科学家用VR助力动物大脑实验研究，促进神经科学发展

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“VR大大促进了神经科学。”

（映维网 2019年05月06日）一只在泡沫滚轮上奔跑的老鼠正快速通过看似无穷无尽的走廊，而四周的墙壁布满了黑白相间的条纹。但墙壁并非真实之像，它只是利用投影幻觉的模拟之境。

当鼠标探索这个虚拟世界时，神经科学家亚曼·萨利姆（Aman Saleem）会观察老鼠脑细胞的运作。刺激老鼠视网膜的光线会触发电脉冲，并传播到初级视觉皮层中的神经元，而萨利姆早已在其中植入了电极。教科书写道神经元响应于特定的刺激，因此相同的输入模式应该能引起一致的响应。但研究表明，事实并非如此。当鼠标遇到先前重复的场景时，神经元以不同的模式激发。

位于伦敦大学学院实验室的萨利姆表示：“如果你在五年内告诉我这一点，我会说‘不，不是真的，那不可能’。”他在2018年9月1日发表的研究结果显示，当老鼠在走廊中奔跑时，海马体中的细胞会以某种方式改变视觉皮层细胞的激发方式。换句话说，老鼠对两个相同场景的神经表示不尽相同，具体取决于它对自己位置的感知。

毫无疑问，动物的体验会改变它对世界的感知：所有的大脑都能从经验中学习，并结合多种信息流来构建对现实的感知。但研究人员曾经认为，至少在大脑中的特定区域中（首先处理感觉器官输入的区域）能够相对忠实地创建外部世界的表征。根据这个模型，所述表征将前往“联系”区域，并与记忆和期望结合以产生感知。

现在人们普遍认为这种观点过于简单化（其主要是基于二十世纪的研究，当时神经科学家会麻醉或固定动物，并测量动物大脑是如何对被动呈现的刺激作出反应）。在2010年一项具有里程碑意义的小白鼠研究中，研究人员保持小白鼠头部固定以维持对视图的控制，但允许小白鼠站立或奔跑。对于移动的小白鼠，视觉神经元的激发速度比正常情况超过两倍。所述发现引发了一系列的实验，以探索动物在活动期间的大脑变化，包括感觉区域对外界的反应方式。纽约冷泉港实验室的神经科学家安妮·邱奇兰德（Anne Churchland）表示：“这些结果具有颠覆性的意义。”

1. “VR大大促进了神经科学。”

虚拟现实技术不是探索所述领域的唯一方法。例如，当动物在实验室中移动时，神经科学家会同时记录多个脑区。但在过去十年中，已有数十个研究团队开始将小老鼠置于VR模拟之中。萨利姆表示，经常有人问他是否真的有必要采用虚拟现实，而他的回答是：如果没有虚拟现实，他的大部分实验都不可能实现。在VR中，动物将拥有更强的沉浸感，因为它们看到的世界可以根据其动作进行响应，就像是在现实世界中一样。与此同时，科学家仍然能够保持对实验的严格控制，并且可以随意增加，减少或扭曲感官输入。在萨利姆的实验采用了《黑客帝国》的元素：这位实验者将涉及的VR设备命名为尼奥，墨菲斯和崔妮蒂。

只要动物头部受到束缚，并且体验着一个比真实环境简单得多的VR世界，总会有人质疑动物大脑处理VR的程度是否与“真实世界”一样。但是，这有助于VR研究人员解锁探索大脑构建世界感知的新方法。加州大学旧金山分校的神经科学家迈克尔·史赛克（Michael Stryker）说道：“VR大大促进了神经科学。”

2. VR研究论文的激增

早在20世纪60年代，研究运动学的生物学家就曾拴住果蝇的头部，并令其在乒乓球上行走。当VR在21世纪初开始兴起时，神经科学家们重新把目光投向了这种方法。虚拟现实技术提供了一种观察动物大脑活动的方法。即使头部保持不动，科学家都有可能欺骗动物，令其认为自己正在自由地漫游。这允许研究人员通过复杂的脑记录技来为大量的神经元成像。于是，果蝇再次固定在乒乓球上，而研究斑马鱼幼虫的科学家则将其头部固定在琼脂块中，但允许它们像正常游泳时摆动尾巴。斑马鱼和果蝇的研究帮助科学家们看到了更简单的神经回路。不过，其他研究人员希望研究更复杂的哺乳动物大脑。特别地，他们对大脑皮层感兴趣，因为这里充满多层神经元的区域对哺乳动物的智力十分重要。

早在2005年，研究人员就报告了一种用于老鼠的原型VR系统。当普林斯顿大学的大卫·塔克（David Tank）为老鼠制造了VR模拟器之后，这种方法就成为了主流。塔克当时正在研究老鼠的导航系统：海马体及附近大脑区域的细胞，其用于帮助动物追踪其在空间中的位置。研究人员首先在老鼠体内植入了电极，并记录脑细胞的激发。研究的进展帮助塔克获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。但塔克希望通过精细的细胞内电极来进一步研究神经元的激发。这要求动物头部保持静止，所以塔克和克里斯·哈维（Chris Harvey）开发了一个足够丰富的虚拟世界，并营造了一种在空间中移动的感觉。在2009年，研究小组在一项研究中报告了这个老鼠VR系统，并首次描述了海马体神经元的运作原理。他们利用多个感官输入流创建了一个空间地图。

这项研究在过去几年中导致了关于哺乳动物VR的论文激增。实验室纷纷研究导航细胞和视觉细胞，探索它们是如何相互影响。在弗吉尼亚州阿什伯恩的霍华德·休斯医学研究所中，位于跑步机的老鼠在完全黑暗中行走，而面板不断从侧面进出，从而营造一种其正在向下移动的幻觉。在伊利诺伊州的西北大学，取决于老鼠在球形跑步机的奔跑方式，其追逐的气味将减弱或增强。塔克表示：“出现了各种各样的版本。这是一个完整的生态系统。”

很难确定动物是如何体验这种虚拟世界。研究人员经常将沉浸在驾驶游戏中的人类作为类比：玩家知道自己实际上并没有在驾驶赛车，但大脑充分参与了能够激活与真实驾驶体验相同的视觉过程。科学家在解释VR实验时的主要关注点是，尽管投影图像与鼠标的运动同步变化，但其他感官输入却没有。另外，头部固定的老鼠无法接收到现实世界中的头部运动信号或平衡信号。对于希望研究海马体导航系统是如何利用各种感官输入来创建空间感的科学家来说，这些问题尤其令人不安。

加利福尼亚大学的神经科学家马扬·梅达（Mayank Mehta）在2015年报告说，当大鼠探索2D VR系统时，海马神经元的发射方式不同，其程度小于啮齿动物在真实世界复制空间中走动时。 （为重建VR设置，梅达给房间的窗帘印上了图案）梅达表示，现实世界的触觉，嗅觉和声音提示，以及老鼠自然移动头部和身体的能力保持同步，从而以与模拟不同的方式参与至动物的导航系统。但梅达的观点并未显著削弱其对VR的兴趣。正如他和其他人所表明的那样，当啮齿动物沿走廊直线移动时，VR和现实世界产生了类似的神经激发模式。在新型的VR系统中，啮齿动物已经在能够在球形跑步机中运动，从而创建了自然的平衡和运动信号，而研究人员确实看到了类似于真实世界的空间神经表征。

梅达指出，这些实验正在帮助研究人员探索虚拟现实要达到何种逼真程度才能令大脑无法区分。相关的方法是增强现实，亦即动物能够在实验室空间中自由移动，但通过投影至墙壁的图像，科学家依然能够控制其感知的画面。在这些研究中，科学家们不能使用某些神经记录方法，但他们可以看到对大脑空间感知而言十分重要的感官输入。曾因大脑导航系统而获得2014年诺贝尔奖的挪威科技大学神经科学家爱德华·莫索尔认为，只要科学家们意识到这些细微差别，VR就是一种强大的技术。

3. 不可能的世界

莫索尔指出，令VR尤为强大的原因是，“你可以随心所欲地操纵环境因素，并保持其他因素不变”。虚拟现实模拟甚至可以改变物理定律。在自然界中，如果动物以特定速度奔跑，而视觉输入会按照这一速度变化。但在VR中，你可以打破这种关联。

例如，神经科学家一直想知道，动物在空间中移动的感知是否更多地受到关于其自身运动的内部信号所影响，还是说更多地受到其看到的画面所影响。在2018年，斯坦福大学的丽萨·吉奥科莫（Lisa Giocomo）研究了向海马体馈送的神经元。VR实验表明，当外界以极快的速度通过时（如正穿过森林时的动物看着附近的树木），视觉线索将主导导航系统的这一部分。当信号移动得更慢时，由动物自身运动产生的信号将取而代之。

瑞士弗雷德里希·米歇尔生物医学研究所（Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research）的神经科学家格奥尔·凯勒（Georg Keller）同样在实验中控制了老鼠移动和视觉的关联。他在2016年报告道，当虚拟走廊的一小部分没有与老鼠的移动同步时，他称之为“不匹配细胞”的子集将开始激发。凯勒认为，这种细胞可以帮助老鼠检测出非因自身运动产生的信号。他相信这可以为一个可追溯到20世纪40年代的理论提供证明，亦即大脑不断预测可能发生的事情，而皮层区的作用是检测相关预测的偏差。在这个模型中，老鼠预期看到的内容有一部分是基于其它所看到的画面的记忆，以及它自己的运动。这种预期会影响视觉皮层中的神经元激发。

其他VR实验显示，过往的经验是如何塑造视觉皮层活动。英国爱丁堡大学的神经科学家娜塔莉·罗什福尔（Nathalie Rochefort）在2018年报告说，当她在虚拟走廊的一个特定点给予小白鼠奖励后（一滴可以解渴的水），表征虚拟走廊的视觉皮层发生了巨大变化。在一开始，走廊的所有区域在视觉皮层中都产生相等量的神经活动。但一旦“奖励区”激活时，大多数视觉皮层神经元开始只在这一位置激发。

经过数十年针对啮齿动物大脑的详细研究后，科学家们开始利用VR来探索研究结果是否同样适用于灵长类动物的大脑。例如，华盛顿大学的伊丽莎白·布法罗（Elizabeth Buffalo）正通过VR来证明灵长类动物的海马体包含“位置细胞”，就如同啮齿动物一样。在实验中，猴子通过移动操纵杆来探索投射的Y形迷宫。布法罗测试猴子记忆路线的能力，从而分析海马体的空间表征是如何与它在记忆中扮演的关键角色相互作用。她解释说：“我们喜欢VR的原因是，我们可以执行丰富的行为任务。”

4. 走向更逼真的现实

纽约大学纽约大学的神经科学家大卫·施耐德（David Schneider）指出，经过十年的VR探索，研究感官系统的科学家们已经不再局限于观察单独的大脑区域。在很长一的段时间里，科学家们一直在探究感觉神经元是如何响应视觉，声音，气味和纹理而激发。但现在，研究人员认识到感觉皮层中的神经元“代表了世界某种特征的交叉，以及动物所做事情的某些方面”。当科学家只向无法移动的老鼠呈现图像时，他们明白初级视觉皮层中的细胞只是单纯编码这种视觉刺激。当向可活动老鼠呈现运动图像时，运动显然同时塑造了神经元的活动。现在科学家正在仔细研究动物的位置感，预期，以及经验关联。结果证明，这同样是视觉皮层神经活动的一部分。

英国剑桥大学的神经科学家贾斯珀·普尔特（Jasper Poort）正在帮助开发能够追踪老鼠头部运动和眼睛运动的头戴式摄像系统。这个设备的目标是帮助研究人员监测动物在自由移动时所看到的画面。他预测，观察动物在更复杂环境中执行更复杂的行为将进一步揭示记忆，注意力，以及大脑功能的其他方面是如何影响早期感觉处理。他解释说：“实验的方式可以带来完全不同的结果。”

施耐德补充说，50年后，科学家们可以看看基于VR实验数据的模型，并发现它们同样是过于简单。史赛克表示：“从长远来看，随着技术的进步，一切都会变得不那么虚拟。”但就目前而言，他认为将老鼠置于游戏模拟中仍然是一种富有成效的实验，因为“真正的现实可不好侍候。”