讓小老鼠玩VR游戲 加州大學(xué)科學(xué)家用VR探索動物如何觀察世界

　　2018年09月06日，沒有人會特地思考如何從沙發(fā)走到冰箱。我們無需專門記憶沿途的感官線索(如餐桌)。你可能沒有意識到這一點(diǎn)，但人類大腦處理數(shù)據(jù)的速度比任何超級計(jì)算機(jī)都要快。當(dāng)你在房屋中移動時(shí)，大腦會根據(jù)感官輸入快速構(gòu)建心理地圖。

　　在健康的時(shí)候，我們通常不會感恩這份禮物。然而，空間記憶是癲癇和阿爾茨海默病等神經(jīng)疾病中首批惡化的功能之一。這正是加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)物理學(xué)家瑪彥克·梅塔(Mayank Mehta)致力于研究大腦的原因，特別是海馬體的細(xì)胞是如何學(xué)習(xí)創(chuàng)造我們對空間和時(shí)間的感知。

　　梅塔表示：“海馬體是我們大腦的一個(gè)特殊部分，它主要是學(xué)習(xí)和感知空間和時(shí)間等抽象概念。對海馬體的損害將造成一系列的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如抑郁癥，癲癇癥和阿爾茨海默氏癥。”

　　梅塔指出，如果科學(xué)家們能更好地理解海馬體是如何感知空間和時(shí)間，他們就可以找出如何更好地診斷和治療損害衰弱性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。所以為了確定神經(jīng)元是如何制作空間心智地圖，梅塔及他實(shí)驗(yàn)室的同事開始使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

　　梅塔解釋說，動物和人類都“100%認(rèn)同抽象空間和時(shí)間的概念。”而且所有動物和人類都以相同的方式計(jì)算它們在空間中的位置。

　　這種對時(shí)空的普遍認(rèn)知是因?yàn)橐唤M名為“位置細(xì)胞”的海馬神經(jīng)元。當(dāng)動物和人類在叢林，起居室或迷宮中航行時(shí)，它們將以有序的方式激發(fā)，并自動提供一組時(shí)空地圖。

　　在2014年，三位科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)這種位置細(xì)胞而獲得了諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。但即便是發(fā)現(xiàn)了它們，科學(xué)家都不確定這些細(xì)胞是如何起發(fā)揮作用：它們是如何將光，聲音，氣味轉(zhuǎn)化為對空間和時(shí)間的普遍感知的呢?

　　為了解決這個(gè)問題，梅塔總結(jié)道，我們需要分開構(gòu)成時(shí)空的不同感官刺激。這在現(xiàn)實(shí)世界中不可能實(shí)現(xiàn)，但可以在虛擬世界中輕松完成。

　　為了在控制感官提示的同時(shí)測試空間記憶，科學(xué)家們在過去數(shù)十年間一直在使用“水迷宮”：包括將嚙齒動物放入水池中，然后測試它們游到逃生平臺的能力。理由是浸沒能阻止干擾性感覺輸入，如隨機(jī)的氣味或聲音。但水迷宮不適合診斷可能患有阿爾茨海默氏癥癥狀的人們，不過，虛擬迷宮可以用于人類和其他物種。

　　在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員比較了小白鼠定位隱藏在現(xiàn)實(shí)世界迷宮中的獎(jiǎng)勵(lì)的能力。小白鼠可以根據(jù)視力，聲音和氣味進(jìn)行導(dǎo)航。但對于在虛擬迷宮中定位獎(jiǎng)勵(lì)，他們只限于使用視覺線索。

　　首先，包括加州大學(xué)洛杉磯分校學(xué)生在內(nèi)的神經(jīng)科學(xué)，心理學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，工程和物理學(xué)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)必須從零開始構(gòu)建虛擬設(shè)備。他們設(shè)計(jì)了一款包括球形跑步機(jī)的硬件，并訓(xùn)練小白鼠適應(yīng)虛擬環(huán)境和開玩虛擬游戲。

　　研究結(jié)果令人感到驚訝。虛擬迷宮中的小白鼠能像真正的迷宮中的小白鼠那樣巧妙地發(fā)現(xiàn)了隱藏的獎(jiǎng)勵(lì)。事實(shí)證明，小白鼠看得十分清楚。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，小白鼠可以使用視覺線索直接驅(qū)動海馬體的反應(yīng)，表明它們感知虛擬空間以及人類。

　　盡管如此，海馬體中的神經(jīng)活動在虛擬現(xiàn)實(shí)中的表現(xiàn)非常不正常。海馬體中有超過一半的神經(jīng)元都在虛擬現(xiàn)實(shí)中關(guān)閉，剩下的神經(jīng)元?jiǎng)t以無序方式激發(fā)，梅塔稱這種模式與小白鼠在導(dǎo)航真實(shí)迷宮時(shí)所顯示的位置細(xì)胞活動存在“驚人的不同”。

　　梅塔指出，這些研究表明大腦需要來自多個(gè)感官因素的輸入來構(gòu)建可行的空間地圖。如果視覺上顯示你正在空間中移動，但聲音和氣味則另有說明，神經(jīng)活動變得非常奇怪。鑒于嚙齒動物和人類處理空間時(shí)的相似性，人類大腦也會出現(xiàn)類似的結(jié)果。

　　梅塔說道：“VR打破了物理定律。它消除了世界上所有動物和人類已經(jīng)使用了數(shù)百萬年的不同刺激之間的一致關(guān)系。這導(dǎo)致大腦出現(xiàn)了異常的活動模式。”

　　定義我們?nèi)绾胃兄�空間只是梅塔研究的一個(gè)起點(diǎn)。

　　他說道：“我們的大腦，包括海馬體，進(jìn)化出了感知時(shí)間和空間的能力。由于我們不必再為生活而奔波，所以我們就用這些‘硬件’來編寫交響樂和交易股票。如果我們能夠理解這種‘硬件’是如何計(jì)算時(shí)空，我們或許可以回答關(guān)于我們是如何學(xué)習(xí)和創(chuàng)造其他復(fù)雜行為的多個(gè)問題，以及如何診斷和治療學(xué)習(xí)和記憶障礙。”