在神經生物學領域，追求更深入的研究往往需要創新性的技術手段。最近，西北大學的研究人員推出了一項引人矚目的成果——他們為小白鼠設計了全新虛擬現實（VR）眼鏡，這款VR眼鏡被命名為Miniature Rodent Stereo Illumination VR（iMRSIV）。
這一突破性的技術不僅提供了更為沉浸式的體驗，而且通過更真實地模擬自然環境，使研究人員能夠更準確地研究行為背後的神經迴路。與此前已有的先進系統相比，這些系統改變了僅僅只是在小白鼠周圍堆放螢幕的現狀，可以說是完成了一次質的飛躍。
在此前的設備中，小白鼠仍然可以看到從螢幕後面露出的實驗室環境，而且螢幕的平面性無法傳達三維深度。另一個不足之處則是研究人員無法輕鬆地將螢幕安裝在小白鼠頭上，以便模擬從頭頂飛來的威脅，比如迫在眉睫的猛禽。
而新型VR眼鏡幾乎解決了這些問題。而且隨著VR的普及，這些眼鏡還可以幫助研究人員深入了解人類大腦如何適應和對反覆接觸VR作出反應——這是目前知之甚少的領域。這項研究近期發表在《神經元》雜誌上。這也是研究人員首次使用VR系統模擬處於頭頂的威脅。
西北大學的丹尼爾·多姆貝克是該研究的高級作者，他表示：「在過去的15年裡，我們一直在為小白鼠使用VR系統。而到目前為止，實驗室一直使用大型電腦或投影螢幕包圍動物。對於人類來說，這就像在客廳里看電視。你仍然能看到你的沙發和你的牆壁。周圍有提示告訴你，你並不在場景內。現在想像一下戴上VR眼鏡，比如Oculus Rift，它占據了你的整個視野。你看不到除了投影場景以外的任何東西，而每隻眼睛都投影了不同的場景以創建深度資訊。這對於小白鼠來說，一直是缺失的。」
多姆貝克是西北大學魏恩伯格藝術與科學學院的神經生物學教授。他的實驗室在開發基於VR的系統和動物研究的高解析度雷射成像系統方面處於領先地位。此次研究成果無疑為神經生物學領域帶來了新的視角和深度，讓人期待未來有更多的創新和突破。
虛擬現實（VR）的價值
在自然環境中觀察動物雖可行，但在動物與真實世界互動時，要實時洞察其大腦活動的模式卻如履薄冰，困難重重。為了攻克這一難題，研究人員巧妙地將VR融入實驗室環境之中。在這些精心設計的實驗場景里，動物們將在跑步機上穿梭於虛擬迷宮等投影場景。
通過讓小白鼠在跑步機上固定跑步——而非任其在自然環境或實體迷宮中自由奔跑——神經生物學家得以運用專業工具，在小白鼠穿越虛擬空間時，深入觀察和精準繪製其大腦活動。最終，這將有助於研究人員揭示在各種行為過程中激活的神經迴路如何編碼資訊的一般原則。
多姆貝克坦言：「VR本質上是真實環境的再現。我們的VR系統雖取得了一定成功，但動物可能並未像在真實環境中那樣沉浸其中。要讓小白鼠專注於螢幕並忽略周圍實驗室的干擾，需要進行大量訓練。」
推出iMRSIV
隨著硬體微型化的不斷演進，多姆貝克及其團隊在實驗過程中靈光一閃，萌生了「是否能夠開發一款虛擬現實（VR）眼鏡，以更逼真地複製真實環境」的創新想法。利用定製設計的鏡頭和微型有機發光二極體（OLED）顯示器，他們成功打造出緊湊型眼鏡——iMRSIV。
iMRSIV眼鏡精巧細緻，由兩個鏡頭和兩個螢幕組成——每個頭部一個，分別服務於每隻眼睛，以確保實現立體3D視覺。這為每隻眼睛提供了一個180度的寬闊視野，能夠讓小白鼠完全沉浸其中，並有效隱藏周圍環境的干擾。
與人類的VR眼鏡不同，iMRSIV（發音為「immersive」）並不會環繞小白鼠的頭部。相反，眼鏡將連接到實驗裝置上，並直接緊貼在小白鼠面前。這種獨特的設計是因為當小白鼠在跑步機上奔跑時，眼鏡需要始終保持覆蓋小白鼠的視野。
多姆貝克實驗室的博士後研究員、研究的共同第一作者約翰·伊薩表示：「我們專門設計並打造了一個用於支撐眼鏡的支架。整個光學顯示系統（螢幕和鏡頭）緊密圍繞著小白鼠，確保其視野始終被精彩紛呈的虛擬世界所充盈。」
縮短訓練時間
通過深入觀察小白鼠的大腦活動，多姆貝克及其團隊發現，佩戴眼鏡的小白鼠的大腦活動方式與自由活動的動物非常相似。橫向比較之下，他們發現佩戴眼鏡的小白鼠能夠比傳統虛擬現實系統的小白鼠更快地與場景互動。
「我們採用了過去相同的訓練範式，但佩戴眼鏡的小白鼠的學習速度明顯更快，」多姆貝克說。「在第一次訓練後，它們就已經能夠熟練完成任務。它們知道在哪裡奔跑，並在正確的地方尋找獎勵。我們認為它們實際上可能不需要那麼多的訓練，因為它們可以用更自然的方式與環境互動。」
首次模擬頭頂威脅
接下來，研究人員利用眼鏡模擬了「頭頂威脅」——這在以前是不可能的，因為現有成像技術的硬體已經位於小白鼠的上方，沒有地方安裝電腦螢幕。然而，小白鼠上方的天空是動物經常尋找重要資訊（有時是生死攸關的資訊）的地方。
「小白鼠視野的頂部非常敏感，可以從上方檢測到捕食者，比如鳥類，」多姆貝克實驗室的研究專員、共同第一作者Dom Pinke說。「這不是一種學到的行為；這是一種印刻的行為。它在小白鼠的大腦內編碼。」
為了製造一種迫在眉睫的威脅，研究人員將一個黑色的擴展圓盤投影到眼鏡的頂部——也就是小白鼠視野的頂部。在實驗中，小白鼠一旦注意到圓盤，要麼加速奔跑，要麼停滯不前。這兩種行為都是對頭頂威脅的常見反應，而研究人員此時就能夠記錄神經活動以詳細研究這些反應。
伊薩說：「將來，我們希望研究小白鼠不是被捕食者而是捕食者的情況，例如我們可以觀察它追逐蒼蠅時的大腦活動。這種活動涉及到很多深度感知和估計距離的過程，這些是我們能夠開始捕捉的東西。」
普及神經生物學
神經生物學作為一門研究神經系統和大腦功能的科學，一直以來都是科學界的重要領域。然而，由於其複雜性和高技術要求，許多人對這個領域感到陌生。為了普及神經生物學，讓更多人了解這個領域，多姆貝克及其團隊做出了巨大的努力。
除了為更多的研究敞開大門，多姆貝克希望這些VR眼鏡還能為新的研究人員敞開大門。由於這些眼鏡相對廉價，需要的實驗室設備較少，他認為它們可以使神經生物學研究更加容易開展。
「傳統的VR系統相當複雜，」多姆貝克說。「它們昂貴而且體積龐大，通常需要一個占地面積很大的實驗室。而且，訓練一隻小白鼠完成任務是需要很長時間的，這就限制了你能進行的實驗數量。儘管我們仍在努力改進，但我們的眼鏡小巧、相對便宜，而且相對來說，對用戶友好，所以這可能使VR技術更加容易被其他實驗室採用。」
通過這些眼鏡，研究人員可以更方便地進行神經生物學實驗，而不需要過多的設備和訓練時間。這使得更多的研究人員可以接觸到這個領域，開展更多的研究工作。
此外，多姆貝克及其團隊的研究成果也為神經生物學領域帶來了新的視角和深度。他們通過觀察小白鼠的大腦活動，揭示了神經迴路在各種行為過程中的編碼資訊的一般原則。這同樣對於理解人類大腦的工作機制具有重要意義。
普及神經生物學不僅需要更多的人才和資金投入，更需要科學家們的熱情和耐心。多姆貝克及其團隊的研究成果為這個領域的發展注入了新的活力，也為我們更好地了解自己和世界提供了更多的可能性。
