引言

近年来，虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术迅猛发展，不仅在娱乐和教育领域掀起浪潮，也为科学研究提供了前所未有的工具。在神经科学领域，VR技术以其高度灵活的实验控制能力，成为研究大脑如何感知、学习和行为的重要手段。然而，传统的VR系统往往设计复杂、成本高昂，且缺乏针对小型实验动物的优化，例如小鼠等研究模型。这些系统通常依赖投影屏幕或大型显示装置，既占据实验室空间，又可能干扰实验的精确性和动物的自然行为。

12月12日Nature Methods的研究报道“MouseGoggles: an immersive virtual reality headset for mouse neuroscience and behavior”，研究人员设计了一款名为MouseGoggles的迷你VR头戴设备，这是首个专为小鼠开发的沉浸式虚拟现实系统。MouseGoggles具有小巧的体积和灵活的功能，不仅能够为小鼠提供独立的双目视觉刺激，还集成了眼动追踪和瞳孔测量功能。与传统的投影式VR系统相比，这种头戴式设计能够屏蔽外界干扰，为小鼠创造更真实的虚拟环境。此外，研究团队通过视觉皮层和海马体的神经记录，证实了设备提供的视觉刺激能够高效触发神经反应，从而支持更广泛的行为和神经科学研究。

此外，MouseGoggles的开源设计大大降低了VR系统的成本和技术门槛，使得更多实验室能够轻松使用这一技术开展创新研究。这不仅有助于揭示复杂的神经过程，还可能拓展VR在药物研发、疾病模型以及基础神经科学中的应用前景。MouseGoggles的出现，为小鼠神经科学研究开辟了一个全新的技术方向，也为研究者探索大脑奥秘提供了更强大的工具。

虚拟现实技术如何改变神经科学研究？

虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术正在颠覆神经科学的传统研究方式，成为探索大脑奥秘的利器。在过去，研究人员往往依赖真实的环境来观察动物的行为和神经活动，但这种方法在可控性和灵活性上存在明显局限。而VR技术的引入，则为神经科学研究带来了革命性的变革。通过VR，实验者可以完全掌控视觉、听觉甚至触觉刺激，从而设计出复杂的实验场景，比如“瞬间传送”或“视动错配”这种在真实世界无法实现的实验条件。

在小鼠研究中，传统的VR系统通常依赖于投影屏幕或大型LED显示器。这类系统虽然可以让小鼠在视觉上“进入”虚拟环境，但由于显示设备的尺寸往往远大于实验动物本身，无法避免视野受限、光线污染等问题。此外，设备的高昂成本和复杂的安装流程也成为制约其广泛应用的瓶颈。

VR技术的优势在于其高度可控性和适应性。例如，研究人员可以通过虚拟环境精准模拟捕猎、觅食或逃避捕食者的场景，从而探讨动物在应激状态下的大脑活动与行为反应。此外，VR还让研究人员能够突破时间与空间的限制，动态操控实验变量，如调节视觉刺激的角度和强度，甚至在不同实验中复用相同的虚拟场景，从而提高实验的可重复性和精确度。

尽管传统VR系统已经助力了无数基础研究，其物理限制依然不容忽视。这正是MouseGoggles等迷你化、头戴式VR设备的创新意义所在。

小鼠专属VR设备的诞生

当人类的虚拟现实（VR）技术不断追求沉浸感和互动性时，小鼠的VR世界却还停留在“巨屏时代”。传统小鼠VR系统通常依赖全景投影或LED显示阵列，这些设备不仅庞大昂贵，还容易产生光线污染，削弱实验环境的沉浸感。例如，传统设备需要将显示器放置在距离小鼠眼睛10至30厘米的范围内，以满足其视觉需求，但固定实验设备（如摄像头和显微镜）的遮挡又不可避免地干扰了视觉体验。这些问题严重限制了小鼠在虚拟环境中的行为自由度，也提高了实验的复杂性和技术门槛。

受现代人类VR头戴设备的启发，研究团队设计了一款专为小鼠研发的迷你头戴式VR设备，赋予其更高的便携性和适配性。MouseGoggles的研发初衷在于打破传统VR系统的物理限制，为小鼠提供一个真正沉浸式的虚拟环境。通过巧妙的设计，MouseGoggles在体积小型化的同时，实现了广视场（每只眼睛覆盖140°）、双目独立显示以及瞳孔追踪等先进功能。其显示分辨率高达每角度1.57像素，能够精确匹配小鼠的空间视觉敏感度，使虚拟场景的呈现更清晰自然。

与传统系统相比，MouseGoggles具有显著的优势。其迷你化设计使得设备能够直接安装在小鼠的头部，不仅避免了外界光线的干扰，还消除了大型设备带来的空间占用问题。此外，研究团队将成本控制和开源设计纳入研发目标，通过使用3D打印技术和Raspberry Pi等简化组件，让更多实验室能够以较低的成本复制这一系统。

MouseGoggles设备的关键设计要素及其性能模型（Credit: Nature Methods）

设备组件与结构布局（图a）

设备的核心组件包括一个直径为2.76厘米的圆形LED显示屏和一个直径为1.27厘米的菲涅尔透镜，这些组件被封装在3D打印的外壳内。设计紧凑，专为适应小鼠头部的生理特点而优化。

光学模型与无限远聚焦（图b）

通过光学建模分析，菲涅尔透镜和显示屏能够实现无限远聚焦（infinity focus），提供从0°到70°的线性视角映射，覆盖140°的单眼视场。该设计确保了小鼠在不同眼位偏差下仍能获得清晰图像。

视角分辨率与焦距分析（图c, d）

图1c估算了显示分辨率随视角变化的情况，结果显示分辨率在视场范围内几乎保持恒定，达到了每度1.57像素，能够匹配小鼠的视觉敏感度。图d则展示了视角的焦距分布，验证了透镜设计能为小鼠提供稳定的清晰度。

小鼠视觉视场与显示视场的叠加（图e）

使用Winkel Tripel投影，研究人员将小鼠的视觉视场与设备显示视场进行叠加。结果显示，MouseGoggles能够覆盖小鼠大部分视觉范围，尤其是在水平视场和垂直视场内均达到理想覆盖。

单目与双目系统通信结构（图f）

图中对比了单目（MouseGoggles Mono）和双目（MouseGoggles Duo）显示系统的通信结构。两种系统均基于SPI显示控制，同时支持额外的输入输出通信，如与传感器和奖励阀的连接。

3D虚拟环境与渲染方法（图g）

MouseGoggles利用开源的Godot游戏引擎生成3D环境，并通过分屏视图和球面着色器将场景映射到双目显示屏。设备实现了高达80帧/秒的渲染速度，并将输入到显示的延迟控制在130毫秒以内。

突破传统：MouseGoggles如何为小鼠创造沉浸式体验？

沉浸感是衡量虚拟现实系统的重要指标，而MouseGoggles通过独特的设计，为小鼠打造了前所未有的虚拟体验。这款迷你VR头戴设备的核心创新在于双目独立视觉、宽广的视场（Field of View, FOV）以及精确的视觉呈现，让小鼠的每一次“虚拟冒险”都更加真实而丰富。

MouseGoggles的设计以小鼠的视觉生理为基础，采用短焦距菲涅尔透镜和小型圆形显示屏，创造了极高的视觉匹配度。每只眼睛的视场覆盖高达140°，两眼结合后能够实现230°的水平视场，同时提供约25°的双目重叠区域。这一设计使虚拟环境的呈现几乎覆盖了小鼠的全部视野，远远优于传统VR系统。此外，设备的显示分辨率达到每角度1.57像素，其频率为0.78周期/度，略高于小鼠的空间视觉极限（0.5周期/度），确保小鼠能够清晰感知虚拟场景中的细节。

在沉浸感的构建上，MouseGoggles通过独立双眼显示提供了前所未有的灵活性。研究人员能够为每只眼睛单独呈现图像，实现立体视觉的矫正与深度感的强化。例如，设备允许上下调整头戴角度以优化不同方向的视觉刺激，这种功能对捕食动物小鼠尤为重要，因为其感知威胁的能力高度依赖头顶方向的视觉信息。

此外，MouseGoggles还以紧凑的头戴设计屏蔽了外部干扰，例如环境光线和实验室设备的遮挡，进一步增强了虚拟体验的专注性。这种设计不但提升了实验的可靠性，也为小鼠提供了一个“专属舞台”，可以在虚拟世界中自由探索。

从视觉到行为：MouseGoggles如何帮助解码大脑奥秘？

MouseGoggles不仅是一项技术创新，更是探索大脑奥秘的重要工具。通过巧妙的实验设计，研究人员利用这款VR头戴设备成功揭示了小鼠在视觉感知与行为决策中的神经机制，为理解复杂认知过程提供了重要线索。

在研究视觉皮层时，团队采用MouseGoggles为头部固定的小鼠呈现高对比度的动态条纹刺激，同时使用双光子钙成像技术记录视觉皮层（V1）中神经元的反应。实验发现，MouseGoggles生成的视觉刺激与传统LED显示器相比，杂散光减少了99.3%，并且在不影响荧光成像的情况下，仍然能有效诱发视觉皮层中方向选择性强的神经元活动。这些神经元的感受野半径、空间频率偏好（0.042周期/度）以及对比度半饱和值（31.2%）均与传统显示系统的结果相符，表明MouseGoggles能够为小鼠提供清晰、稳定的视觉刺激，同时保障数据的科学性。

在海马体研究中，团队进一步探讨了小鼠如何在虚拟环境中形成空间记忆。通过MouseGoggles呈现虚拟线性轨道场景，结合电生理记录技术，研究人员观察到小鼠海马体CA1区域的“位置细胞”会根据其虚拟位置发放特定的神经信号。值得注意的是，这些位置细胞在首次实验中即可覆盖整个虚拟轨道，其空间信息编码的精确度与传统投影式VR系统相当。此外，小鼠能够在虚拟环境中迅速学会关联特定位置与奖励区域，表现出空间学习能力，这进一步证明了MouseGoggles在行为研究中的广泛适用性。

通过结合视觉刺激和行为任务，MouseGoggles为研究人员提供了一个强大的实验平台，能够同时观察小鼠的感知、学习和记忆过程。它不仅突破了传统技术的局限，还为解码大脑如何处理感官输入与行为输出建立了新的可能性。

行为背后的奥秘：小鼠在虚拟环境中的学习与适应

MouseGoggles的设计不仅展现了虚拟现实技术的前沿创新，更为研究小鼠在虚拟环境中的学习与适应行为提供了强大的实验支持。通过一系列的实验设计，研究人员揭示了小鼠如何在虚拟环境中学习奖励规则并快速适应威胁刺激。

在学习任务中，研究团队设计了一条虚拟线性轨道，利用MouseGoggles Duo为小鼠呈现视觉场景。小鼠被训练通过舔水口在轨道上特定的“奖励区域”获取液体奖励。实验结果表明，仅经过5天的训练，小鼠就表现出显著的学习行为：在接近奖励区域时会显著增加舔舐动作，而在未被奖励的控制区域中则明显减少。这一结果展示了小鼠对虚拟环境的快速适应能力，其空间学习效果与传统的投影式VR系统不相上下。

MouseGoggles还被用来研究小鼠在面对虚拟威胁时的本能反应。研究人员为小鼠呈现“逼近”的虚拟威胁刺激（如快速扩大的黑影），发现几乎所有小鼠在初次遭遇刺激时都表现出明显的惊跳反应，包括迅速蹬腿和弓背。这些行为表明小鼠将虚拟威胁视为真实危险。然而，随着刺激次数的增加，小鼠对威胁的反应逐渐减弱，这种行为适应与自由活动小鼠面对真实威胁时的表现一致。

这些发现证明，MouseGoggles不仅可以帮助研究小鼠如何学习复杂规则，还能模拟真实世界中的威胁情境，触发本能反应。这种结合学习与本能的实验设计，为研究大脑如何整合感知与行为提供了宝贵的数据，也为未来探索神经适应与行为调控的机制奠定了基础。

鼠类VR的应用潜力有多大？

MouseGoggles的出现不仅为小鼠神经科学研究带来了技术革命，更开启了虚拟现实在动物研究中的广阔应用前景。作为一款创新型设备，它不仅为学术研究提供了新的实验工具，还可能深刻影响疾病模型和新药开发领域的实践。

在基础研究中，通过高精度的虚拟环境模拟，它能够帮助研究人员探讨复杂的感知和行为机制，揭示大脑如何整合感官输入并驱动决策输出。例如，通过虚拟环境中的奖励学习实验，MouseGoggles已成功展示小鼠的空间记忆能力。这为探索学习障碍、认知缺陷及相关神经疾病（如阿尔茨海默病）的病理机制提供了新方法。

在疾病模型的构建与研究中，MouseGoggles的灵活性和高沉浸性尤为重要。例如，研究者可以通过自定义虚拟场景诱发特定的行为反应，从而模拟焦虑症或创伤后应激障碍等精神疾病的症状。这种方法为研究行为异常的神经环路基础提供了新的实验维度。此外，设备中的眼动追踪功能还可用于分析帕金森病和多发性硬化等疾病中常见的眼动异常，进一步丰富神经系统疾病的研究手段。

新药开发领域也将从MouseGoggles中获益。通过在虚拟环境中测试小鼠的行为和神经反应，研究者能够快速评估候选药物对认知和运动功能的影响，从而优化药物筛选流程。尤其是针对精神疾病或神经退行性疾病的药物开发，这一技术的引入可能大幅提升实验效率，降低开发成本。

此外，MouseGoggles的开源特性使得其可轻松复制和改进，从而惠及更多实验室。未来，随着硬件的小型化和功能的进一步优化，MouseGoggles甚至可能用于自由活动的小鼠，开启更多创新研究可能性。MouseGoggles展现了鼠类VR技术的无限潜力，为神经科学研究打开了通往未来的大门，也为探索大脑的终极奥秘提供了新的工具和希望。

参考文献

Isaacson, M., Chang, H., Berkowitz, L. et al. MouseGoggles: an immersive virtual reality headset for mouse neuroscience and behavior. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02540-y