脑声问答（70）期丨啮齿动物虚拟导航测试应该怎么做？

视觉，嗅觉，听觉，触觉是动物所能接受的所有外部刺激，大脑就是依靠这五种感官的输入来认知、学习与记忆整个外部世界的。虚拟现实是人为创造出的一个接近真实世界的虚拟环境，可控的模拟真实世界中产生的各种感官刺激可使身处次环境的动物与虚拟环境进行互动，从而进行行为学方面的研究。Jet ball是一种新型的的虚拟现实的系统，用于大小鼠的行为学实验的研究。它基于一个气流悬浮球，固定的实验动物可以通过这个悬浮球在虚拟空间中运动。虚拟现实提供了一个完全可控的试验环境，可用于导航，认知，学习和记忆的研究。虚拟实境系统采用头颅固定方式，搭配视觉、嗅觉、听觉、味觉、与触觉等所有与真实环境相似的外界刺激，让动物在三维空间中自由运动。同时搭配无限可能的迷宫设计，在狭小的实验室空间内模拟了各种可能的迷宫，大大增加了空间自由度。虚拟现实（VR）已经成为研究动物大脑和行为的重要工具。

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虚拟现实（VR）系统可用于小鼠和大鼠，在多种不同的范式中调查大脑功能。JetBall-TFT是TFT显示器环和JetBall的独特组合，带有互动的、可选择的操作装置。JetBall是一个有气垫的球形跑步机，允许动物在一个虚拟世界中毫不费力地进行导航。在动物执行导航、认知、学习、决策或记忆等任务时，可以用电生理学、成像和光遗传学方法检查大脑功能。主要的优点是迷宫的几何形状、外观和互动的灵活性，以及重复的速度：许多精确的任务尝试可以在很短的时间内被记录下来，以优化统计。

Fig1 动物虚拟导航测试

测试程序：

小鼠

在进行任何训练之前，所有小鼠都被单独关在笼子里，并被允许在它们的家笼子里使用一个跑轮。然后限制小鼠进食，并每天监测。每天喂食以保持体重为起始体重的 85-90%。经过两周的食物限制后，每只小鼠在2-3%异氟醚气体的麻醉下，使用气管麻醉系统将每只小鼠穿扎成定制的安全带。使用订书钉将安全带固定在背面，然后用胶带包裹以防止对鼠标造成伤害。在训练和测试过程中，安全带仍留在小鼠身上。第二天，通过将小鼠的安全带夹在球形跑步机上方，将小鼠引入VR设置。每只小鼠每天进行两次训练，每次训练时间为 30 分钟。在2-3%异氟烷的麻醉下，在训练/测试结束时取下安全带。测试的小鼠实际上被放置在一个随机方向的圆形竞技场（直径2.4米）的中心。它在竞技场中的X，Y位置使用计算机鼠标的输入连续跟踪。然后训练被测试的小鼠通过移动球形跑步机的聚苯乙烯泡沫塑料球导航到指定的“奖励”目标。一旦它正确到达奖励目标并面向目标中心一秒钟，就会播放音频提示，并通过喂食针输送少量巧克力牛奶。然后自动重新调整竞技场的显示，以便将测试的鼠标放回竞技场的中心。

大鼠

在测试过程中，大鼠被置于一个专门设计的虚拟现实系统中。当它们在球形跑步机上行走时，虚拟现实系统中的场景不断变化，只有当大鼠处于特定场景时，它们才会得到奖励。同时，脑机接口系统记录下了大鼠海马体的活动。使大鼠脱离跑步机，并奖励那些能够重现与目标位置相关的海马活动模式的大鼠。

文献引用：

1.Chongxi Lai et al. ,Volitional activation of remote place representations with a hippocampal brain–machine interface.Science382,566-573(2023).

3.Schacter DL, Addis DR, Hassabis D, Martin VC, Spreng RN, Szpunar KK, The future of memory: remembering, imagining, and the brain. Neuron 76, 677–694 (2012). - PMC - PubMed

4.Hamrick JB, Analogues of mental simulation and imagination in deep learning. Current Opinion in Behavioral Sciences 29, 8–16 (2019).

找实验方法，上脑声常谈