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Virtual Reality虚拟实境
味觉,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。
Virtual Reality虚拟实境

电生理,成像等技术已经被广泛应用于研究脑功能的实验中,但是由于技术要求的局限性,在体的研究中主要是通过麻醉的动物上实现的,而如何对自由活动的动物进行研究成为目前的科研难点。Jet ball系统采用头颅固定的方式,因此可结合电生理,光遗传或成像技术,对动物在虚拟现实的环境中进行简单或复杂的行为学实验。

 

组成部分

硬件:
•TFT环绕监视系统:

1. 虚拟现实场景通过TFT环绕监视系统来实现。TFT环绕监视系统由6个19寸的显示器以270度的科学精算角度(无盲点)围成八角形,同时,显示器的高分辨率(1280(x3)x 1024pixels),对比度(2000:1)以及反馈时间(20ms),这些都使得实验动物在虚拟世界中处于真实的环境。

2. TFT显示器设置了四个音响支架,可选择性的放置音箱提供声音效果以及听觉刺激

3. 可以在虚拟现实场景中设定规定时间中的标记对实验动物进行实验刺激

4. 环绕监视系统上方有足够的空间搭建其他设备,如显微镜等。

 

  

 

 

•气流悬浮球系统:
气流悬浮球系统包括一个铝制球架,球架底部备有压缩气体供气装置,通过供气使得聚苯乙烯球悬浮。

可选择两种规格:

球体直径20cm用于小鼠研究;

球体直径30cm用于幼年大鼠研究;

可定制:球体直径50cm用于成年大鼠

 

                                        

 

 

•可伸缩装置:
可伸缩装置用于控制奖励惩罚机制。

 

•X/Y运动感应装置:
X/Y运动感应装置探测用于悬浮球的二维坐标,并协调悬浮球与虚拟世界的真实性。

 

•触觉刺激系统:
当实验大\小鼠在虚拟迷宫中遇到虚拟屏障时,触觉刺激装置会吹出气体刺激大小鼠胡须,模拟真实环境中的碰触墙壁的效果,给予实验动物真实的触觉迷宫环境。

触觉刺激装置左右各一个,位置可调节。

 

 

 

 

•听觉刺激系统:
听觉刺激系统包括4个环形圆顶高频扬声器组成的3D立体声系统,放大器,音频接口及软件。

 

•味觉刺激系统:
味觉刺激系统由一套液体舔舐传感装置和一个蠕动泵组成,通过球架上的可伸缩装置进行控制,从而可对实验动物进行味觉刺激或者奖励机制的设定。

 

•嗅觉刺激系统:
嗅觉刺激系统由一个高灵敏度的8通道嗅觉测量器组成.通过球架上的可伸缩装置对实验动物进行嗅觉刺激.

 

•头部固定装置:
头部固定装置用于固定在悬浮球上运动的实验动物,固定器重量仅为2g,方便实验动物在虚拟现实场景中进行运动。固定器的支架可方便灵活的调节角度和位置。固定器的孔可定制。

 

 

•惩罚机制系统:
可伸缩装置通过控制迎面的air puff 可作为实验动物的一个惩罚机制。

 

•奖励机制系统:
可伸缩装置通过控液体舔舐传感装置可以在虚拟现实系统对实验动物进行奖励机制。

 

•挫折感机制系统:
可人为的通过刹车装置让运动中的实验动物无法继续行走,产生挫折感。

 

 

软件组成:
•PhenoSoft Control:通过图形界面控制所有硬件组件系统 (Fig.9)

•PhenoSoft VR:构建各种实验所需的场景迷宫,包括大小,地标,颜色以及纹理(Fig.10)

•PhenoSoft Schedule:流程图和状态图编写实验计划

 

 

虚拟实境与电生理膜片钳记录
头颅固定与虚拟实境相搭配:科研界首次能在自由活动的动物大脑中稳定地采集到电信号!

 

特点说明:

膜片钳记录需要超高稳定性的系统支持,活体膜片钳记录目前为止都是在麻醉动物身上进行,动物麻醉后无法模拟真实环境下对外界刺激的反应。因此最好的实验系统是在活动动物身上做记录。既要能让动物自由活动完成任务,又要维持稳定性记录大脑电生理信号,可通过虚拟实境系统能完成这项任务。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 。

 

 

虚拟实境与双光子、共聚焦荧光显微镜记录
头颅固定与虚拟实境相搭配:科研界首次能在自由活动的动物大脑中,稳定地采集到细胞影像!

 

特点说明:

与活体膜片钳记录相同,活体双光子记录目前为止都是在麻醉动物身上进行,动物麻醉后无法模拟真实环境下对外界刺激的反应。因此最好的实验系统是在活动动物身上做记录。既要能让动物自由活动完成任务,又要维持稳定性记录大脑皮层的细胞形态,可通过虚拟实境系统能完成这项任务。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。

 

优点:

独家软件可重构虚拟的大多数经典实验迷宫场景,如T-maze, Y-maze, Plus-maze等,从而取代传统的实景,有效的节约了实验空间和金钱。
可设定在特定时间出现或消失不同大小形状的标记
可模拟五感外周刺激的输入,包括视觉,听觉,嗅觉,味觉,触觉,为实验动物提供一个可控的模拟真实环境的活动。
虚拟环境高度的灵活可控性,可以给予实验动物奖励,惩罚,挫折感等机制。
外部接口可同步导出大脑刺激产生的时间标识,位置以及速度等数据。
实验动物头部可固定,从而结合其他试验方法,如电生理,显微镜成像等技术手段进行行为学研究。
 

应用:

用于观察实验动物在虚拟现实中的复杂行为
条件反射可操作性
学习记忆过程的研究