美國西北大學的研究人員為小鼠開發出了新型虛擬實境（VR）護目鏡，這種裝置為生活在實驗室環境中的小鼠提供了更身臨其境的體驗，首次使研究人員能夠研究對頭頂威脅的反應。透過更真實地模擬自然環境，研究人員可以更準確、更精確地研究行為背後的神經迴路。

該插圖顯示了”頭頂威脅”投射到頂部視野中。圖片來源：Dom Pinke/西北大學

虛擬實境眼鏡的先進飛躍

目前最先進的系統只是用電腦或投影螢幕環繞小鼠，與之相比，新型護目鏡實現了飛躍。在目前的系統中，小鼠仍然可以看到從螢幕後面探出頭來的實驗室環境，而且螢幕的平面特性無法傳達三維（3D）深度。另一個缺點是，研究人員無法輕鬆地將螢幕安裝在小鼠頭部上方，以模擬頭頂上的威脅，例如隱約可見的獵物。

新型VR 護目鏡解決了所有這些問題。而且，隨著VR技術的普及，這種護目鏡還能幫助研究人員深入了解人類大腦如何適應和應對反覆的VR體驗–目前人們對這一領域還知之甚少。

這項研究成果於12月8日發表在《神經元》（Neuron）雜誌上。這是研究人員首次使用VR 系統模擬高空威脅。

透過新型微型VR 護目鏡看到的景象。圖片來源：Dom Pinke/西北大學

該研究的資深作者、西北大學的丹尼爾-多貝克（Daniel Dombeck）說：”在過去的15 年裡，我們一直在使用VR 系統來研究小鼠。迄今為止，實驗室一直在使用大型電腦或投影螢幕來環繞動物。對於人類來說，這就像在客廳看電視一樣。你仍然能看到沙發和牆壁。周圍的提示告訴你，你並不在場景中。現在想想戴上VR 眼鏡，例如Oculus Rift，它會佔據你的全部視野。除了投射的場景，你什麼都看不到，而且每隻眼睛都會看到不同的場景，從而產生深度信息。這是小鼠一直缺少的”。

Dombeck 是西北大學溫伯格文理學院的神經生物學教授。他的實驗室在為動物研究開發基於VR 的系統和高解析度雷射成像系統方面處於領先地位。

虛擬實境的價值

雖然研究人員可以觀察自然界中的動物，但要對動物與現實世界接觸時的即時大腦活動模式進行成像卻非常困難。為了克服這個難題，研究人員將VR 技術融入實驗室環境中。在這些實驗設定中，動物使用跑步機來瀏覽投射到周圍螢幕上的場景，例如虛擬迷宮。

神經生物學家可以利用工具，在老鼠穿越虛擬空間時查看並繪製大腦地圖，而不是讓它在自然環境或物理迷宮中奔跑。最終，這有助於研究人員掌握活化的神經迴路如何在各種行為中編碼訊息的一般原則。

“VR基本上再現了真實環境，”Dombeck說。”我們在這個VR 系統上取得了很大成功，但動物可能並不像在真實環境中那樣沉浸其中。要讓小鼠注意屏幕而忽略周圍的實驗室，需要大量的訓練。”

隨著硬體微型化的最新進展，Dombeck 和他的團隊想知道，他們能否開發出更忠實地再現真實環境的VR 眼鏡。他們使用客製化設計的鏡頭和微型有機發光二極體（OLED）顯示屏，製造出了小巧的護目鏡。

此系統稱為微型囓齒動物立體照明VR（iMRSIV），由兩個鏡頭和兩個螢幕組成–頭部兩側各一個，分別為每隻眼睛提供3D 視覺照明。這為每隻眼睛提供了180 度的視野，使滑鼠完全沉浸其中，並排除了周圍的環境。

藝術家對佩戴VR 護目鏡的卡通老鼠的詮釋。圖片來源：@rita @rita

與人類的VR 護目鏡不同，iMRSIV（發音為”身臨其境”）系統不會包裹住老鼠的頭部。相反，護目鏡連接到實驗裝置上，緊貼著滑鼠的臉部。由於小鼠在跑步機上原地跑步，護目鏡仍能覆蓋小鼠的視野。

“我們為護目鏡設計並製造了一個定制支架，”該研究的共同第一作者、Dombeck 實驗室的博士後約翰-伊薩（John Issa）說。”整個光學顯示器–螢幕和鏡片–一直圍繞著實驗物件。”

透過繪製小鼠的大腦圖譜，Dombeck 和他的團隊發現，戴著護目鏡的小鼠的大腦活化方式與自由活動的動物非常相似。而且，在並排比較中，研究人員注意到，戴上護目鏡的小鼠比使用傳統VR 系統的小鼠更快融入場景。

Dombeck說：”我們進行了與過去相同的訓練範式，但佩戴護目鏡的小鼠學得更快。第一次訓練後，它們就能完成任務。它們知道該往哪裡跑，並在正確的地方尋找獎勵。我們認為他們實際上可能不需要那麼多訓練，因為他們可以以更自然的方式與環境接觸。”

首次模擬高空威脅

接下來，研究人員用目鏡模擬了高空威脅–這在目前的系統中是不可能實現的。因為成像技術的硬體已經安裝在滑鼠上方，電腦螢幕無處安裝。然而，老鼠頭頂的天空是動物經常尋找重要資訊（有時是生死攸關的資訊）的區域。

“小鼠視野的頂端非常敏感，可以探測到來自上方的掠食者，例如鳥類，”共同第一作者、多姆貝克實驗室的研究專家多姆-平克（Dom Pinke）說。”這不是一種學習行為，而是一種烙印行為。它在小鼠的大腦中已經形成。”

為了製造一種迫在眉睫的威脅，研究人員在護目鏡的頂部–也就是小鼠視野的頂部投射了一個不斷擴大的黑暗圓盤。在實驗中，小鼠在註意到圓盤後，要麼跑得更快，要麼僵住不動。這兩種行為都是對頭頂威脅的常見反應。研究人員能夠記錄神經活動，詳細研究這些反應。

伊薩說：”將來，我們想研究老鼠不是獵物而是捕食者的情況。例如，我們可以觀察老鼠追逐蒼蠅時的大腦活動。這種活動涉及大量的深度知覺和距離估計。這些都是我們可以開始捕捉的。”

除了為更多的研究打開大門之外，Dombeck 還希望護目鏡能為新的研究人員打開大門。由於這種護目鏡價格相對低廉，對實驗室設置的要求也不高，因此他認為這種護目鏡可以讓神經生物學研究更容易取得。

“傳統的VR 系統相當複雜，”Dombeck 說。”它們價格昂貴，體積龐大。它們需要一個空間很大的實驗室。此外，如果訓練小鼠完成一項任務需要很長時間，就會限制實驗的數量。我們仍在不斷改進，但我們的護目鏡體積小、價格相對便宜，而且非常方便使用者使用。這可以讓其他實驗室更多地使用VR 技術。”

參考文獻：Domonkos Pinke、John B. Issa、Gabriel A. Dara、Gergely Dobos 和Daniel A. Dombeck 於2023 年12 月8 日在《神經元》上發表的”小鼠全視場虛擬實境護目鏡”。

DOI: 10.1016/j.neuron.2023.11.019

編譯來源：ScitechDaily