一只在泡沫滾輪上奔跑的老鼠正快速通過看似無窮無盡的走廊，而四周的墻壁布滿了黑白相間的條紋。但墻壁并非真實(shí)之像，它只是利用投影幻覺的模擬之境。

當(dāng)鼠標(biāo)探索這個虛擬世界時，神經(jīng)科學(xué)家亞曼·薩利姆（Aman Saleem）會觀察老鼠腦細(xì)胞的運(yùn)作。刺激老鼠視網(wǎng)膜的光線會觸發(fā)電脈沖，并傳播到初級視覺皮層中的神經(jīng)元，而薩利姆早已在其中植入了電極。教科書寫道神經(jīng)元響應(yīng)于特定的刺激，因此相同的輸入模式應(yīng)該能引起一致的響應(yīng)。但研究表明，事實(shí)并非如此。當(dāng)鼠標(biāo)遇到先前重復(fù)的場景時，神經(jīng)元以不同的模式激發(fā)。

位于倫敦大學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的薩利姆表示：“如果你在五年內(nèi)告訴我這一點(diǎn)，我會說‘不，不是真的，那不可能’。”他在2018年9月1日發(fā)表的研究結(jié)果顯示，當(dāng)老鼠在走廊中奔跑時，海馬體中的細(xì)胞會以某種方式改變視覺皮層細(xì)胞的激發(fā)方式。換句話說，老鼠對兩個相同場景的神經(jīng)表示不盡相同，具體取決于它對自己位置的感知。

毫無疑問，動物的體驗(yàn)會改變它對世界的感知：所有的大腦都能從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，并結(jié)合多種信息流來構(gòu)建對現(xiàn)實(shí)的感知。但研究人員曾經(jīng)認(rèn)為，至少在大腦中的特定區(qū)域中（首先處理感覺器官輸入的區(qū)域）能夠相對忠實(shí)地創(chuàng)建外部世界的表征。根據(jù)這個模型，所述表征將前往“聯(lián)系”區(qū)域，并與記憶和期望結(jié)合以產(chǎn)生感知。

現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為這種觀點(diǎn)過于簡單化（其主要是基于二十世紀(jì)的研究，當(dāng)時神經(jīng)科學(xué)家會麻醉或固定動物，并測量動物大腦是如何對被動呈現(xiàn)的刺激作出反應(yīng)）。在2010年一項(xiàng)具有里程碑意義的小白鼠研究中，研究人員保持小白鼠頭部固定以維持對視圖的控制，但允許小白鼠站立或奔跑。對于移動的小白鼠，視覺神經(jīng)元的激發(fā)速度比正常情況超過兩倍。所述發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列的實(shí)驗(yàn)，以探索動物在活動期間的大腦變化，包括感覺區(qū)域?qū)ν饨绲姆磻?yīng)方式。紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)家安妮·邱奇蘭德（Anne Churchland）表示：“這些結(jié)果具有顛覆性的意義。”

1. “VR大大促進(jìn)了神經(jīng)科學(xué)。”

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不是探索所述領(lǐng)域的唯一方法。例如，當(dāng)動物在實(shí)驗(yàn)室中移動時，神經(jīng)科學(xué)家會同時記錄多個腦區(qū)。但在過去十年中，已有數(shù)十個研究團(tuán)隊(duì)開始將小老鼠置于VR模擬之中。薩利姆表示，經(jīng)常有人問他是否真的有必要采用虛擬現(xiàn)實(shí)，而他的回答是：如果沒有虛擬現(xiàn)實(shí)，他的大部分實(shí)驗(yàn)都不可能實(shí)現(xiàn)。在VR中，動物將擁有更強(qiáng)的沉浸感，因?yàn)樗鼈兛吹降氖澜缈梢愿鶕?jù)其動作進(jìn)行響應(yīng)，就像是在現(xiàn)實(shí)世界中一樣。與此同時，科學(xué)家仍然能夠保持對實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格控制，并且可以隨意增加，減少或扭曲感官輸入。在薩利姆的實(shí)驗(yàn)采用了《黑客帝國》的元素：這位實(shí)驗(yàn)者將涉及的VR設(shè)備命名為尼奧，墨菲斯和崔妮蒂。

只要動物頭部受到束縛，并且體驗(yàn)著一個比真實(shí)環(huán)境簡單得多的VR世界，總會有人質(zhì)疑動物大腦處理VR的程度是否與“真實(shí)世界”一樣。但是，這有助于VR研究人員解鎖探索大腦構(gòu)建世界感知的新方法。加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)科學(xué)家邁克爾·史賽克（Michael Stryker）說道：“VR大大促進(jìn)了神經(jīng)科學(xué)。”

2. VR研究論文的激增

早在20世紀(jì)60年代，研究運(yùn)動學(xué)的生物學(xué)家就曾拴住果蠅的頭部，并令其在乒乓球上行走。當(dāng)VR在21世紀(jì)初開始興起時，神經(jīng)科學(xué)家們重新把目光投向了這種方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了一種觀察動物大腦活動的方法。即使頭部保持不動，科學(xué)家都有可能欺騙動物，令其認(rèn)為自己正在自由地漫游。這允許研究人員通過復(fù)雜的腦記錄技來為大量的神經(jīng)元成像。于是，果蠅再次固定在乒乓球上，而研究斑馬魚幼蟲的科學(xué)家則將其頭部固定在瓊脂塊中，但允許它們像正常游泳時擺動尾巴。斑馬魚和果蠅的研究幫助科學(xué)家們看到了更簡單的神經(jīng)回路。不過，其他研究人員希望研究更復(fù)雜的哺乳動物大腦。特別地，他們對大腦皮層感興趣，因?yàn)檫@里充滿多層神經(jīng)元的區(qū)域?qū)Σ溉閯游锏闹橇κ种匾?/p>

早在2005年，研究人員就報(bào)告了一種用于老鼠的原型VR系統(tǒng)。當(dāng)普林斯頓大學(xué)的大衛(wèi)·塔克（David Tank）為老鼠制造了VR模擬器之后，這種方法就成為了主流。塔克當(dāng)時正在研究老鼠的導(dǎo)航系統(tǒng)：海馬體及附近大腦區(qū)域的細(xì)胞，其用于幫助動物追蹤其在空間中的位置。研究人員首先在老鼠體內(nèi)植入了電極，并記錄腦細(xì)胞的激發(fā)。研究的進(jìn)展幫助塔克獲得了2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。但塔克希望通過精細(xì)的細(xì)胞內(nèi)電極來進(jìn)一步研究神經(jīng)元的激發(fā)。這要求動物頭部保持靜止，所以塔克和克里斯·哈維（Chris Harvey）開發(fā)了一個足夠豐富的虛擬世界，并營造了一種在空間中移動的感覺。在2009年，研究小組在一項(xiàng)研究中報(bào)告了這個老鼠VR系統(tǒng)，并首次描述了海馬體神經(jīng)元的運(yùn)作原理。他們利用多個感官輸入流創(chuàng)建了一個空間地圖。

這項(xiàng)研究在過去幾年中導(dǎo)致了關(guān)于哺乳動物VR的論文激增。實(shí)驗(yàn)室紛紛研究導(dǎo)航細(xì)胞和視覺細(xì)胞，探索它們是如何相互影響。在弗吉尼亞州阿什伯恩的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所中，位于跑步機(jī)的老鼠在完全黑暗中行走，而面板不斷從側(cè)面進(jìn)出，從而營造一種其正在向下移動的幻覺。在伊利諾伊州的西北大學(xué)，取決于老鼠在球形跑步機(jī)的奔跑方式，其追逐的氣味將減弱或增強(qiáng)。塔克表示：“出現(xiàn)了各種各樣的版本。這是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)。”

很難確定動物是如何體驗(yàn)這種虛擬世界。研究人員經(jīng)常將沉浸在駕駛游戲中的人類作為類比：玩家知道自己實(shí)際上并沒有在駕駛賽車，但大腦充分參與了能夠激活與真實(shí)駕駛體驗(yàn)相同的視覺過程。科學(xué)家在解釋VR實(shí)驗(yàn)時的主要關(guān)注點(diǎn)是，盡管投影圖像與鼠標(biāo)的運(yùn)動同步變化，但其他感官輸入?yún)s沒有。另外，頭部固定的老鼠無法接收到現(xiàn)實(shí)世界中的頭部運(yùn)動信號或平衡信號。對于希望研究海馬體導(dǎo)航系統(tǒng)是如何利用各種感官輸入來創(chuàng)建空間感的科學(xué)家來說，這些問題尤其令人不安。

加利福尼亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家馬揚(yáng)·梅達(dá)（Mayank Mehta）在2015年報(bào)告說，當(dāng)大鼠探索2D VR系統(tǒng)時，海馬神經(jīng)元的發(fā)射方式不同，其程度小于嚙齒動物在真實(shí)世界復(fù)制空間中走動時。 （為重建VR設(shè)置，梅達(dá)給房間的窗簾印上了圖案）梅達(dá)表示，現(xiàn)實(shí)世界的觸覺，嗅覺和聲音提示，以及老鼠自然移動頭部和身體的能力保持同步，從而以與模擬不同的方式參與至動物的導(dǎo)航系統(tǒng)。但梅達(dá)的觀點(diǎn)并未顯著削弱其對VR的興趣。正如他和其他人所表明的那樣，當(dāng)嚙齒動物沿走廊直線移動時，VR和現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生了類似的神經(jīng)激發(fā)模式。在新型的VR系統(tǒng)中，嚙齒動物已經(jīng)在能夠在球形跑步機(jī)中運(yùn)動，從而創(chuàng)建了自然的平衡和運(yùn)動信號，而研究人員確實(shí)看到了類似于真實(shí)世界的空間神經(jīng)表征。

梅達(dá)指出，這些實(shí)驗(yàn)正在幫助研究人員探索虛擬現(xiàn)實(shí)要達(dá)到何種逼真程度才能令大腦無法區(qū)分。相關(guān)的方法是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，亦即動物能夠在實(shí)驗(yàn)室空間中自由移動，但通過投影至墻壁的圖像，科學(xué)家依然能夠控制其感知的畫面。在這些研究中，科學(xué)家們不能使用某些神經(jīng)記錄方法，但他們可以看到對大腦空間感知而言十分重要的感官輸入。曾因大腦導(dǎo)航系統(tǒng)而獲得2014年諾貝爾獎的挪威科技大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家愛德華·莫索爾認(rèn)為，只要科學(xué)家們意識到這些細(xì)微差別，VR就是一種強(qiáng)大的技術(shù)。

3. 不可能的世界

莫索爾指出，令VR尤為強(qiáng)大的原因是，“你可以隨心所欲地操縱環(huán)境因素，并保持其他因素不變”。虛擬現(xiàn)實(shí)模擬甚至可以改變物理定律。在自然界中，如果動物以特定速度奔跑，而視覺輸入會按照這一速度變化。但在VR中，你可以打破這種關(guān)聯(lián)。

例如，神經(jīng)科學(xué)家一直想知道，動物在空間中移動的感知是否更多地受到關(guān)于其自身運(yùn)動的內(nèi)部信號所影響，還是說更多地受到其看到的畫面所影響。在2018年，斯坦福大學(xué)的麗薩·吉奧科莫（Lisa Giocomo）研究了向海馬體饋送的神經(jīng)元。VR實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外界以極快的速度通過時（如正穿過森林時的動物看著附近的樹木），視覺線索將主導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)的這一部分。當(dāng)信號移動得更慢時，由動物自身運(yùn)動產(chǎn)生的信號將取而代之。

瑞士弗雷德里希·米歇爾生物醫(yī)學(xué)研究所（Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research）的神經(jīng)科學(xué)家格奧爾·凱勒（Georg Keller）同樣在實(shí)驗(yàn)中控制了老鼠移動和視覺的關(guān)聯(lián)。他在2016年報(bào)告道，當(dāng)虛擬走廊的一小部分沒有與老鼠的移動同步時，他稱之為“不匹配細(xì)胞”的子集將開始激發(fā)。凱勒認(rèn)為，這種細(xì)胞可以幫助老鼠檢測出非因自身運(yùn)動產(chǎn)生的信號。他相信這可以為一個可追溯到20世紀(jì)40年代的理論提供證明，亦即大腦不斷預(yù)測可能發(fā)生的事情，而皮層區(qū)的作用是檢測相關(guān)預(yù)測的偏差。在這個模型中，老鼠預(yù)期看到的內(nèi)容有一部分是基于其它所看到的畫面的記憶，以及它自己的運(yùn)動。這種預(yù)期會影響視覺皮層中的神經(jīng)元激發(fā)。

其他VR實(shí)驗(yàn)顯示，過往的經(jīng)驗(yàn)是如何塑造視覺皮層活動。英國愛丁堡大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家娜塔莉·羅什福爾（Nathalie Rochefort）在2018年報(bào)告說，當(dāng)她在虛擬走廊的一個特定點(diǎn)給予小白鼠獎勵后（一滴可以解渴的水），表征虛擬走廊的視覺皮層發(fā)生了巨大變化。在一開始，走廊的所有區(qū)域在視覺皮層中都產(chǎn)生相等量的神經(jīng)活動。但一旦“獎勵區(qū)”激活時，大多數(shù)視覺皮層神經(jīng)元開始只在這一位置激發(fā)。

經(jīng)過數(shù)十年針對嚙齒動物大腦的詳細(xì)研究后，科學(xué)家們開始利用VR來探索研究結(jié)果是否同樣適用于靈長類動物的大腦。例如，華盛頓大學(xué)的伊麗莎白·布法羅（Elizabeth Buffalo）正通過VR來證明靈長類動物的海馬體包含“位置細(xì)胞”，就如同嚙齒動物一樣。在實(shí)驗(yàn)中，猴子通過移動操縱桿來探索投射的Y形迷宮。布法羅測試猴子記憶路線的能力，從而分析海馬體的空間表征是如何與它在記憶中扮演的關(guān)鍵角色相互作用。她解釋說：“我們喜歡VR的原因是，我們可以執(zhí)行豐富的行為任務(wù)。”

4. 走向更逼真的現(xiàn)實(shí)

紐約大學(xué)紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家大衛(wèi)·施耐德（David Schneider）指出，經(jīng)過十年的VR探索，研究感官系統(tǒng)的科學(xué)家們已經(jīng)不再局限于觀察單獨(dú)的大腦區(qū)域。在很長一的段時間里，科學(xué)家們一直在探究感覺神經(jīng)元是如何響應(yīng)視覺，聲音，氣味和紋理而激發(fā)。但現(xiàn)在，研究人員認(rèn)識到感覺皮層中的神經(jīng)元“代表了世界某種特征的交叉，以及動物所做事情的某些方面”。當(dāng)科學(xué)家只向無法移動的老鼠呈現(xiàn)圖像時，他們明白初級視覺皮層中的細(xì)胞只是單純編碼這種視覺刺激。當(dāng)向可活動老鼠呈現(xiàn)運(yùn)動圖像時，運(yùn)動顯然同時塑造了神經(jīng)元的活動?，F(xiàn)在科學(xué)家正在仔細(xì)研究動物的位置感，預(yù)期，以及經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。結(jié)果證明，這同樣是視覺皮層神經(jīng)活動的一部分。

英國劍橋大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家賈斯珀·普爾特（Jasper Poort）正在幫助開發(fā)能夠追蹤老鼠頭部運(yùn)動和眼睛運(yùn)動的頭戴式攝像系統(tǒng)。這個設(shè)備的目標(biāo)是幫助研究人員監(jiān)測動物在自由移動時所看到的畫面。他預(yù)測，觀察動物在更復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行更復(fù)雜的行為將進(jìn)一步揭示記憶，注意力，以及大腦功能的其他方面是如何影響早期感覺處理。他解釋說：“實(shí)驗(yàn)的方式可以帶來完全不同的結(jié)果。”

施耐德補(bǔ)充說，50年后，科學(xué)家們可以看看基于VR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型，并發(fā)現(xiàn)它們同樣是過于簡單。史賽克表示：“從長遠(yuǎn)來看，隨著技術(shù)的進(jìn)步，一切都會變得不那么虛擬。”但就目前而言，他認(rèn)為將老鼠置于游戲模擬中仍然是一種富有成效的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)?ldquo;真正的現(xiàn)實(shí)可不好侍候。”

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來源：映維網(wǎng)