小鼠沉浸式VR护目镜释放脑科学的新潜力
西北大学的研究人员为小鼠开发了新型虚拟现实(VR)护目镜。
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小鼠提供了更身临其境的体验。通过更忠实地模拟自然环境，研究人员可以更准确地研究行为背后的神经回路。
与当前最先进的系统(仅用计算机或投影屏幕包围小鼠)相比，新型护目镜实现了飞跃。在当前的系统中，小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，研究人员无法轻松地将屏幕安装在小鼠头顶上方来模拟头顶上的威胁，例如隐约出现的猛禽。
新的 VR 护目镜绕过了所有这些问题。而且，随着 VR 的日益普及，护目镜还可以帮助研究人员收集新的见解，了解人脑如何适应重复的 VR 暴露并做出反应，而这一领域目前还知之甚少。
该研究将于周五(12 月 8 日)发表在《Neuron》杂志上。这标志着研究人员首次使用 VR 系统来模拟头顶威胁。
“在过去的 15 年里，我们一直在为老鼠使用 VR 系统，”该研究的资深作者、西北大学的 Daniel Dombeck说。“到目前为止，实验室一直在使用大型计算机或投影屏幕来包围动物。对于人类来说，这就像在客厅看电视一样。你仍然可以看到你的沙发和墙壁。你周围有一些提示，告诉你你不在场景内。现在考虑戴上 VR 护目镜，例如 Oculus Rift，它可以占据您的全部视野。除了投影场景之外，您看不到任何东西，并且不同的场景被投影到每只眼睛中以创建深度信息。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 。他的实验室是开发用于动物研究的基于 VR 的系统和高分辨率、基于激光的成像系统的领导者。
VR的价值
尽管研究人员可以观察自然界中的动物，但在动物与现实世界互动时，对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，动物使用跑步机来导航场景，例如投影到周围屏幕上的虚拟迷宫。
通过将小鼠保持在跑步机上的适当位置(而不是让它穿过自然环境或物理迷宫)，神经生物学家可以在小鼠穿过虚拟空间时使用工具来查看和绘制大脑图。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期间编码信息的一般原理。
“VR 基本上再现了真实环境，”Dombeck 说。“我们在这个 VR 系统上取得了很大的成功，但动物可能没有像在真实环境中那样沉浸其中。只是为了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。”
iMRSIV 简介
随着硬件小型化的最新进展，Dombeck 和他的团队想知道他们是否可以开发 VR 护目镜来更忠实地复制真实环境。他们使用定制设计的镜片和微型有机发光二极管(OLED)显示器，制造出了紧凑的护目镜。
该系统称为微型啮齿动物立体照明 VR (iMRSIV)，由两个镜头和两个屏幕组成，一个用于头部的每一侧，分别照亮每只眼睛以实现 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并排除周围环境。
与人类的 VR 护目镜不同，iMRSIV(发音为“沉浸式”)系统不会环绕鼠标的头部。相反，护目镜安装在实验装置上，并紧贴在小鼠脸部的正前方。由于鼠标在跑步机上原地跑步，因此护目镜仍然覆盖鼠标的视野。
“我们为护目镜设计并制造了一个定制支架，”多姆贝克实验室的博士后研究员兼研究共同第一作者约翰伊萨说。“整个光学显示器——屏幕和镜头——一直围绕着鼠标。”
减少训练时间
通过绘制老鼠的大脑图谱，多姆贝克和他的团队发现，戴着护目镜的老鼠的大脑被激活的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，佩戴护目镜的小鼠比佩戴传统 VR 系统的小鼠更快地参与场景。
“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。“第一节课结束后，他们就已经可以完成任务了。他们知道该往哪里跑，并寻找正确的地方以获得奖励。我们认为他们实际上可能不需要那么多的培训，因为他们可以以更自然的方式与环境接触。”
首次模拟头顶威胁
接下来，研究人员使用护目镜模拟头顶上的威胁——这在以前的系统中是不可能实现的。由于成像技术的硬件已经位于鼠标上方，因此没有地方可以安装计算机屏幕。然而，老鼠头顶的天空是动物经常寻找重要信息(有时是生攸关)的区域。
“小鼠视野的顶部对于检测来自上方的捕食者(例如鸟类)非常敏感，”共同第一作者、多姆贝克实验室的研究专家多姆·平克(Dom Pinke)说。“这不是一种习得的行为;而是一种习得的行为。” 这是一种烙印行为。它连接在老鼠的大脑内部。”
为了制造迫在眉睫的威胁，研究人员将一个的、不断扩大的圆盘投射到护目镜的顶部以及老鼠视野的顶部。在实验中，老鼠在注意到磁盘后要么跑得更快，要么冻结。这两种行为都是对头顶威胁的常见反应。研究人员能够记录神经活动来详细研究这些反应。
“未来，我们希望研究老鼠不是猎物而是捕食者的情况，”伊萨说。“例如，我们可以观察它追逐苍蝇时的大脑活动。这项活动涉及大量的深度感知和距离估计。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
除了为更多研究打开大门外，东贝克还希望这款护目镜为新研究人员打开大门。由于护目镜相对便宜，并且需要的实验室设备较少，他认为它们可以使神经生物学研究更容易进行。
“传统的 VR 系统非常复杂，”Dombeck 说。“它们很贵，而且很大。他们需要一个有足够空间的大实验室。最重要的是，如果训练老鼠完成一项任务需要很长时间，就会限制你可以做的实验数量。我们仍在努力改进，但我们的护目镜很小，相对便宜，而且也非常用户友好。这可以让其他实验室更容易使用 VR 技术。”
这项名为“小鼠全视场虚拟现实护目镜”的研究得到了国立卫生研究院(奖项编号 R01-MH101297)、国家科学基金会(奖项编号 ECCS-1835389)、哈特韦尔基金会和大脑与行为研究基金会。
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