虛擬現實或將變革腦科學研究

編譯 秦雪

新技術為動物最復雜器官的研究打開了一扇新的大門。

一只老鼠在灰色條紋四壁的迷宮中徘徊，尋找一條能讓它抵達獲取解渴獎勵的路徑。對于老鼠來說，這個迷宮是真實的，但實際上它只是一個虛擬的世界。虛擬現實（VR）已經成為研究動物大腦和行為的重要工具，研究人員可以在虛擬現實中精確地控制感覺信號，將神經細胞活動與特定的動作聯系起來，以方便研究人員“做一些在現實世界中無法進行的實驗。”哈佛醫學院神經生物學家克里斯多弗·哈維（Christopher Harvey）和他的同事在2016年發表于《自然》雜志的一篇評論中寫道。

導航研究是一個很好的例子。外部的聲音、氣味、味道和紋理以及平衡和空間定向等內部信息與視覺提示結合起來，幫助老鼠在迷宮中穿行。在虛擬環境中，研究人員可以對這些感覺輸入進行任意的添加或刪除，以了解老鼠在迷宮探索和其他行為中，這些因素是如何對神經細胞激活和神經網絡模式產生影響的。

但有一個問題，許多虛擬現實裝置會嚴重限制實驗動物的移動方式，而實驗正是需要通過這種移動來改變神經細胞對感官線索的反應。因此，一些研究人員已經開始建立一些可讓動物在虛擬環境中更自由移動的VR實驗裝置，另一些研究人員則開始使用機器人來幫助動物導航或模擬同類動物之間的互動。科學家最近在這兩個領域內進行了探索研究，目的是在解讀現實的過程中，讓實驗動物的大腦產生一種更真實的感覺。

磁系繩控制果蠅飛行

研究者 馬克·弗萊伊（Mark Frye）,加利福尼亞大學洛杉磯分校神經科學家。

VR設置 磁系繩控制實驗動物飛行。

垂直的線條、小小的“盒子”以及由垂直線條組成的移動景色，看起來似乎微不足道，但在一只果蠅的世界里，它們代表的是另外一些含義，如樹木（豎線），食肉動物（小盒子）以及被風吹離了航線（線條）。“我們感興趣的是視覺系統如何區分這些特征，”弗萊伊說，“我們自己的大腦也在做著同樣的事情，但在分子和單個細胞的層次上，我們還沒有清楚地理解。”

弗萊伊和他的同事研發了一種讓果蠅在虛擬環境中飛翔的磁系繩系統，研究人員將一根小別針用膠粘在果蠅背部（果蠅腦袋后面和兩個翅膀的中間位置），將與別針粘在一起的果蠅放進磁場中，讓它可以進行垂直移動，然后讓果蠅在環繞著一圈投影儀的場地中進行飛行活動。

實驗條件 少量廉價的稀土磁鐵（10美元；參見弗萊伊實驗室網站上的列表），一個微型的V形樞軸軸承，還有一只鋼銷。還需要一臺攝像機和電腦來跟蹤果蠅的身體角度以及一個LED顯示屏來顯示視覺刺激。“果蠅視物的速度比人類要快得多，能檢測到我們標準計算機顯示器的閃爍頻率，因此我們要給它們準備速度更快的顯示設備。”弗萊伊說。LEDs可用一些較小的8×8像素顯示屏，將它們像積木一樣連接起來（每個需30美元，總成本約為1 500美元）。果蠅能看到全景的視覺顯示為96×32像素。這對于我們人類來說似乎真的是極低的分辨率，但果蠅的空間分辨率較差，所以通過它們的眼睛看這些顯示器就像我們看高清電視一樣，弗萊伊說。

實驗結果 弗萊伊和他的同事最近使用的磁系繩控制裝置研究飛行中的果蠅眼睛是如何飛快掃視的，是如何從一個位置很快移動到另一個位置的。幾十年的研究表明，被嚴格固定的果蠅的眼睛視線會平穩地移動跟蹤一條投影豎線。但是新的實驗設置顯示的情況正好相反，果蠅的眼睛在掃視豎線時表現為持續的陣發性行為，而極少平穩運動。相比之下，果蠅的眼睛在掃視全景投影時的移動就表現得很平穩。“這讓我豁然開朗，事實上，果蠅眼睛處理豎線刺激根本不是通過平穩的全景系統，”弗萊伊說，“這個實驗有趣之處在于：將果蠅牢牢固定在虛擬現實中，在某種程度上會破壞其慣常的視覺處理方式。”

圖2 滾動球上的實驗鼠。一只在虛擬現實迷宮中尋找出路的大鼠實際上是走在一個叫做伺服球的球形跑步機上

環形跑步機上自由滾動的老鼠

研究者 約克·溫特（York Winter）,柏林洪堡大學認知神經生物學家。

VR設置 虛擬現實伺服球。

嚙齒類動物頭部被固定在普通的VR裝置中，會極大地限制它們的行為方式，也就不可能產生需要頭部運動的一些復雜的空間定向行為。這種限制對大鼠特別有壓力，而且很危險，因為與小鼠相比較，大鼠更強壯，很可能會傷害到試圖限制它們活動的人。因此溫特和他的同事開發了虛擬現實伺服球，來代替固定頭部的虛擬現實跑步機。

大鼠通過射頻識別（RFID）——控制門系統，從鼠籠進入VR環境。研究團隊注意到，因為大鼠可以隨時進入VR競技場，對它們的訓練相對快速且容易，即使是一些需要復雜認知能力的VR實驗。

實驗條件 通過一個洞穴通道將鼠籠與配備了伺服球的實驗場地連接起來，伺服球是一個價值94美元的球形跑步機系統，實驗場地中有一個透明的圓柱體，中間包含一個490毫米的平臺，這個透明圓柱體將大鼠的運動范圍限制在直徑600毫米球體的中心部分。跑步機周圍是一圈監視器，顯示動物在VR場景中的視覺環境。攝像機跟蹤老鼠的運動，在閉環中提供反饋，改變球的運動并使老鼠的活動保持在場地中央。外圍還有8個可伸縮的液體獎勵裝置，在實驗預定地點為老鼠補充水分。

實驗結果 實驗動物在探索活動中對伺服球的停止與開始擁有更多自主權，大鼠在身體旋轉時，可從場地四壁的實體墻壁接收到觸摸信息及平衡信息等，而且，研究小組發現，由于伺服球是電動馬達驅動的球體，不需要用力，因此用小鼠，狐猴或鳥類，甚至是昆蟲作為實驗動物也一樣可以。如果將伺服球與光遺傳技術或為可以自由移動實驗動物設計的顯微鏡頭盔結合起來，這一實驗設置也可以用來研究實驗動物自由探索時的大腦神經活動。

鼠洞虛擬環境實驗

研究者 安東·西若塔（Anton Sirota），路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學神經系統科學家。

VR設置 鼠洞虛擬現實。

球形跑步機可為實驗動物精確提供刺激，德國佛雷堡大學神經學家安德魯·斯特勞（Andrew Straw）說，缺點是動物接收到的感官反饋是不自然的。“特別是在研究空間意識和空間認知時，這種方法可能會有問題。如果動物不能感覺到它在正確地移動，它可能會試圖糾正這種情況，而不像在更自然情況下的行動表現。”斯特勞說道。

為了克服這種局限性，包括斯特勞在內的科學家團隊開發了電子洞自動虛擬環境裝備，一個可讓實驗動物在里面自由移動的立方體。最早開發的電子洞用于果蠅實驗，之后該技術通過進一步改進，可分別用魚、小鼠進行實驗，最近還進行了大鼠實驗。

在鼠洞虛擬環境實驗中，大鼠可在三維空間里獲得視覺反饋和互動，并轉而與虛擬墻進行互動，探索虛擬對象，避開虛擬環境中的懸崖，西若塔和他的同事在一篇論文中描述道，大鼠在鼠洞虛擬環境中的行為表現更為自然。

實驗條件 試驗區是一個矩形場地，類似于常規野外試驗用的場地。然而不同的是，在這樣的配置中，競技場被涂成白色，用作投影表面。西若塔用12個一組的高速攝像機陣列（價值2 499～3 499美元）跟蹤嚙齒類動物的頭部位置，三維空間里的大鼠頭部布置了一些反光點。這個跟蹤系統使得研究團隊能夠以非常高的分辨率更新嚙齒動物的頭部位置。為了將虛擬環境映射到投影表面，研究小組使用了與其他嚙齒動物VR設置中相同的算法，根據嚙齒類動物頭部三維位置的變化，映射到投影表面的虛擬環境投影也隨之不斷更新。

實驗結果 實驗場的四壁似乎不斷被移動到不同的物理位置，實驗動物被誘騙相信這樣的VR刺激。但在進行了移動的虛擬現實環境與正常環境的實驗后，動物們不再會被這樣的虛擬環境轉變所愚弄。斯特勞說，它們可能會用胡須去感知墻壁，以辨別虛擬現實與真實情況的不匹配。“我認為，通過這個實驗表明，通過身體感知到的線索對于了解真實位置所在的影響有多強大。”他說。

圖3 巴迪球機器人。除了虛擬現實，研究人員還用機器人進行實驗，如這些球形機器人，在嚙齒類動物不受限制進行空間導航的實驗中，讓機器人與它們進行互動

從虛擬現實到機器人

研究者 讓馬克·費洛斯（Jean Marc Fellous），亞利桑那大學心理學家。

VR設置 球形機器人。

即使實驗動物可以自由活動，虛擬環境的限制也會對空間導航時的神經回路產生明顯影響。作為替代方案，費洛斯和他的同事讓大鼠與機器人互動，以追蹤調查大鼠的行為與大腦活動之間的關系。該團隊開發了一個機器人制動算法，研究人員可以精確控制嚙齒動物的方向和速度，而且，機器人還可以引導大鼠在通過9條可能途徑獲得獎勵的迷宮中尋找正確的路徑。

實驗條件 球形機器人2.0（價值130美元）是一個小小的球體，費洛斯將這個球形機器人連接到一個類似于戰車的精巧裝置上。在戰車的輪子中間有一個小托盤，里面放著老鼠飼料，幫助它學會跟隨著機器人行動，制動算法用來使機器人在精確的位置上停下并以精確的速度移動。

實驗結果 費洛斯和他的同事將收集到的機器人引導大鼠行為產生的電生理記錄與VR實驗得到的數據進行比較。他們發現，無論是老鼠自己學習走迷宮還是在機器人引導下走迷宮，大鼠海馬體中的位置細胞的都一樣會被激活，所以研究人員可以使用機器人代替VR來研究空間導航的神經活動。

然而，斯特勞指出，雖然機器人是一種令人興奮的新工具，但它們也有缺點。他說，“用機器人引導或模仿動物行為，對某些實驗來說確實很重要，但機器人要受到物理定律的制約，而在虛擬現實中卻有可能利用遠距傳動和其他物理上不可能達成的實驗設計。這兩項技術可以起到很好的互補作用。”