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美國西北大學（Northwestern University）開發了專為小鼠設計的虛擬實境（virtual reality, VR）眼鏡。這些迷你眼鏡不僅外觀可愛，還為實驗室中的小鼠提供了沉浸式的體驗。透過更忠實地模擬自然環境，研究人員可以更精確地研究行為背後的神經迴路。這項研究已發表在《神經元》（Neuron）期刊，同時也是首次有研究使用VR系統模擬來自頭頂的威脅，以了解小鼠的反應。

傳統小鼠虛擬實境實驗的設置與障礙

西北大學魏因伯格文理學院（Weinberg College of Arts and Sciences）的神經生物學教授多姆貝克（Daniel Dombeck）所率領的研究團隊，是將VR系統和高解析度、雷射為基礎的影像系統應用於動物研究的領頭羊。儘管研究人員可以在自然界觀察動物，但在動物與真實世界互動的同時，很難捕捉到牠們的實時腦活動模式。為了克服這項挑戰，研究人員將VR整合到實驗室環境中。
 
在過去的15年裡，研究人員主要使用大型電腦或投影螢幕包圍小鼠，以視覺呈現實驗場景進行研究。但此實驗方式有如人類在客廳裡看電視，依舊能看得到沙發和周圍的牆壁，周圍露出的實驗室環境線索讓小鼠知道自己並不在實際場景中，且螢幕的平坦特性也無法傳達立體深度。另一個缺點是將螢幕安裝在小鼠頭部上方十分困難，因此無法模擬懸在頭頂的威脅，例如盤旋的猛禽。不過若能戴上VR眼鏡，就可以占據實驗對象所有的視野範圍、只能看到被投影的場景，甚至還包括過去不存在的立體深度以及正上方的影像資訊，這是過去小鼠VR實驗難以達到的效果。新型專屬小鼠的VR眼鏡的成功研發，讓相關實驗有了更大的操作空間。
 

將VR眼鏡縮小了，小鼠的實驗表現更理想

隨著硬體微型化的進展，多姆貝克和他的團隊著手開發小鼠實驗用的VR眼鏡，以更忠實在實驗中模擬真實環境。他們使用訂製設計的鏡片和迷你有機發光二極管（organic light-emitting diode, OLED）顯示器，創造出了迷你緊湊專為小鼠設計的眼鏡。這個名為「微型齧齒動物立體光照虛擬實境」（Miniature Rodent Stereo Illumination VR, iMRSIV）的系統包括兩個鏡片和螢幕——頭部兩側的眼睛都有投影，以提供立體的視覺效果，並為每顆眼睛提供180°的視野，使小鼠可以完全沉浸在畫面並排除周圍的環境視覺訊息。
 
透過監控小鼠的腦部活動，研究團隊發現，戴著VR眼鏡小鼠的大腦活動方式與自由活動的動物非常相似。此外，相較於過去的VR實驗，戴著VR眼鏡的小鼠與場景的互動比未戴眼鏡的小鼠更為主動，在與場景互動時的反應速度也更快。不僅如此，使用與過去相同的的訓練模式時，戴著VR眼鏡的小鼠學習得更快，在第一次訓練後就能完成任務。這些小鼠更快了解該往哪裡跑，並在正確的地方尋找獎勵。研究人員認為之所以不需要那麼多的訓練，是因為VR眼鏡讓小鼠可以用更自然的方式解讀視覺環境訊息、進行互動。
 

模擬來自上方的威脅

除此之外，研究人員還使用VR眼鏡模擬頭頂威脅。頭頂上方是動物經常尋找空間關鍵，有時甚至生死攸關的訊息的方向，也因此小鼠對於視野頂部的影像非常敏感，藉此檢測到來自上方的掠食者。這不是一種學習而來的行為，而是一種先天的行為，是小鼠大腦內的固有反應。
 
為了模仿來自頭頂逼近的威脅，研究人員在眼鏡的頂部——也就是小鼠的視野頂部，投影出一個黑色、不斷擴大的圓盤。目前的實驗已經顯示，小鼠在注意到上方出現的影像圓盤後，會加快跑步或凍結不動，這兩種行為都是對頭頂威脅的常見反應。研究人員因此能夠記錄神經活動，以詳細研究這些反應，這都是過去的VR設備難以實現的目標。
 
未來研究團隊還希望觀察更多小鼠不是獵物而是掠食者的情況，例如提供蒼蠅的影像時，大腦會出現的活動模式。這種活動涉及到很多深度感知和距離的估計，都是認知科學有所進展的部分。
 

為更多的研究開啟大門

傳統的VR系統相當複雜，不只昂貴且體積需求大，需要一個大實驗室和很多的空間。加上訓練一隻小鼠完成一項任務需要很長時間，因此同一時間能做的實驗數量就變得很有限。多姆貝克團隊所研發的VR眼鏡小巧且相對便宜，操作上也容易，有機會讓更多研究團隊加入以VR技術進行行為研究的行列，為更多的研究開啟大門，讓相關的神經生物學研究更容易進行。

 
新聞來源
1. Morris, A. (2023 December 8). Immersive VR goggles for mice unlock new potential for brain science. Northwestern Now. https://news.northwestern.edu/stories/2023/12/immersive-vr-goggles-for-mice-unlock-new-potential-for-brain-science/
2. Pinke, D. et al. (2023). Full field-of-view virtual reality goggles for mice. Neuron.