昆蟲和魚類不會玩電子遊戲或參加電話會議，但它們仍然可以探索虛擬現實——包括視覺效果、味覺和嗅覺。一種名為 PiVR 的新系統——以執行其軟體的低成本 Raspberry Pi 計算機命名——為斑馬魚幼蟲和果蠅等小型動物建立了可工作的虛擬環境。開發人員表示，該系統的經濟性有助於擴大對動物行為的研究。
PiVR 的目的不是讓這些生物接入《駭客帝國》。相反，它讓科學家可以即時測量動物在對受控環境做出反應時的行為。該技術既提供環境，又使用攝像頭和其他感測器跟蹤其中的動物。這種方法在旨在更多地瞭解外部刺激如何刺激大腦執行動作的實驗中非常有用。“跟蹤器允許我們做的是瞭解動物當前正在做什麼，然後調整刺激的型別，”加州大學聖巴巴拉分校的生物學家、該研究的合著者馬修·路易斯說。因此，“受試者現在有能力做出選擇。它的行為會導致結果，”哈佛醫學院的神經生物學研究生亞歷山德拉·摩爾解釋說，她沒有參與這項新研究。“而這種實驗情境……對於開始理解大腦如何完成更復雜的認知至關重要。”
使用 PiVR，刺激以光的形式出現，它會根據動物的移動方向變亮或變暗——就像它正在向虛擬光源移動或遠離虛擬光源或進出虛擬陰影一樣。假設研究人員想看看斑馬魚幼蟲在中心最亮的圓形聚光燈下的行為方式。他們可以將受試者放入 PiVR 的腔室中，當動物向指定為“聚光燈”中心的區域移動時，腔室會自動調高亮度，而當動物遠離該區域時，亮度會調低。當幼蟲對這些變化做出反應時，腔室會使用攝像頭和其他感測器跟蹤它的每一個動作。這樣做可以讓研究人員研究動物如何使用視覺刺激進行導航。該系統在今年夏天發表在開放獲取論文發表在PLOS Biology上。
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僅光線只能建立簡單的環境。但是，透過將 PiVR 與稱為光遺傳學的領域相結合，研究人員創造了一個更加複雜的虛擬世界。科學家可以使用光遺傳學來侵入動物的大腦，使其將光解釋為不同型別的感官輸入。為此，他們會操縱生物的基因，在其神經元中放置光敏蛋白，以便這些細胞在暴露於特定波長時會放電。例如，如果這些修改後的神經元控制果蠅的嗅覺或味覺，那麼開啟正確的光可以欺騙昆蟲認為它正在感知苦味或甜味。在建立虛擬聚光燈的 VR 系統示例中，這項技術就像讓動物處於一種氣味中，當它向圓圈最亮的部分移動時，這種氣味會變得更強烈。“你可以為成年果蠅的嗅覺系統或味覺系統建立虛擬現實，”路易斯實驗室的博士生、PiVR 論文的第一作者大衛·塔德雷斯解釋說。“那麼你就可以研究‘動物如何在嗅覺或味覺環境中導航？’”
加州大學聖巴巴拉分校的團隊並不是唯一一個為小型動物開發虛擬現實的團隊。研究人員——例如德國康斯坦茨大學馬克斯·普朗克動物行為研究所集體行為部的負責人伊恩·庫津——已經建立了一些實驗，例如，使真正的捕食魚追逐虛擬獵物。庫津沒有參與 PiVR 研究，他解釋說，“其他虛擬現實方法與這裡的方法高度互補，已經被使用——包括在我的研究小組中——將包括蒼蠅在內的生物嵌入到完全沉浸式和逼真的虛擬環境中，在那裡它們可以移動並與 3D 環境互動。”
建立如此複雜的虛擬環境可能會很昂貴。路易斯的團隊之前開發了一個複製成本約為 50,000 美元的系統。但是，PiVR 裝置的零件可以購買和 3D 列印，價格低於 500 美元。“PiVR 的成就是使其能夠負擔得起——我們不會使用非常昂貴的攝像頭、鏡頭和設定，”路易斯說。除了便宜的零件外，“我們希望[該軟體]能夠安裝在相對便宜的迷你計算機上，”他說。“這就是 Raspberry Pi 允許我們做的事情。”
低成本可以使單個實驗室更容易負擔得起構建和執行多個 PiVR 系統。“你只是想同時進行大量實驗，”塔德雷斯說，“因為這是你獲得更多資料的方式。”負擔得起的裝置（以及 PiVR 在開放獲取論文中描述的事實）也有助於使該工具更容易為更多研究人員所用。塔德雷斯建議本科生和高中生也可以使用它。
其他研究人員也同意。“對我來說，最令人興奮的部分是，我認為 [PiVR] 有能力將這些真正處於當今神經科學研究前沿的概念帶入課堂，”摩爾說。“該系統的靈活性和經濟性——它是開源的，是用一種非常簡單的程式語言編寫的——可以幫助學生理解這些高階概念，例如‘空間導航是如何工作的？’‘我們接收到的感覺訊號如何指導我們的行為？’‘我們如何做出決策？’”
“為科學探究提供具有成本效益的強大工具非常重要，”庫津說。他認為 PiVR 等低價系統是對他自己實驗室工作的補充。“透過這種方式，我們可以透過使前沿科學為更廣泛的社群所用，更好地[民主化]科學過程，”庫津說。