摘要：得益于独特的基因构成、出色的迷宫导航能力以及对奶酪的喜爱，小鼠长期以来一直是行为学和神经学研究的理想模型。近年来，随着虚拟现实（VR）技术的发展，小鼠进入了新的研究领域——沉浸式虚拟环境。康奈尔大学的研究人员最近开发了一种微型VR头显——MouseGoggle

图片来源：Cornell University

得益于独特的基因构成、出色的迷宫导航能力以及对奶酪的喜爱，小鼠长期以来一直是行为学和神经学研究的理想模型。近年来，随着虚拟现实（VR）技术的发展，小鼠进入了新的研究领域——沉浸式虚拟环境。康奈尔大学的研究人员最近开发了一种微型VR头显——MouseGoggles，进一步提升了小鼠在虚拟现实中的沉浸感。

这些可爱的MouseGoggles由廉价的现成组件组成，如智能手表显示屏和微小的镜头，能够在广阔的视野范围内提供视觉刺激，同时追踪小鼠的眼球运动和瞳孔变化。这项技术有望揭示与空间导航和记忆功能相关的神经活动，为研究人员提供关于阿尔茨海默病等疾病及其潜在治疗方法的新见解。

研究介绍

图片来源：Nature Methods

这项发表在《Nature Methods》上的研究由康奈尔工程学院生物医学工程教授克里斯·舍弗（Chris Schaffer）和文理学院神经生物学与行为学助理教授伊恩·埃利伍德（Ian Ellwood）领导。论文的主要作者是博士后研究员马修·艾萨克森（Matthew Isaacson）和博士生常洪宇（Hongyu Chang）。

“在构建工具时，能够创造出比现有技术更强大且更简单、更便宜的东西，这是一次难得的机会。”艾萨克森说，“这为神经科学研究带来了更多的实验能力，并且这种技术更加易于获取，因此可以被更多的实验室使用。”

舍弗的实验室与诺佐米·西村（Nozomi Nishimura）副教授共同运营，专注于开发基于光学的工具和技术，结合其他方法，研究导致神经退行性疾病功能丧失的分子和细胞机制。

研究方法

一个特别的研究方向是研究阿尔茨海默病小鼠模型中未解释的大脑血流量减少现象。通过解除微小毛细血管的阻塞并增加血流量，研究人员发现小鼠的记忆功能在数小时内得到了改善。

“这一发现非常令人兴奋，因为它表明，在阿尔茨海默病中，可能有一些方法可以恢复部分认知功能。”舍弗说，“下一步是揭示血流量改善如何提升大脑神经元的功能。为此，我们需要比以前更强的实验能力。”

大约十年前，研究人员开始为小鼠设置笨重且昂贵的投影屏幕，以创建虚拟现实环境。然而，这些装置往往体积庞大，光污染和噪音会干扰实验。

“我们让行为任务越沉浸，就越能研究到自然状态下的大脑功能。”舍弗说。

艾萨克森此前曾为果蝇设计显示系统，他着手组装一个更简单但更具沉浸感的静态VR装置，以便小鼠更快地学习。幸运的是，许多他需要的组件——微小的显示屏和镜头——已经商用化。

“这个项目确实受益于‘黑客精神’，即将为其他目的制造的部件应用于新的情境。”艾萨克森说，“结果证明，最适合小鼠VR头显的显示屏几乎就是为智能手表制造的。我们很幸运，不需要从零开始设计或制造任何东西，所有所需的廉价部件都可以轻松采购。”

MouseGoggles并不是传统意义上的可穿戴设备。小鼠站在跑步机上，头部固定不动，通过一对眼罩观看虚拟环境。研究人员可以通过荧光成像观察小鼠的神经活动模式。

与埃利伍德实验室合作，研究团队对佩戴MouseGoggles的小鼠进行了多项测试。在神经学方面，他们检查了两个关键区域：初级视觉皮层，以确保头显能在视网膜上形成清晰、高对比度的图像；海马体，以确认小鼠大脑成功映射了虚拟环境。其他测试则侧重于技术层面，例如头显显示是否能快速更新并对小鼠的动作做出响应。

最重要的是，研究人员需要观察小鼠在新设备中的行为。一个特别有效的测试是欺骗小鼠，使其认为一个逐渐扩大的黑斑正在向它们逼近。

“当我们用传统的大型屏幕VR设置进行这种测试时，小鼠完全没有反应。”艾萨克森说，“但几乎所有小鼠第一次戴上头显看到这个黑斑时都会跳起来。它们表现出巨大的惊吓反应，似乎真的认为自己受到了迫近捕食者的攻击。”

研究未来

当研究人员提交他们的研究成果给《Nature Methods》时，一位匿名审稿人建议他们在每个眼罩中添加摄像头，记录小鼠的瞳孔变化，验证动物的参与度和觉醒状态。这一要求虽然增加了难度，但也带来了意想不到的好处。

“他们挑战我们完成一项艰巨的任务，并让它全部运作起来。”舍弗说，“在过去一年里，已经有三篇关于小鼠VR头显的论文发表。显然，这个领域已经准备好迎接这样的创新。但我们是唯一一家集成了瞳孔测量和眼动追踪的实验室，这对于很多神经科学研究来说是至关重要的。”

研究团队正计划进一步开发MouseGoggles，包括为更大的啮齿动物（如树鼩和大鼠）设计轻便、移动版本的头显，内置电池和板载处理单元。舍弗还设想将更多感官（如味觉和嗅觉）融入VR体验中。

“我认为五感虚拟现实对于小鼠实验是一个值得探索的方向。”他说，“我们希望理解这些复杂的多感官整合行为，其中小鼠需要综合感觉信息，并根据内部动机状态（如休息和食物的需求）做出决策。”

来源：启真脑机智能基地