VR与神经科学的新里程碑：iMRSIV眼镜引领神经生物学研究浪潮

在神经生物学领域，追求更深入的研究往往需要创新性的技术手段。最近，西北大学的研究人员推出了一项引人瞩目的成果——他们为小白鼠设计了全新虚拟现实（VR）眼镜，这款VR眼镜被命名为Miniature Rodent Stereo Illumination VR（iMRSIV）。

这一突破性的技术不仅提供了更为沉浸式的体验，而且通过更真实地模拟自然环境，使研究人员能够更准确地研究行为背后的神经回路。与此前已有的先进系统相比，这些系统改变了仅仅只是在小白鼠周围堆放屏幕的现状，可以说是完成了一次质的飞跃。

在此前的设备中，小白鼠仍然可以看到从屏幕后面露出的实验室环境，而且屏幕的平面性无法传达三维深度。另一个不足之处则是研究人员无法轻松地将屏幕安装在小白鼠头上，以便模拟从头顶飞来的威胁，比如迫在眉睫的猛禽。

而新型VR眼镜几乎解决了这些问题。而且随着VR的普及，这些眼镜还可以帮助研究人员深入了解人类大脑如何适应和对反复接触VR作出反应——这是目前知之甚少的领域。这项研究近期发表在《神经元》杂志上。这也是研究人员首次使用VR系统模拟处于头顶的威胁。

西北大学的丹尼尔·多姆贝克是该研究的高级作者，他表示：“在过去的15年里，我们一直在为小白鼠使用VR系统。而到目前为止，实验室一直使用大型计算机或投影屏幕包围动物。对于人类来说，这就像在客厅里看电视。你仍然能看到你的沙发和你的墙壁。周围有提示告诉你，你并不在场景内。现在想象一下戴上VR眼镜，比如Oculus Rift，它占据了你的整个视野。你看不到除了投影场景以外的任何东西，而每只眼睛都投影了不同的场景以创建深度信息。这对于小白鼠来说，一直是缺失的。”

多姆贝克是西北大学魏恩伯格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的系统和动物研究的高分辨率激光成像系统方面处于领先地位。此次研究成果无疑为神经生物学领域带来了新的视角和深度，让人期待未来有更多的创新和突破。

虚拟现实（VR）的价值

在自然环境中观察动物虽可行，但在动物与真实世界互动时，要实时洞察其大脑活动的模式却如履薄冰，困难重重。为了攻克这一难题，研究人员巧妙地将VR融入实验室环境之中。在这些精心设计的实验场景里，动物们将在跑步机上穿梭于虚拟迷宫等投影场景。

通过让小白鼠在跑步机上固定跑步——而非任其在自然环境或实体迷宫中自由奔跑——神经生物学家得以运用专业工具，在小白鼠穿越虚拟空间时，深入观察和精准绘制其大脑活动。最终，这将有助于研究人员揭示在各种行为过程中激活的神经回路如何编码信息的一般原则。

多姆贝克坦言：“VR本质上是真实环境的再现。我们的VR系统虽取得了一定成功，但动物可能并未像在真实环境中那样沉浸其中。要让小白鼠专注于屏幕并忽略周围实验室的干扰，需要进行大量训练。”

推出iMRSIV

随着硬件微型化的不断演进，多姆贝克及其团队在实验过程中灵光一闪，萌生了“是否能够开发一款虚拟现实（VR）眼镜，以更逼真地复制真实环境”的创新想法。利用定制设计的镜头和微型有机发光二极管（OLED）显示器，他们成功打造出紧凑型眼镜——iMRSIV。

iMRSIV眼镜精巧细致，由两个镜头和两个屏幕组成——每个头部一个，分别服务于每只眼睛，以确保实现立体3D视觉。这为每只眼睛提供了一个180度的宽阔视野，能够让小白鼠完全沉浸其中，并有效屏蔽周围环境的干扰。

与人类的VR眼镜不同，iMRSIV（发音为“immersive”）并不会环绕小白鼠的头部。相反，眼镜将连接到实验装置上，并直接紧贴在小白鼠面前。这种独特的设计是因为当小白鼠在跑步机上奔跑时，眼镜需要始终保持覆盖小白鼠的视野。

多姆贝克实验室的博士后研究员、研究的共同第一作者约翰·伊萨表示：“我们专门设计并打造了一个用于支撑眼镜的支架。整个光学显示系统（屏幕和镜头）紧密围绕着小白鼠，确保其视野始终被精彩纷呈的虚拟世界所充盈。”

缩短训练时间

通过深入观察小白鼠的大脑活动，多姆贝克及其团队发现，佩戴眼镜的小白鼠的大脑活动方式与自由活动的动物非常相似。横向比较之下，他们发现佩戴眼镜的小白鼠能够比传统虚拟现实系统的小白鼠更快地与场景互动。

“我们采用了过去相同的训练范式，但佩戴眼镜的小白鼠的学习速度明显更快，”多姆贝克说。“在第一次训练后，它们就已经能够熟练完成任务。它们知道在哪里奔跑，并在正确的地方寻找奖励。我们认为它们实际上可能不需要那么多的训练，因为它们可以用更自然的方式与环境互动。”

首次模拟头顶威胁

接下来，研究人员利用眼镜模拟了“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小白鼠的上方，没有地方安装计算机屏幕。然而，小白鼠上方的天空是动物经常寻找重要信息（有时是生死攸关的信息）的地方。

“小白鼠视野的顶部非常敏感，可以从上方检测到捕食者，比如鸟类，”多姆贝克实验室的研究专员、共同第一作者Dom Pinke说。“这不是一种学到的行为；这是一种印刻的行为。它在小白鼠的大脑内编码。”

为了制造一种迫在眉睫的威胁，研究人员将一个黑色的扩展圆盘投影到眼镜的顶部——也就是小白鼠视野的顶部。在实验中，小白鼠一旦注意到圆盘，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，而研究人员此时就能够记录神经活动以详细研究这些反应。

伊萨说：“将来，我们希望研究小白鼠不是被捕食者而是捕食者的情况，例如我们可以观察它追逐苍蝇时的大脑活动。这种活动涉及到很多深度感知和估计距离的过程，这些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，一直以来都是科学界的重要领域。然而，由于其复杂性和高技术要求，许多人对这个领域感到陌生。为了普及神经生物学，让更多人了解这个领域，多姆贝克及其团队做出了巨大的努力。

除了为更多的研究敞开大门，多姆贝克希望这些VR眼镜还能为新的研究人员敞开大门。由于这些眼镜相对廉价，需要的实验室设备较少，他认为它们可以使神经生物学研究更加容易开展。

“传统的VR系统相当复杂，”多姆贝克说。“它们昂贵而且体积庞大，通常需要一个占地面积很大的实验室。而且，训练一只小白鼠完成任务是需要很长时间的，这就限制了你能进行的实验数量。尽管我们仍在努力改进，但我们的眼镜小巧、相对便宜，而且相对来说，对用户友好，所以这可能使VR技术更加容易被其他实验室采用。”

通过这些眼镜，研究人员可以更方便地进行神经生物学实验，而不需要过多的设备和训练时间。这使得更多的研究人员可以接触到这个领域，开展更多的研究工作。

此外，多姆贝克及其团队的研究成果也为神经生物学领域带来了新的视角和深度。他们通过观察小白鼠的大脑活动，揭示了神经回路在各种行为过程中的编码信息的一般原则。这同样对于理解人类大脑的工作机制具有重要意义。

普及神经生物学不仅需要更多的人才和资金投入，更需要科学家们的热情和耐心。多姆贝克及其团队的研究成果为这个领域的发展注入了新的活力，也为我们更好地了解自己和世界提供了更多的可能性。