趣解读 | VR这么有趣，小老鼠也要沉浸式体验！

CASIA

解锁更多智能之美

VR在今天已经是一个不陌生的名词，你也许看过一场VR电影，玩过VR游戏，或者也深深向往过《头号玩家》里的VR世界……仿佛时空隧道，它可以将我们瞬间代入虚拟世界，沉浸在或近或远的奇幻场景中。

但是，你有没有想过让动物们也感受一下虚拟现实呢？

比如喜欢运动的小老鼠也可以在跑步机上体验驰骋草原的乐趣~或者，在“家”也能沉浸式享受钻地洞的隐秘空间。

近日，中国科学院自动化研究所与中国科学院神经科学研究所合作研制了一套基于可视化编程的啮齿动物沉浸式VR系统，通过简单的操作即可构建仿真环境，带小动物沉浸式感受虚拟世界。

演示视频

不过，沉浸式VR系统可不是供小动物们娱乐放松的电影院、游戏厅，它在科研工作中可大有用处！

今天我们要介绍的啮齿动物VR系统具体用于什么“正经”任务呢？

首先，我们要了解一个概念——场景认知 。

场景认知是高级认知功能的一个重要研究方向，它能够调节个体的学习、记忆能力，甚至对个体生存和病症治疗也起着至关重要的作用。但是，由于问题本身的复杂性以及相关技术手段的匮乏等原因，人们对场景认知及其对行为调控的神经机理还知之甚少。因此，以小型动物为对象进行行为训练对于研究场景认知行为的神经生物学机理意义重大。

而啮齿动物沉浸式VR系统可以通过虚拟场景来研究动物的场景认知，也可以通过虚拟现实系统在动物中建立一系列的行为范式，进而研究抉择、空间导航和学习记忆等神经科学的前沿问题。

系统介绍

——如何让啮齿动物沉浸式体验VR场景？

该系统包括中控单元、虚拟感知单元、虚拟运动单元、虚拟视觉单元和视频录制单元。其中虚拟感知单元、虚拟运动单元和虚拟视觉单元构成了一个多感觉信息融合的仿真环境，中控单元负责构建一个灵活操控的、交互式的三维动态空间。

系统的主要特点体现为：

1.多模态：虚拟视觉、虚拟听觉、虚拟触觉、虚拟嗅觉。

2.多维度：运动速度检测、运动方向检测、舔水检测、外接双光子成像检测、光纤成像检测和外接多通道电生理记录。

3.多反馈：给水奖励、电击刺激、吹气刺激、光遗传刺激。

整个系统采用模块化设计，实验者可以根据实验需求对每个单一模块进行优化和拓展，使得整个系统具有良好的灵活性和兼容性。

总体框架

灵活构建一个三维动态空间

中控单元利用可视化编程界面，采用拖拽、组合的方式设计程序。同时开发了自定义积木，将所有功能指令转换成执行组件，如下图所示。自定义积木清晰明了地表示虚拟空间的所有指令，使无任何计算机开发基础的实验者也可以根据实验要求自主灵活地搭建和配置实验程序，设计复杂、灵活的小动物行为训练方案。操作简单明了，且方便进行延展和优化，从而满足不同的实验要求及环境。

自定义积木

实现运动与视觉场景的实时交互

虚拟运动单元采用吹气式悬浮装置和光电定位技术，通过空气调节装置给充气管充气使乒乓球托起悬浮的泡沫球。动物身体以泡沫球作为支撑，可以在泡沫球上自由跑动。光电定位装置实时监测泡沫球滚动的方向和速度，经过计算分析转换为动物在虚拟空间中的位置信息及运动状态，同时实时更新虚拟视觉装置上显示的图像，从而实现啮齿动物的运动状态与虚拟视觉场景之间的实时交互。

虚拟运动单元

实验表明，利用该系统可以训练动物根据虚拟场景不同而做出相应的行为抉择，即经典的Go/No-go行为范式。同时对海马CA1细胞进行钙成像记录，从4只小老鼠的示例来看，都可以表现出与自由活动动物的海马CA1细胞一致的放电模式。

(a)虚拟场景中的行为训练; (b)悬浮球上训练的小老鼠; (c) 虚拟视觉空间;(d) 4只小老鼠海马CA1细胞放电模式

   结语   

小动物们的VR之旅为场景认知研究提供着各种各样的可能性。

在科研实验中利用虚拟系统实现丰富的仿真空间和场景，不仅可以严格控制实验研究条件，还可以在无人工干扰的情况下快速切换场景，从而得到更全面、更真实、更及时的实验数据，为解析高级认知功能神经环路机理研究提供了新的方法和工具。

通过沉浸式VR系统，研究者们得以更加灵活地开展小动物认知场景实验，训练它们根据场景变化做出行为抉择，也将在沉浸式的交互空间里更深入地探索认知的奥秘！

本研究的主要作者为中国科学院自动化研究所的刘丽和王子洋，通讯作者为中国科学院自动化研究所刘禹研究员和中国科学院神经科学研究所徐春研究员。相关研究成果发表于International Journal of Automation and Computing。

论文信息

Li Liu, Zi-yang Wang, Yu Liu, Chun XU.  An Immersive Virtual Reality System for Rodents in Behavioral and Neural Research. IJAC, Vol. 18 No. 5 October 2021.

---

欢迎后台留言、推荐您感兴趣的话题、内容或资讯！

如需转载或投稿，请后台私信。