【Nature】学术界看好VR技术与脑科学的结合

当前虚拟现实(Virtual reality, VR)技术在多个领域取得了快速的发展,而在脑科学领域的应用至今没有得到很好的普及。对此,中国传媒大学脑科学与智能媒体研究院曹立宏院长基于多年脑科学方面的研究和对当前虚拟现实技术的深入理解,认为VR技术在未来几年势必将为脑科学研究带来突破性的贡献,从而极大地推动对大脑认知功能的研究。

与此同时,学术界在近日也发表了关于VR技术在脑科学研究方面应用前景的一些看法,相关观点刊登在2016年5月19日《Nature》上,题目为《Neuroscience: Virtual reality explored》,介绍了几位著名神经科学家(包括诺贝尔奖得主)对VR在脑科学研究方面潜在应用的一些看法。

d10a7fd8f1164301af1c34e6a236ea5d_th_meitu_5

来自美国哈佛医学院神经生物学系的Mattias Minderer和Christopher D. Harvey两位教授对VR技术在动物实验方面的应用十分看好,认为VR能很好地解决现实实验场景中存在的一些问题,具体如下:

(1) 在虚拟场景中,动物所受到的感觉输入(sensory cues)类型能被很明确地定义。在真实世界中,动物同时所受到的刺激是多方面的,包括:视觉、味觉、听觉、触觉以及前庭感觉等,这些混合的感觉输入无法让研究人员对具体每种输入的作用机制进行分析。而在虚拟场景中,这些感觉输入是可以被明确分离的。

(2) 动物运动反应与环境变化之间关系的重定义。在真实世界中,当动物进行自由运动时,很难弄清所记录到的神经元活动是由动物运动引起的,还是由环境变化引起的。而在虚拟场景中,可以设置让动物运动与虚拟环境变化之间分离,这样就可以有针对性地分析感觉和运动两个变量对神经元活动的影响。

(3) VR可以提供更多的方式来刻画神经元活动。在真实世界中,被记录的动物多是固定在某一个位置,然后利用特定的方法来记录神经电信号,如:功能性核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging)、高分辨率的荧光成像(high-resolution fluorescence imaging)以及胞内单细胞电生理记录(intracellular single-neuron electrophysiology)。在虚拟场景中,实验记录时动物可以进行一些自由活动,而非被固定住。

近几年,不少脑科学研究者将VR技术成功引入到动物实验中,并且在特定设置下,得到了与现实实验中一致的结果。当然,Minderer和Harvey两位教授认为VR技术也并非万能,需要根据特定的实验目的,合理地使用VR来设置实验场景,但对VR的未来前景,两位教授非常看好。

与此相反,来自挪威科技大学的Flavio Donato和Edvard I. Moser教授(ps: Edvard I. Moser为2014年诺贝尔生理学或医学奖得主)则对当前VR技术在动物实验方面的使用表达了担忧,尤其在空间导航实验方面。

他们认为,目标驱动的空间导航依赖于大脑中多个不同类型神经元的反应,比如:位置细胞(place cell)、网格细胞(grid cell)以及边界细胞(border cell)等。在真实世界中,导航依赖于多种感觉输入的整合,如:视觉、嗅觉、触觉及前庭等,这些不同感觉输入相互之间存在着协调的关系。而在虚拟世界中,很难去设定不同感觉输入之间的依赖关系,从而会丢失一些重要的信息。

比如:在虚拟场景中,我们可以忽略其他感觉输入,有针对性地去分析某一特定输入对相关神经元反应的影响,然而在真实世界中,那些被忽略的输入也会参与该特定输入对神经元的调节中,这就会导致虚拟实验与真实实验结果之间的偏差。

上图显示的是一个典型的虚拟动物实验图。在真实世界中,老鼠的头被固定在某一个位置,无法实现运动行为。而在虚拟场景中,老鼠可以沿着特定路线行走,有运动行为。这种信息的不对称也会影响最终的实验结果。结合早期的一篇报道,在真实世界中记录到的60%的位置细胞在虚拟场景实验中是处于静息态的,即没有活动。

最后,Donato和Moser教授指出,在真实实验中验证虚拟场景中的结果相对容易,而在虚拟世界中验证真实实验中的结果则会比较困难,但他们对VR技术未来在脑科学方面的应用及发展前景也抱有很大的期待。

文章下二维码15

责任编辑:
分享到QQ 分享到微信

0 条评论

头像发表我的观点

取消

  • 昵称 *
  • 邮箱 *
  • 网址

登录

忘记密码 ?

切换登录

注册