新技术为动物最复杂器官的研究打开了一扇新的大门。
一只老鼠在灰色条纹四壁的迷宫中徘徊，寻找一条能让它抵达获取解渴奖励的路径。对于老鼠来说，这个迷宫是真实的，但实际上它只是一个虚拟的世界。虚拟现实（VR）已经成为研究动物大脑和行为的重要工具，研究人员可以在虚拟现实中精确地控制感觉信号，将神经细胞活动与特定的动作联系起来，以方便研究人员“做一些在现实世界中无法进行的实验。”哈佛医学院神经生物学家克里斯多弗·哈维（Christopher Harvey）和他的同事在2016年发表于《自然》杂志的一篇评论中写道。
导航研究是一个很好的例子。外部的声音、气味、味道和纹理以及平衡和空间定向等内部信息与视觉提示结合起来，帮助老鼠在迷宫中穿行。在虚拟环境中，研究人员可以对这些感觉输入进行任意的添加或删除，以了解老鼠在迷宫探索和其他行为中，这些因素是如何对神经细胞激活和神经网络模式产生影响的。
但有一个问题，许多虚拟现实装置会严重限制实验动物的移动方式，而实验正是需要通过这种移动来改变神经细胞对感官线索的反应。因此，一些研究人员已经开始建立一些可让动物在虚拟环境中更自由移动的VR实验装置，另一些研究人员则开始使用机器人来帮助动物导航或模拟同类动物之间的互动。科学家最近在这两个领域内进行了探索研究，目的是在解读现实的过程中，让实验动物的大脑产生一种更真实的感觉。
磁系绳控制果蝇飞行
图1 研究人员利用磁系绳技术研究昆虫眼睛和身体的移动方式以及对虚拟现实场景的反应，它们眼中看到的是全景或是单一的一根竖线
研究者 马克·弗莱伊（Mark Frye）,加利福尼亚大学洛杉矶分校神经科学家。
VR设置 磁系绳控制实验动物飞行。
垂直的线条、小小的“盒子”以及由垂直线条组成的移动景色，看起来似乎微不足道，但在一只果蝇的世界里，它们代表的是另外一些含义，如树木（竖线），食肉动物（小盒子）以及被风吹离了航线（线条）。“我们感兴趣的是视觉系统如何区分这些特征，”弗莱伊说，“我们自己的大脑也在做着同样的事情，但在分子和单个细胞的层次上，我们还没有清楚地理解。”
弗莱伊和他的同事研发了一种让果蝇在虚拟环境中飞翔的磁系绳系统，研究人员将一根小别针用胶粘在果蝇背部（果蝇脑袋后面和两个翅膀的中间位置），将与别针粘在一起的果蝇放进磁场中，让它可以进行垂直移动，然后让果蝇在环绕着一圈投影仪的场地中进行飞行活动。
实验条件 少量廉价的稀土磁铁（10美元；参见弗莱伊实验室网站上的列表），一个微型的V形枢轴轴承，还有一只钢销。还需要一台摄像机和电脑来跟踪果蝇的身体角度以及一个LED显示屏来显示视觉刺激。“果蝇视物的速度比人类要快得多，能检测到我们标准计算机显示器的闪烁频率，因此我们要给它们准备速度更快的显示设备。”弗莱伊说。LEDs可用一些较小的8×8像素显示屏，将它们像积木一样连接起来（每个需30美元，总成本约为1?500美元）。果蝇能看到全景的视觉显示为96×32像素。这对于我们人类来说似乎真的是极低的分辨率，但果蝇的空间分辨率较差，所以通过它们的眼睛看这些显示器就像我们看高清电视一样，弗莱伊说。
实验结果 弗莱伊和他的同事最近使用的磁系绳控制装置研究飞行中的果蝇眼睛是如何飞快扫视的，是如何从一个位置很快移动到另一个位置的。几十年的研究表明，被严格固定的果蝇的眼睛视线会平稳地移动跟踪一条投影竖线。但是新的实验设置显示的情况正好相反，果蝇的眼睛在扫视竖线时表现为持续的阵发性行为，而极少平稳运动。相比之下，果蝇的眼睛在扫视全景投影时的移动就表现得很平稳。“这让我豁然开朗，事实上，果蝇眼睛处理竖线刺激根本不是通过平稳的全景系统，”弗莱伊说，“这个实验有趣之处在于：将果蝇牢牢固定在虚拟现实中，在某种程度上会破坏其惯常的视觉处理方式。”
环形跑步机上自由滚动的老鼠
图2 滚动球上的实验鼠。一只在虚拟现实迷宫中寻找出路的大鼠实际上是走在一个叫做伺服球的球形跑步机上
研究者 约克·温特（York Winter）,柏林洪堡大学认知神经生物学家。
VR设置 虚拟现实伺服球。
啮齿类动物头部被固定在普通的VR装置中，会极大地限制它们的行为方式，也就不可能产生需要头部运动的一些复杂的空间定向行为。这种限制对大鼠特别有压力，而且很危险，因为与小鼠相比较，大鼠更强壮，很可能会伤害到试图限制它们活动的人。因此温特和他的同事开发了虚拟现实伺服球，来代替固定头部的虚拟现实跑步机。
大鼠通过射频识别（RFID）――控制门系统，从鼠笼进入VR环境。研究团队注意到，因为大鼠可以随时进入VR竞技场，对它们的训练相对快速且容易，即使是一些需要复杂认知能力的VR实验。
实验条件 通过一个洞穴通道将鼠笼与配备了伺服球的实验场地连接起来，伺服球是一个价值94美元的球形跑步机系统，实验场地中有一个透明的圆柱体，中间包含一个490毫米的平台，这个透明圆柱体将大鼠的运动范围限制在直径600毫米球体的中心部分。跑步机周围是一圈监视器，显示动物在VR场景中的视觉环境。摄像机跟踪老鼠的运动，在闭环中提供反馈，改变球的运动并使老鼠的活动保持在场地中央。外围还有8个可伸缩的液体奖励装置，在实验预定地点为老鼠补充水分。
实验结果 实验动物在探索活动中对伺服球的停止与开始拥有更多自主权，大鼠在身体旋转时，可从场地四壁的实体墙壁接收到触摸信息及平衡信息等，而且，研究小组发现，由于伺服球是电动马达驱动的球体，不需要用力，因此用小鼠，狐猴或鸟类，甚至是昆虫作为实验动物也一样可以。如果将伺服球与光遗传技术或为可以自由移动实验动物设计的显微镜头盔结合起来，这一实验设置也可以用来研究实验动物自由探索时的大脑神经活动。
鼠洞虚拟环境实验
研究者 安东·西若塔（Anton Sirota），路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学神经系统科学家。
VR设置 鼠洞虚拟现实。
球形跑步机可为实验动物精确提供刺激，德国佛雷堡大学神经学家安德鲁·斯特劳（Andrew Straw）说，缺点是动物接收到的感官反馈是不自然的。“特别是在研究空间意识和空间认知时，这种方法可能会有问题。如果动物不能感觉到它在正确地移动，它可能会试图纠正这种情况，而不像在更自然情况下的行动表现。”斯特劳说道。
为了克服这种局限性，包括斯特劳在内的科学家团队开发了电子洞自动虚拟环境装备，一个可让实验动物在里面自由移动的立方体。最早开发的电子洞用于果蝇实验，之后该技术通过进一步改进，可分别用鱼、小鼠进行实验，最近还进行了大鼠实验。
在鼠洞虚拟环境实验中，大鼠可在三维空间里获得视觉反馈和互动，并转而与虚拟墙进行互动，探索虚拟对象，避开虚拟环境中的悬崖，西若塔和他的同事在一篇论文中描述道，大鼠在鼠洞虚拟环境中的行为表现更为自然。
实验条件 试验区是一个矩形场地，类似于常规野外试验用的场地。然而不同的是，在这样的配置中，竞技场被涂成白色，用作投影表面。西若塔用12个一组的高速摄像机阵列（价值2?499～3?499美元）跟踪啮齿类动物的头部位置，三维空间里的大鼠头部布置了一些反光点。这个跟踪系统使得研究团队能够以非常高的分辨率更新啮齿动物的头部位置。为了将虚拟环境映射到投影表面，研究小组使用了与其他啮齿动物VR设置中相同的算法，根据啮齿类动物头部三维位置的变化，映射到投影表面的虚拟环境投影也随之不断更新。
实验结果 实验场的四壁似乎不断被移动到不同的物理位置，实验动物被诱骗相信这样的VR刺激。但在进行了移动的虚拟现实环境与正常环境的实验后，动物们不再会被这样的虚拟环境转变所愚弄。斯特劳说，它们可能会用胡须去感知墙壁，以辨别虚拟现实与真实情况的不匹配。“我认为，通过这个实验表明，通过身体感知到的线索对于了解真实位置所在的影响有多强大。”他说。
从虚拟现实到机器人
图3 巴迪球机器人。除了虚拟现实，研究人员还用机器人进行实验，如这些球形机器人，在啮齿类动物不受限制进行空间导航的实验中，让机器人与它们进行互动
研究者 让马克·费洛斯（Jean Marc Fellous），亚利桑那大学心理学家。
VR设置 球形机器人。
即使实验动物可以自由活动，虚拟环境的限制也会对空间导航时的神经回路产生明显影响。作为替代方案，费洛斯和他的同事让大鼠与机器人互动，以追踪调查大鼠的行为与大脑活动之间的关系。该团队开发了一个机器人制动算法，研究人员可以精确控制啮齿动物的方向和速度，而且，机器人还可以引导大鼠在通过9条可能途径获得奖励的迷宫中寻找正确的路径。
实验条件 球形机器人2.0（价值130美元）是一个小小的球体，费洛斯将这个球形机器人连接到一个类似于战车的精巧装置上。在战车的轮子中间有一个小托盘，里面放着老鼠饲料，帮助它学会跟随着机器人行动，制动算法用来使机器人在精确的位置上停下并以精确的速度移动。
实验结果 费洛斯和他的同事将收集到的机器人引导大鼠行为产生的电生理记录与VR实验得到的数据进行比较。他们发现，无论是老鼠自己学习走迷宫还是在机器人引导下走迷宫，大鼠海马体中的位置细胞的都一样会被激活，所以研究人员可以使用机器人代替VR来研究空间导航的神经活动。
然而，斯特劳指出，虽然机器人是一种令人兴奋的新工具，但它们也有缺点。他说，“用机器人引导或模仿动物行为，对某些实验来说确实很重要，但机器人要受到物理定律的制约，而在虚拟现实中却有可能利用远距传动和其他物理上不可能达成的实验设计。这两项技术可以起到很好的互补作用。”
资料来源 The Scientist
责任编辑 彦隐