編譯 秦雪

新技術(shù)為動(dòng)物最復(fù)雜器官的研究打開了一扇新的大門。

一只老鼠在灰色條紋四壁的迷宮中徘徊，尋找一條能讓它抵達(dá)獲取解渴獎(jiǎng)勵(lì)的路徑。對(duì)于老鼠來說，這個(gè)迷宮是真實(shí)的，但實(shí)際上它只是一個(gè)虛擬的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）已經(jīng)成為研究動(dòng)物大腦和行為的重要工具，研究人員可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中精確地控制感覺信號(hào)，將神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)與特定的動(dòng)作聯(lián)系起來，以方便研究人員“做一些在現(xiàn)實(shí)世界中無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?！惫疳t(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)家克里斯多弗·哈維（Christopher Harvey）和他的同事在2016年發(fā)表于《自然》雜志的一篇評(píng)論中寫道。

導(dǎo)航研究是一個(gè)很好的例子。外部的聲音、氣味、味道和紋理以及平衡和空間定向等內(nèi)部信息與視覺提示結(jié)合起來，幫助老鼠在迷宮中穿行。在虛擬環(huán)境中，研究人員可以對(duì)這些感覺輸入進(jìn)行任意的添加或刪除，以了解老鼠在迷宮探索和其他行為中，這些因素是如何對(duì)神經(jīng)細(xì)胞激活和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式產(chǎn)生影響的。

但有一個(gè)問題，許多虛擬現(xiàn)實(shí)裝置會(huì)嚴(yán)重限制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的移動(dòng)方式，而實(shí)驗(yàn)正是需要通過這種移動(dòng)來改變神經(jīng)細(xì)胞對(duì)感官線索的反應(yīng)。因此，一些研究人員已經(jīng)開始建立一些可讓動(dòng)物在虛擬環(huán)境中更自由移動(dòng)的VR實(shí)驗(yàn)裝置，另一些研究人員則開始使用機(jī)器人來幫助動(dòng)物導(dǎo)航或模擬同類動(dòng)物之間的互動(dòng)?？茖W(xué)家最近在這兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了探索研究，目的是在解讀現(xiàn)實(shí)的過程中，讓實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦產(chǎn)生一種更真實(shí)的感覺。

磁系繩控制果蠅飛行

研究者 馬克·弗萊伊（Mark Frye）,加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校神經(jīng)科學(xué)家。

VR設(shè)置 磁系繩控制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飛行。

垂直的線條、小小的“盒子”以及由垂直線條組成的移動(dòng)景色，看起來似乎微不足道，但在一只果蠅的世界里，它們代表的是另外一些含義，如樹木（豎線），食肉動(dòng)物（小盒子）以及被風(fēng)吹離了航線（線條）。“我們感興趣的是視覺系統(tǒng)如何區(qū)分這些特征，”弗萊伊說，“我們自己的大腦也在做著同樣的事情，但在分子和單個(gè)細(xì)胞的層次上，我們還沒有清楚地理解?！?/p>

弗萊伊和他的同事研發(fā)了一種讓果蠅在虛擬環(huán)境中飛翔的磁系繩系統(tǒng)，研究人員將一根小別針用膠粘在果蠅背部（果蠅腦袋后面和兩個(gè)翅膀的中間位置），將與別針粘在一起的果蠅放進(jìn)磁場中，讓它可以進(jìn)行垂直移動(dòng)，然后讓果蠅在環(huán)繞著一圈投影儀的場地中進(jìn)行飛行活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)條件 少量廉價(jià)的稀土磁鐵（10美元；參見弗萊伊實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站上的列表），一個(gè)微型的V形樞軸軸承，還有一只鋼銷。還需要一臺(tái)攝像機(jī)和電腦來跟蹤果蠅的身體角度以及一個(gè)LED顯示屏來顯示視覺刺激?！肮壱曃锏乃俣缺热祟愐斓枚啵軝z測到我們標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)顯示器的閃爍頻率，因此我們要給它們準(zhǔn)備速度更快的顯示設(shè)備。”弗萊伊說。LEDs可用一些較小的8×8像素顯示屏，將它們像積木一樣連接起來（每個(gè)需30美元，總成本約為1 500美元）。果蠅能看到全景的視覺顯示為96×32像素。這對(duì)于我們?nèi)祟悂碚f似乎真的是極低的分辨率，但果蠅的空間分辨率較差，所以通過它們的眼睛看這些顯示器就像我們看高清電視一樣，弗萊伊說。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 弗萊伊和他的同事最近使用的磁系繩控制裝置研究飛行中的果蠅眼睛是如何飛快掃視的，是如何從一個(gè)位置很快移動(dòng)到另一個(gè)位置的。幾十年的研究表明，被嚴(yán)格固定的果蠅的眼睛視線會(huì)平穩(wěn)地移動(dòng)跟蹤一條投影豎線。但是新的實(shí)驗(yàn)設(shè)置顯示的情況正好相反，果蠅的眼睛在掃視豎線時(shí)表現(xiàn)為持續(xù)的陣發(fā)性行為，而極少平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。相比之下，果蠅的眼睛在掃視全景投影時(shí)的移動(dòng)就表現(xiàn)得很平穩(wěn)?！斑@讓我豁然開朗，事實(shí)上，果蠅眼睛處理豎線刺激根本不是通過平穩(wěn)的全景系統(tǒng)，”弗萊伊說，“這個(gè)實(shí)驗(yàn)有趣之處在于：將果蠅牢牢固定在虛擬現(xiàn)實(shí)中，在某種程度上會(huì)破壞其慣常的視覺處理方式?！?/p>

圖2 滾動(dòng)球上的實(shí)驗(yàn)鼠。一只在虛擬現(xiàn)實(shí)迷宮中尋找出路的大鼠實(shí)際上是走在一個(gè)叫做伺服球的球形跑步機(jī)上

環(huán)形跑步機(jī)上自由滾動(dòng)的老鼠

研究者 約克·溫特（York Winter）,柏林洪堡大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)家。

VR設(shè)置 虛擬現(xiàn)實(shí)伺服球。

嚙齒類動(dòng)物頭部被固定在普通的VR裝置中，會(huì)極大地限制它們的行為方式，也就不可能產(chǎn)生需要頭部運(yùn)動(dòng)的一些復(fù)雜的空間定向行為。這種限制對(duì)大鼠特別有壓力，而且很危險(xiǎn)，因?yàn)榕c小鼠相比較，大鼠更強(qiáng)壯，很可能會(huì)傷害到試圖限制它們活動(dòng)的人。因此溫特和他的同事開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)伺服球，來代替固定頭部的虛擬現(xiàn)實(shí)跑步機(jī)。

大鼠通過射頻識(shí)別（RFID）——控制門系統(tǒng)，從鼠籠進(jìn)入VR環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)注意到，因?yàn)榇笫罂梢噪S時(shí)進(jìn)入VR競技場，對(duì)它們的訓(xùn)練相對(duì)快速且容易，即使是一些需要復(fù)雜認(rèn)知能力的VR實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件 通過一個(gè)洞穴通道將鼠籠與配備了伺服球的實(shí)驗(yàn)場地連接起來，伺服球是一個(gè)價(jià)值94美元的球形跑步機(jī)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)場地中有一個(gè)透明的圓柱體，中間包含一個(gè)490毫米的平臺(tái)，這個(gè)透明圓柱體將大鼠的運(yùn)動(dòng)范圍限制在直徑600毫米球體的中心部分。跑步機(jī)周圍是一圈監(jiān)視器，顯示動(dòng)物在VR場景中的視覺環(huán)境。攝像機(jī)跟蹤老鼠的運(yùn)動(dòng)，在閉環(huán)中提供反饋，改變球的運(yùn)動(dòng)并使老鼠的活動(dòng)保持在場地中央。外圍還有8個(gè)可伸縮的液體獎(jiǎng)勵(lì)裝置，在實(shí)驗(yàn)預(yù)定地點(diǎn)為老鼠補(bǔ)充水分。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在探索活動(dòng)中對(duì)伺服球的停止與開始擁有更多自主權(quán)，大鼠在身體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可從場地四壁的實(shí)體墻壁接收到觸摸信息及平衡信息等，而且，研究小組發(fā)現(xiàn)，由于伺服球是電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的球體，不需要用力，因此用小鼠，狐猴或鳥類，甚至是昆蟲作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物也一樣可以。如果將伺服球與光遺傳技術(shù)或?yàn)榭梢宰杂梢苿?dòng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)計(jì)的顯微鏡頭盔結(jié)合起來，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)置也可以用來研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自由探索時(shí)的大腦神經(jīng)活動(dòng)。

鼠洞虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)

研究者 安東·西若塔（Anton Sirota），路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學(xué)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家。

VR設(shè)置 鼠洞虛擬現(xiàn)實(shí)。

球形跑步機(jī)可為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物精確提供刺激，德國佛雷堡大學(xué)神經(jīng)學(xué)家安德魯·斯特勞（Andrew Straw）說，缺點(diǎn)是動(dòng)物接收到的感官反饋是不自然的?！疤貏e是在研究空間意識(shí)和空間認(rèn)知時(shí)，這種方法可能會(huì)有問題。如果動(dòng)物不能感覺到它在正確地移動(dòng)，它可能會(huì)試圖糾正這種情況，而不像在更自然情況下的行動(dòng)表現(xiàn)。”斯特勞說道。

為了克服這種局限性，包括斯特勞在內(nèi)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了電子洞自動(dòng)虛擬環(huán)境裝備，一個(gè)可讓實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在里面自由移動(dòng)的立方體。最早開發(fā)的電子洞用于果蠅實(shí)驗(yàn)，之后該技術(shù)通過進(jìn)一步改進(jìn)，可分別用魚、小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最近還進(jìn)行了大鼠實(shí)驗(yàn)。

在鼠洞虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，大鼠可在三維空間里獲得視覺反饋和互動(dòng)，并轉(zhuǎn)而與虛擬墻進(jìn)行互動(dòng)，探索虛擬對(duì)象，避開虛擬環(huán)境中的懸崖，西若塔和他的同事在一篇論文中描述道，大鼠在鼠洞虛擬環(huán)境中的行為表現(xiàn)更為自然。

實(shí)驗(yàn)條件 試驗(yàn)區(qū)是一個(gè)矩形場地，類似于常規(guī)野外試驗(yàn)用的場地。然而不同的是，在這樣的配置中，競技場被涂成白色，用作投影表面。西若塔用12個(gè)一組的高速攝像機(jī)陣列（價(jià)值2 499～3 499美元）跟蹤嚙齒類動(dòng)物的頭部位置，三維空間里的大鼠頭部布置了一些反光點(diǎn)。這個(gè)跟蹤系統(tǒng)使得研究團(tuán)隊(duì)能夠以非常高的分辨率更新嚙齒動(dòng)物的頭部位置。為了將虛擬環(huán)境映射到投影表面，研究小組使用了與其他嚙齒動(dòng)物VR設(shè)置中相同的算法，根據(jù)嚙齒類動(dòng)物頭部三維位置的變化，映射到投影表面的虛擬環(huán)境投影也隨之不斷更新。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)場的四壁似乎不斷被移動(dòng)到不同的物理位置，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被誘騙相信這樣的VR刺激。但在進(jìn)行了移動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境與正常環(huán)境的實(shí)驗(yàn)后，動(dòng)物們不再會(huì)被這樣的虛擬環(huán)境轉(zhuǎn)變所愚弄。斯特勞說，它們可能會(huì)用胡須去感知墻壁，以辨別虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)情況的不匹配?！拔艺J(rèn)為，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，通過身體感知到的線索對(duì)于了解真實(shí)位置所在的影響有多強(qiáng)大。”他說。

圖3 巴迪球機(jī)器人。除了虛擬現(xiàn)實(shí)，研究人員還用機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如這些球形機(jī)器人，在嚙齒類動(dòng)物不受限制進(jìn)行空間導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)中，讓機(jī)器人與它們進(jìn)行互動(dòng)

從虛擬現(xiàn)實(shí)到機(jī)器人

研究者 讓馬克·費(fèi)洛斯（Jean Marc Fellous），亞利桑那大學(xué)心理學(xué)家。

VR設(shè)置 球形機(jī)器人。

即使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可以自由活動(dòng)，虛擬環(huán)境的限制也會(huì)對(duì)空間導(dǎo)航時(shí)的神經(jīng)回路產(chǎn)生明顯影響。作為替代方案，費(fèi)洛斯和他的同事讓大鼠與機(jī)器人互動(dòng)，以追蹤調(diào)查大鼠的行為與大腦活動(dòng)之間的關(guān)系。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人制動(dòng)算法，研究人員可以精確控制嚙齒動(dòng)物的方向和速度，而且，機(jī)器人還可以引導(dǎo)大鼠在通過9條可能途徑獲得獎(jiǎng)勵(lì)的迷宮中尋找正確的路徑。

實(shí)驗(yàn)條件 球形機(jī)器人2.0（價(jià)值130美元）是一個(gè)小小的球體，費(fèi)洛斯將這個(gè)球形機(jī)器人連接到一個(gè)類似于戰(zhàn)車的精巧裝置上。在戰(zhàn)車的輪子中間有一個(gè)小托盤，里面放著老鼠飼料，幫助它學(xué)會(huì)跟隨著機(jī)器人行動(dòng)，制動(dòng)算法用來使機(jī)器人在精確的位置上停下并以精確的速度移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 費(fèi)洛斯和他的同事將收集到的機(jī)器人引導(dǎo)大鼠行為產(chǎn)生的電生理記錄與VR實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn)，無論是老鼠自己學(xué)習(xí)走迷宮還是在機(jī)器人引導(dǎo)下走迷宮，大鼠海馬體中的位置細(xì)胞的都一樣會(huì)被激活，所以研究人員可以使用機(jī)器人代替VR來研究空間導(dǎo)航的神經(jīng)活動(dòng)。

然而，斯特勞指出，雖然機(jī)器人是一種令人興奮的新工具，但它們也有缺點(diǎn)。他說，“用機(jī)器人引導(dǎo)或模仿動(dòng)物行為，對(duì)某些實(shí)驗(yàn)來說確實(shí)很重要，但機(jī)器人要受到物理定律的制約，而在虛擬現(xiàn)實(shí)中卻有可能利用遠(yuǎn)距傳動(dòng)和其他物理上不可能達(dá)成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這兩項(xiàng)技術(shù)可以起到很好的互補(bǔ)作用。”