康奈尔大学的研究人员利用Raspberry Pi 4 为小鼠开发了 MouseGoggles Duo 3D VR 头显
康奈尔大学的研究人员利用 3D 打印部件和在Raspberry Pi 4 上运行的开源软件，为实验室小鼠制作了 MouseGoggles Duo 3D VR 头显。使用 Duo 的小鼠可以看到一个由路径、障碍和奖励组成的虚拟世界，同时可以在球形跑步机上无休止地奔跑。这种耳机无需使用笨重的视频投影仪和实体鼠标迷宫。
由于小鼠对未知环境的快速适应能力和快速学习能力，研究实验室经常使用小鼠来揭示大脑是如何工作的。这些特点可用于帮助研究人员了解阿尔茨海默氏症等导致人类记忆力和控制力丧失的神经退行性疾病。研究人员面临的困难包括建造真正的小鼠迷宫所需的时间和成本，以及在虚拟现实中创建令人信服的模拟所面临的挑战。
MouseGoggles Duo 头显的设计考虑到了这些因素。外壳采用三维打印技术，成本低，设计迭代速度快。外壳内有两个 1.09 英寸（2.76 厘米）的圆形 LED 显示屏，由 0.5 英寸（1.27 厘米）的菲涅尔透镜聚焦，可提供 230 度水平视场角和 140 度垂直视场角。由于耳机与头部相比非常大，因此在实验过程中，它被安装在被束缚小鼠的面部前方。
Raspberry Pi 4单板计算机（SBC）运行由开源Godot 游戏引擎生成的 3D 模拟。运行在Raspberry Pi OS 上。.该系统能够以每秒 80 帧的速度生成帧，全屏更新时输入到显示的延迟时间低于 130 毫秒。
在对小鼠进行寻找奖励等 VR 测试时，研究人员发现 MouseGoggles Duo 的聚焦、VR 物体定位和其他因素与传统的投影显示器相比都很出色。研究人员使用视觉皮层双光子钙成像技术直接监测了小鼠的大脑。和电生理记录海马体的电生理记录来获取验证数据。
想在VR世界中无休止奔跑的读者可以使用VR跑步机，比如亚马逊上销售的Kat Walk C2系列。走一天路太累的读者可以戴上一副轻便的 AR 眼镜放松一下，比如亚马逊上销售的 Xreal AR 眼镜。连一根手指都不想动的读者可以在埃隆-马斯克的Neuralink 候选名单上留下自己的名字植入脑机接口 (BCI)，这样他们就可以，仅凭意念就能玩游戏和发微博。.
鼠标护目镜让人身临其境地观察神经活动
康奈尔大学纪事报》大卫-纳特报道
2024 年 12 月 18 日
由于小鼠的基因构成、在迷宫中穿行的能力以及为奶酪工作的意愿，它们长期以来一直是行为学和神经学研究的首选模型。
近年来，它们进入了一个新的领域--虚拟现实--现在，康奈尔大学的研究人员制作了微型VR头盔，让它们更深入地沉浸其中。
康奈尔大学的研究人员制作了微型 VR 头显，让小鼠更深入地沉浸在虚拟环境中，这有助于揭示空间导航和记忆功能的神经活动。
康奈尔大学的研究人员制作了微型 VR 头显，让小鼠更深入地沉浸在虚拟环境中，这有助于揭示影响空间导航和记忆功能的神经活动。
研究小组的MouseGoggles--是的，它们看起来和听起来一样可爱--是利用低成本的现成组件（如智能手表显示屏和微小镜片）制作的，可在广阔的视野内提供视觉刺激，同时跟踪小鼠的眼球运动和瞳孔大小变化。
这项技术有望帮助揭示空间导航和记忆功能的神经活动，让研究人员对阿尔茨海默病等疾病及其潜在治疗方法有新的认识。
这项研究于12月12日发表在《自然-方法》（Nature Methods）杂志上，由康奈尔工程学院生物医学工程教授克里斯-沙弗（Chris Schaffer）和文理学院神经生物学与行为学助理教授伊恩-埃尔伍德（Ian Ellwood）领导。该研究的主要作者是博士后研究员马修-艾萨克森（Matthew Isaacson）和博士生张宏宇。
"艾萨克森说："在制造工具时，这是一个难得的机会，你可以制造出在实验上比现有技术强大得多的东西，而且制造起来更简单、更便宜。"它为神经科学带来了更强大的实验能力，而且它是一种更容易获得的技术，因此可以被更多的实验室使用。
Schaffer 的实验室由他和生物医学工程副教授 Nozomi Nishimura 共同管理，开发基于光学的工具和技术，这些工具和技术可与其他方法一起用于研究导致神经退行性疾病功能丧失的分子和细胞机制。其中一个特别的研究方向是研究阿尔茨海默病小鼠脑血流量不明原因的减少。通过疏通微小毛细血管并增加血流量，研究人员发现，小鼠的记忆功能在数小时内就得到了改善。
"沙弗说："从这个角度来看，这非常令人兴奋，嘿，也许你可以对阿尔茨海默氏症做些什么，从而恢复一些认知功能。"下一步是揭示血流改善是如何改善大脑神经元功能的。但要做这些实验，我们需要比以前世界上已有的实验有新的能力。
从大约十年前开始，研究人员开始为小鼠安装笨重--而且相当昂贵--的投影仪屏幕，让小鼠在虚拟现实环境中导航，但这些设备往往很笨重，而且由此产生的光污染和噪音会干扰实验。
"沙弗说："我们能让行为任务越身临其境，我们研究的大脑功能就越自然。
以前曾为果蝇设计过显示系统的艾萨克森开始着手组装一个固定的 VR 装置，这个装置更简单，但更具沉浸感，这样小鼠就能更快地学习。碰巧的是，他所需要的许多组件--微型显示器、微型镜头--都已经可以在市场上买到。
"艾萨克森说："这绝对得益于黑客的精神，即利用为其他东西制造的部件，然后将其应用到新的环境中。"事实证明，用于鼠标 VR 头显的完美尺寸显示屏几乎已经用于智能手表。我们很幸运，我们不需要从头开始制造或设计任何东西，我们可以很容易地找到我们需要的所有廉价部件。
这款护目镜并不是传统意义上的可穿戴设备。小鼠站在跑步机上，头部固定在原位，眼睛注视着一对护目镜。然后，小鼠的神经活动模式就能被荧光成像。
研究小组与埃尔伍德的实验室合作，对乞丐小鼠进行了一系列测试。在神经系统方面，他们检查了小鼠大脑的两个关键区域：初级视觉皮层，以确保护目镜在视网膜上形成清晰、高对比度的图像；海马体，以确认小鼠大脑成功绘制了虚拟环境图。其他测试则更注重技术性，目的是观察护目镜显示屏是否能快速更新，是否能对鼠标的移动做出反应。
最重要的是，研究人员需要观察小鼠在新眼镜中的表现。最有效的测试之一是诱使小鼠相信一个不断扩大的黑点正在向它们靠近。
"艾萨克森说："当我们在典型的大屏幕 VR 设置中尝试这种测试时，小鼠完全没有反应。"但几乎每只小鼠在第一次看到护目镜时，都会跳起来。它们会产生巨大的惊吓反应。它们似乎真的以为自己受到了迫在眉睫的捕食者的攻击。
研究人员在向《自然-方法》杂志提交他们的研究成果时，收到了一份意想不到的稿件。一位匿名审稿人要求研究人员在每只小鼠的眼球上增加一组摄像头，以记录小鼠的瞳孔，验证动物的参与和兴奋程度。
这一要求既是一项艰巨的任务，也是一个偶然的祝福。
"他们向我们提出了挑战，要求我们做一些非常困难的事情，并使其全部成功，"Schaffer 说。"去年，已经有三篇关于小鼠 VR 眼镜的论文发表。要知道，这个领域的时机已经成熟。但我们是唯一一家拥有瞳孔测量和眼动追踪技术的研究机构，而这对于大部分神经科学来说都是至关重要的能力。
研究人员希望进一步开发这种护目镜，为大型啮齿动物（如树鼩和大鼠）提供轻便的移动版本，其中可以包括电池和板载处理功能。沙弗还看到了将更多感官（如味觉和嗅觉）融入 VR 体验的潜力。
"我认为小鼠的五感虚拟现实技术是一个实验方向，"他说，"我们正试图了解这些非常复杂的行为，小鼠正在整合感官信息，将机会与内部动机状态进行比较，比如需要休息和食物，然后做出行为决定。"
这项研究的共同作者包括博士生里克-泽克尔（Rick Zirkel）、博士后研究员劳拉-伯克维茨（Laura Berkowitz）、22岁的朴雨素（Yusol Park）和22岁的胡丹宇（Danyu Hu）。
这项研究得到了康奈尔神经技术蒙氏家族奖学金计划、BrightFocus基金会阿尔茨海默病奖学金计划、大脑与行为研究基金会以及美国国立卫生研究院的支持。
