在神经生物学领域，追求更深入的研究往往需要创新的技术手段。 最近，西北大学的研究人员公布了一项非凡的成果，为小鼠设计了一种新的虚拟现实（VR）护目镜，称为微型啮齿动物立体照明VR（IMRSIV）。
这项突破性技术不仅提供了更加身临其境的体验，还使研究人员能够通过更逼真地模拟自然环境，更准确地研究行为背后的神经回路。 与以往先进的系统相比，这些系统改变了只在老鼠周围堆叠屏幕的现状，可以说是质的飞跃。
在以前的设备中，鼠标仍然可以看到从屏幕后面窥视的实验室环境，屏幕的平面度无法传达三维深度。 另一个缺点是，研究人员无法轻易地将屏幕安装在鼠标的头上，以模拟头顶的威胁，例如迫在眉睫的猛禽。
而新的VR眼镜几乎解决了这些问题。 随着VR变得越来越普遍，这些眼镜还可以帮助研究人员深入了解人脑如何适应和应对反复接触VR，而VR目前对这一领域知之甚少。 该研究最近发表在《神经元》杂志上。 这也是研究人员首次使用VR系统来模拟威胁开销。
该研究的资深作者、西北大学的丹尼尔·多姆贝克（Daniel Dombeck）说：“在过去的15年里，我们一直在为豚鼠使用VR系统。 到目前为止，实验室一直使用大型计算机或投影屏幕来包围动物。 对于人类来说，这就像在客厅里看电视一样。 你仍然可以看到你的沙发和墙壁。 你周围有一些暗示，告诉你你不在场景中。 现在想象一下戴着VR眼镜，比如Oculus Rift，它占据了你的整个视野。 除了投影场景之外，您看不到其他任何东西，并且每只眼睛都会投射不同的场景来创建深度信息。 对于老鼠来说，这一直是缺失的。 ”
Dombeck是西北大学Weienberg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。 这项研究的结果无疑为神经生物学领域带来了新的视角和深度，让人们期待未来更多的创新和突破。
虚拟现实（VR）的价值。
虽然可以在自然环境中观察动物，但在与现实世界互动时，很难实时了解它们的大脑活动模式。 为了克服这一挑战，研究人员巧妙地将VR集成到实验室环境中。 在这些精心设计的实验场景中，动物将在跑步机上穿梭，穿过虚拟迷宫等投影场景。
通过让小鼠在跑步机上原地奔跑，而不是在自然环境或物理迷宫中自由奔跑，神经生物学家能够使用专门的工具来深入观察并准确绘制小鼠穿越虚拟空间时的大脑活动。 最终，这将帮助研究人员揭示在各种行为过程中被激活的神经回路如何编码信息的一般原理。
“VR本质上是对真实环境的再现。 虽然我们的VR系统取得了一些成功，但这些动物可能不像在现实世界中那样沉浸其中。 要让豚鼠专注于屏幕并忽略周围实验室的干扰，需要大量的训练。 ”
IMRSIV的推出
随着硬件小型化的不断推进，Dombeck和他的团队萌生了开发一种虚拟现实（VR）眼镜的想法，这种眼镜可以更逼真地复制真实环境。 使用定制设计的透镜和微型有机发光二极管（OLED）显示器，他们能够制造出一种名为IMRSIV的紧凑型眼镜。
ImRSIV眼镜非常精致，由两个镜片和两个屏幕组成，每个头部一个，每个眼睛一个，以确保立体3D视觉。 这为每只眼睛提供了 180 度的宽视野，让鼠标完全沉浸其中，并有效地将鼠标与周围环境隔离开来。
与人类VR眼镜不同，IMRSIV（发音为“沉浸式”）不会缠绕在鼠标的头部。 取而代之的是，眼镜将被连接到实验装置上并直接放置在小鼠面前。 这种独特的设计是因为当鼠标在跑步机上运行时，眼镜需要始终覆盖鼠标的视野。
Dombeck实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者John Issa说：“我们设计并制造了一个专门用于支撑眼镜的支架。 整个光学显示系统（屏幕和镜头）围绕着鼠标，确保其视觉始终充满令人兴奋的虚拟世界。 ”
缩短培训时间
通过仔细观察小鼠的大脑活动，Dombeck和他的团队发现戴眼镜的小鼠的大脑与自由漫游动物的大脑非常相似。 在并排比较中，他们发现戴眼镜的老鼠能够比传统虚拟现实系统的老鼠更快地与场景互动。
我们使用了与过去相同的训练范式，但戴眼镜的小鼠学习习的速度明显更快，“Dombeck说。 “经过第一次培训，他们已经能够熟练地完成任务。 他们知道在**中奔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的培训，因为他们可以以更自然的方式与环境互动。 ”
首次模拟开销威胁
接下来，研究人员使用眼镜来模拟“头顶威胁”——这在以前是不可能的，因为现有成像技术的硬件已经位于豚鼠上方，并且没有安装计算机屏幕的地方。 然而，老鼠头顶的天空是动物经常寻找重要（有时是生死攸关的信息）的地方。
小鼠视野的顶部非常敏感，可以从上方检测到鸟类等捕食者，“Dombeck实验室的研究员兼共同第一作者Dom Pinke说。 “这不是一种习得的行为;这是一种印记行为。 它被编码在小鼠的大脑中。 ”
为了制造迫在眉睫的威胁，研究人员将一个黑色的膨胀圆盘投射到眼镜的顶部 - 小鼠视野的顶部。 在实验中，一旦老鼠注意到圆盘，它们要么加速奔跑，要么停滞不前。 这两种行为都是对头顶威胁的常见反应，研究人员现在能够记录神经活动以详细研究这些反应。
“在未来，我们想研究老鼠如何不是捕食者而是捕食者，例如，我们可以观察它在追逐苍蝇时的大脑活动，”伊萨说。 这项活动涉及大量的深度感知和估计距离的过程，这些都是我们能够开始捕捉的东西。 ”
普及神经生物学
神经生物学作为一门研究神经系统和大脑功能的科学，一直是科学界的重要领域。 然而，由于其复杂性和技术要求高，许多人对这个领域并不熟悉。 为了普及神经生物学，让更多的人更容易接触到这个领域，Dombeck和他的团队付出了巨大的努力。
除了为更多的研究打开大门外，Dombeck还希望VR眼镜也能为新的研究人员打开大门。 由于这些眼镜相对便宜，并且需要较少的实验室设备，因此他认为它们可以使神经生物学研究更容易。
传统的VR系统非常复杂，“Dombeck说。 “它们既昂贵又笨重，而且通常需要一个占地面积大的实验室。 此外，训练鼠标完成任务需要很长时间，这限制了您可以执行的实验数量。 虽然我们仍在努力改进，但我们的眼镜体积小，价格相对便宜，而且相对用户友好，因此这可能使其他实验室更容易使用VR技术。 ”
有了这些眼镜，研究人员可以更方便地进行神经生物学实验，而无需过多的设备和培训时间。 这使更多的研究人员能够进入该领域并开展更多的研究工作。
此外，Dombeck及其团队的研究为神经生物学领域带来了新的视角和深度。 通过观察小鼠的大脑活动，他们揭示了神经回路在各种行为过程中如何编码信息的一般原理。 这对于理解人脑的工作原理也很重要。
普及神经生物学不仅需要更多的人才和资金投入，更需要科学家的热情和耐心。 Dombeck及其团队的研究为这一领域的发展注入了新的活力，为我们更好地了解自己和世界开辟了更多的可能性。