下结论的答案，只要证据和解释正确。公开页面的自动分数只能检查选择题或步骤完成；书面解释由教师按上表评阅。