美国西北大学的研究人员为老鼠开发了一种新的虚拟现实(VR)眼镜。
除了可爱之外，这些微型护目镜还为生活在实验室环境中的老鼠提供了更身临其境的体验。通过更逼真地模拟自然环境，研究人员可以更准确、更精确地研究行为背后的神经回路。
目前最先进的护目镜只是在鼠标周围放上电脑或投影屏幕，与之相比，这种新型护目镜在技术上实现了飞跃。在目前的系统中，老鼠仍然可以从屏幕后面看到实验室环境，而屏幕的平面特性无法传达三维(3D)深度。另一个缺点是，研究人员无法轻易地在老鼠头上安装屏幕来模拟头顶上的威胁，比如若隐若现的猛禽。
新的VR眼镜绕过了所有这些问题。而且，随着虚拟现实的日益普及，护目镜还可以帮助研究人员收集新的见解，了解人类大脑如何适应和应对反复的虚拟现实暴露——这是一个目前知之甚少的领域。
这项研究将于周五(12月8日)发表在《科学》杂志上。这标志着研究人员首次使用虚拟现实系统来模拟头顶上的威胁。
该研究的资深作者、西北大学的丹尼尔·多姆贝克说:“在过去的15年里，我们一直在为老鼠使用VR系统。”到目前为止，实验室一直在使用大型电脑或投影屏幕来包围动物。对人类来说，这就像在客厅里看电视一样。你还能看到你的沙发和墙壁。你周围有线索，告诉你你不在场景中。现在想想戴上虚拟现实眼镜，比如Oculus Rift，它占据了你的整个视野。除了投影的场景，你什么也看不见，每只眼睛都投射出不同的场景来创建深度信息。这是老鼠所缺少的。”
多姆贝克是西北大学温伯格艺术与科学学院的神经生物学教授。他的实验室在开发基于vr的系统和用于动物研究的高分辨率激光成像系统方面处于领先地位。
VR的价值
尽管研究人员可以在自然界中观察动物，但当动物与现实世界接触时，要对其实时大脑活动模式进行成像是非常困难的。为了克服这一挑战，研究人员将VR集成到实验室环境中。在这些实验设置中，动物使用跑步机在投影到周围屏幕上的虚拟迷宫等场景中导航。
通过将老鼠固定在跑步机上，而不是让它在自然环境或物理迷宫中奔跑，神经生物学家可以在老鼠穿越虚拟空间时使用工具来观察和绘制大脑。最终，这有助于研究人员掌握激活的神经回路如何在各种行为中编码信息的一般原理。
“虚拟现实基本上再现了真实的环境，”多姆贝克说。“我们在这个虚拟现实系统上取得了很大的成功，但动物们可能不像在真实环境中那样沉浸其中。要让老鼠注意屏幕，而忽略周围的实验室，需要进行大量的训练。”
引入iMRSIV
随着硬件小型化的最新进展，多姆贝克和他的团队想知道他们是否可以开发出更逼真地复制真实环境的VR护目镜。使用定制设计的镜片和微型有机发光二极管(OLED)显示器，他们创造了紧凑型护目镜。
该系统被称为微型啮齿动物立体照明VR (iMRSIV)，由两个透镜和两个屏幕组成——头部两侧各一个，分别照亮每只眼睛，以获得3D视觉。这为每只眼睛提供了180度的视野，使鼠标完全沉浸其中，而不受周围环境的影响。
与人类的VR护目镜不同，iMRSIV(发音为“沉浸式”)系统不会缠绕在鼠标的头上。取而代之的是，护目镜被固定在实验装置上，紧靠在老鼠脸的正前方。因为鼠标在跑步机上跑步，所以护目镜仍然覆盖着鼠标的视野。
“我们设计并制造了一个定制的护目镜支架，”多姆贝克实验室的博士后研究员、该研究的第一作者之一约翰·伊萨(John Issa)说。“整个光学显示器——屏幕和镜头——环绕着鼠标。”
减少培训时间
通过绘制老鼠的大脑图谱，多姆贝克和他的团队发现，戴护目镜的老鼠的大脑活动方式与自由活动的动物非常相似。而且，在并排比较中，研究人员注意到，戴着护目镜的老鼠比戴着传统VR系统的老鼠更快地融入到场景中。
“我们经历了与过去相同的训练模式，但戴上护目镜的老鼠学得更快，”多姆贝克说。“在第一次训练后，他们可能已经完成了任务。他们知道该往哪里跑，并寻找合适的地方获得奖励。我们认为它们实际上可能不需要那么多的培训，因为它们可以以更自然的方式融入环境。”
首次模拟开销威胁
接下来，研究人员使用护目镜来模拟头顶上的威胁——这在以前的系统中是不可能的。由于用于成像技术的硬件已经安装在鼠标上方，因此没有地方安装计算机屏幕。然而，老鼠头顶上的天空是动物们经常寻找重要信息的地方，有时是生死攸关的信息。
多姆贝克实验室的研究专家、共同第一作者多姆·平克(Dom Pinke)说:“老鼠视野的顶部非常敏感，可以从上面探测到捕食者，就像鸟一样。”“这不是一种习得的行为;这是一种根深蒂固的行为。它存在于老鼠的大脑内部。”
为了制造一种迫在眉睫的威胁，研究人员在护目镜的顶部和老鼠视野的顶部投射了一个黑色的、膨胀的圆盘。在实验中，老鼠在注意到圆盘后，要么跑得更快，要么一动不动。这两种行为都是对开销威胁的常见响应。研究人员能够记录神经活动来详细研究这些反应。
伊萨说:“在未来，我们希望看到老鼠不是猎物而是捕食者的情况。”“例如，我们可以观察它追逐苍蝇时的大脑活动。这种活动涉及大量的深度感知和估计距离。这些都是我们可以开始捕捉的东西。”
让神经生物学变得触手可及
除了为更多的研究打开大门之外，Dombeck还希望护目镜能为新的研究人员打开大门。由于护目镜相对便宜，需要较少的实验室设备，他认为它们可以使神经生物学研究更容易获得。
“传统的虚拟现实系统相当复杂，”多姆贝克说。“它们很贵，而且很大。他们需要一个有很大空间的大实验室。最重要的是，如果训练一只老鼠完成一项任务需要很长时间，那就限制了你能做的实验的数量。我们仍在改进，但我们的护目镜很小，相对便宜，而且用户友好。这可能会使VR技术更容易被其他实验室使用。”
这项名为“小鼠全视场虚拟现实护目镜”的研究得到了美国国立卫生研究院(奖励编号为R01-MH101297)、美国国家科学基金会(奖励编号为ECCS-1835389)、哈特韦尔基金会和大脑与行为研究基金会的支持。
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