昆虫和鱼类不会玩电子游戏或参加电话会议，但它们仍然可以探索虚拟现实——包括视觉效果、味觉和嗅觉。一种名为 PiVR 的新系统——以运行其软件的低成本 Raspberry Pi 计算机命名——为斑马鱼幼虫和果蝇等小型动物创建了可工作的虚拟环境。开发人员表示，该系统的经济性有助于扩大对动物行为的研究。
PiVR 的目的不是让这些生物接入《黑客帝国》。相反，它让科学家可以实时测量动物在对受控环境做出反应时的行为。该技术既提供环境，又使用摄像头和其他传感器跟踪其中的动物。这种方法在旨在更多地了解外部刺激如何刺激大脑执行动作的实验中非常有用。“跟踪器允许我们做的是了解动物当前正在做什么，然后调整刺激的类型，”加州大学圣巴巴拉分校的生物学家、该研究的合著者马修·路易斯说。因此，“受试者现在有能力做出选择。它的行为会导致结果，”哈佛医学院的神经生物学研究生亚历山德拉·摩尔解释说，她没有参与这项新研究。“而这种实验情境……对于开始理解大脑如何完成更复杂的认知至关重要。”
使用 PiVR，刺激以光的形式出现，它会根据动物的移动方向变亮或变暗——就像它正在向虚拟光源移动或远离虚拟光源或进出虚拟阴影一样。假设研究人员想看看斑马鱼幼虫在中心最亮的圆形聚光灯下的行为方式。他们可以将受试者放入 PiVR 的腔室中，当动物向指定为“聚光灯”中心的区域移动时，腔室会自动调高亮度，而当动物远离该区域时，亮度会调低。当幼虫对这些变化做出反应时，腔室会使用摄像头和其他传感器跟踪它的每一个动作。这样做可以让研究人员研究动物如何使用视觉刺激进行导航。该系统在今年夏天发表在开放获取论文发表在PLOS Biology上。
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仅光线只能创建简单的环境。但是，通过将 PiVR 与称为光遗传学的领域相结合，研究人员创造了一个更加复杂的虚拟世界。科学家可以使用光遗传学来侵入动物的大脑，使其将光解释为不同类型的感官输入。为此，他们会操纵生物的基因，在其神经元中放置光敏蛋白，以便这些细胞在暴露于特定波长时会放电。例如，如果这些修改后的神经元控制果蝇的嗅觉或味觉，那么打开正确的光可以欺骗昆虫认为它正在感知苦味或甜味。在创建虚拟聚光灯的 VR 系统示例中，这项技术就像让动物处于一种气味中，当它向圆圈最亮的部分移动时，这种气味会变得更强烈。“你可以为成年果蝇的嗅觉系统或味觉系统创建虚拟现实，”路易斯实验室的博士生、PiVR 论文的第一作者大卫·塔德雷斯解释说。“那么你就可以研究‘动物如何在嗅觉或味觉环境中导航？’”
加州大学圣巴巴拉分校的团队并不是唯一一个为小型动物开发虚拟现实的团队。研究人员——例如德国康斯坦茨大学马克斯·普朗克动物行为研究所集体行为部的负责人伊恩·库津——已经建立了一些实验，例如，使真正的捕食鱼追逐虚拟猎物。库津没有参与 PiVR 研究，他解释说，“其他虚拟现实方法与这里的方法高度互补，已经被使用——包括在我的研究小组中——将包括苍蝇在内的生物嵌入到完全沉浸式和逼真的虚拟环境中，在那里它们可以移动并与 3D 环境互动。”
创建如此复杂的虚拟环境可能会很昂贵。路易斯的团队之前开发了一个复制成本约为 50,000 美元的系统。但是，PiVR 设备的零件可以购买和 3D 打印，价格低于 500 美元。“PiVR 的成就是使其能够负担得起——我们不会使用非常昂贵的摄像头、镜头和设置，”路易斯说。除了便宜的零件外，“我们希望[该软件]能够安装在相对便宜的迷你计算机上，”他说。“这就是 Raspberry Pi 允许我们做的事情。”
低成本可以使单个实验室更容易负担得起构建和运行多个 PiVR 系统。“你只是想同时进行大量实验，”塔德雷斯说，“因为这是你获得更多数据的方式。”负担得起的设备（以及 PiVR 在开放获取论文中描述的事实）也有助于使该工具更容易为更多研究人员所用。塔德雷斯建议本科生和高中生也可以使用它。
其他研究人员也同意。“对我来说，最令人兴奋的部分是，我认为 [PiVR] 有能力将这些真正处于当今神经科学研究前沿的概念带入课堂，”摩尔说。“该系统的灵活性和经济性——它是开源的，是用一种非常简单的编程语言编写的——可以帮助学生理解这些高级概念，例如‘空间导航是如何工作的？’‘我们接收到的感觉信号如何指导我们的行为？’‘我们如何做出决策？’”
“为科学探究提供具有成本效益的强大工具非常重要，”库津说。他认为 PiVR 等低价系统是对他自己实验室工作的补充。“通过这种方式，我们可以通过使前沿科学为更广泛的社区所用，更好地[民主化]科学过程，”库津说。