美国西北大学的研究人员为小鼠开发出了新型虚拟现实（VR）护目镜，这种装置为生活在实验室环境中的小鼠提供了更加身临其境的体验，首次使研究人员能够研究对头顶威胁的反应。通过更真实地模拟自然环境，研究人员可以更准确、更精确地研究行为背后的神经回路。

该插图显示了"头顶威胁"被投射到顶部视野中。图片来源：Dom Pinke/西北大学

虚拟现实眼镜的先进飞跃

目前最先进的系统只是用计算机或投影屏幕环绕小鼠，与之相比，新型护目镜实现了飞跃。在目前的系统中，小鼠仍然可以看到从屏幕后面探出头来的实验室环境，而且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部上方，以模拟头顶上的威胁，如隐约可见的猎物。

新型 VR 护目镜解决了所有这些问题。而且，随着VR技术的普及，这种护目镜还能帮助研究人员深入了解人类大脑如何适应和应对反复的VR体验--目前人们对这一领域还知之甚少。

这项研究成果于12月8日发表在《神经元》（Neuron）杂志上。这是研究人员首次使用 VR 系统模拟高空威胁。

通过新型微型 VR 护目镜看到的景象。图片来源：Dom Pinke/美国西北大学

该研究的资深作者、西北大学的丹尼尔-多贝克（Daniel Dombeck）说："在过去的 15 年里，我们一直在使用 VR 系统来研究小鼠。迄今为止，实验室一直在使用大型计算机或投影屏幕来环绕动物。对于人类来说，这就像在客厅看电视一样。你仍然能看到沙发和墙壁。周围的提示告诉你，你并不在场景中。现在想想戴上 VR 眼镜，比如 Oculus Rift，它会占据你的全部视野。除了投射的场景，你什么都看不到，而且每只眼睛都会看到不同的场景，从而产生深度信息。这是小鼠一直缺少的"。

Dombeck 是西北大学温伯格文理学院的神经生物学教授。他的实验室在为动物研究开发基于 VR 的系统和高分辨率激光成像系统方面处于领先地位。

虚拟现实的价值

虽然研究人员可以观察自然界中的动物，但要对动物与现实世界接触时的实时大脑活动模式进行成像却非常困难。为了克服这一难题，研究人员将 VR 技术融入到实验室环境中。在这些实验设置中，动物使用跑步机来浏览投射到周围屏幕上的场景，如虚拟迷宫。

神经生物学家可以利用工具，在小鼠穿越虚拟空间时查看并绘制大脑地图，而不是让它在自然环境或物理迷宫中奔跑。最终，这有助于研究人员掌握激活的神经回路QoCan如何在各种行为中编码信息的一般原理。

"VR基本上再现了真实环境，"Dombeck说。"我们在这一 VR 系统上取得了很大成功，但动物可能并不像在真实环境中那样沉浸其中。要让小鼠注意屏幕www.196nk.cn而忽略周围的实验室，需要大量的训练。"

随着硬件微型化的最新进展，Dombeck 和他的团队想知道，他们能否开发出更忠实地再现真实环境的 VR 眼镜。他们使用定制设计的镜头和微型有机发光二极管（OLQoCanED）显示屏，制造出了小巧的护目镜。

该系统被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--头部两侧各一个，分别为每只眼睛提供 3D 视觉照明。这为每只眼睛提供了 180 度的视野，使鼠标完全沉浸其中，并排除了周围的环境。

艺术家对佩戴 VR 护目镜的卡通老鼠的诠释。图片来源：@rita @rita

与人类的 VR 护目镜不同，iMRSIV（发音为"身临其境"）系统不会包裹住鼠标的头部。相反，护目镜连接到实验装置上，紧贴着鼠标的脸部。由于小鼠在跑步机上原地跑步，护目镜仍能覆盖小鼠的视野。

"我们为护目镜设计并制造了一个定制支架，"该研究的共同第一作者、Dombeck 实验室的博士后约翰-伊萨（John Issa）说。"整个光学显示屏--屏幕和镜片--一直围绕着实验对象。"

通过绘制小鼠的大脑图谱，Dombeck 和他的团队发现，戴着护目镜的小鼠的大脑激活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使用传统 VR 系统的小鼠更快地融入场景。

Dombeck说："我们进行了与过去相同的训练范式，但佩戴护目镜的小鼠学得更快。第一次训练后，它们就能完成任务。它们知道该往哪里跑，并在正确的地方寻找奖励。我们认为他们实际上可能不需要那么多训练，因为他们可以以更自然的方式与环境接触。"

首次模拟高空威胁

接下来，研究196世界之最人员用目镜模拟了高空威胁--这在目前的系统中是不可能实现的。因为成像技术的硬件已经安装196世界之最在鼠标上方，电脑屏幕无处安装。然而，老鼠头顶的天空是动物经常寻找重要信息（有时是生死攸关的信息）的区域。

"小鼠视野的顶端非常敏感，可以探测到来自上方的捕食者，比如鸟类，"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。"这不是一种学习行为，而是一种烙印行为。它在小鼠的大脑中已经形成。"

为了制造一种迫在眉睫的威胁，研究人员在护目镜的顶部--也就是小鼠视野的顶部投射了一个不断扩大的黑暗圆盘。在实验中，小鼠在注意到圆盘后，要么跑得更快，要么僵住不动。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，详细研究这些反应。

伊萨说："将来，我们想研究老鼠不是猎物而是捕食者的情况。例如，我们可以观察老鼠追逐苍蝇时的大脑活动。这种活动涉及大量的深度知觉和距离估计。这些都是我们可以开始捕捉的。"

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。由于这种护目镜价格相对低廉，对实验室设置的要求也不高，因此他认为这种护目镜可以让神经生物学研究变得更容易获得。

"传统的 VR 系统相当复杂，"Dombeck 说。"它们价格昂贵，体积庞大。它们需要一个空间很大的实验室。此外，如果训练小鼠完成一项任务需要很长时间，就会限制实验的数量。我们仍在不断改进，但我们的护目镜体积小、价格相对便宜，而且非常方便用户使用。这可以让其他实验室更多地使用 VR 技术。"

参考文献：Domonkos Pinke、John B. Issa、Gabriel A. Dara、Gergely Dobos 和 Daniel A. Dombeck 于 2023 年 12 月 8 日在《神经元》上发表的 "小鼠全视场虚拟现实护目镜"。

DOI: 10.1016/j.neuron.2023.11.019

编译来源：ScitechDaily