Naukowcy z Northwestern University opracowali nowe gogle wirtualnej rzeczywistości (VR) dla myszy.
Te miniaturowe gogle są nie tylko urocze, ale zapewniają myszom żyjącym w warunkach laboratoryjnych jeszcze bardziej wciągające wrażenia. Wierniej symulując środowisko naturalne, badacze mogą dokładniej i precyzyjniej badać obwody nerwowe leżące u podstaw zachowania.
W porównaniu z obecnymi, najnowocześniejszymi systemami, które po prostu otaczają myszy ekranami komputerowymi lub projekcyjnymi, nowe gogle zapewniają skokowy postęp. W obecnych systemach myszy nadal widzą środowisko laboratoryjne wyglądające zza ekranów, a płaska natura ekranów nie jest w stanie oddać trójwymiarowej (3D) głębi. Kolejną wadą jest to, że badacze nie byli w stanie łatwo zamontować ekranów nad głowami myszy, aby symulować zagrożenia nad głowami, takie jak nadlatujące ptaki drapieżne.
Nowe gogle VR omijają te wszystkie problemy. W miarę wzrostu popularności rzeczywistości wirtualnej gogle mogą również pomóc badaczom uzyskać nowy wgląd w sposób, w jaki ludzki mózg dostosowuje się i reaguje na powtarzającą się ekspozycję na rzeczywistość wirtualną – obszar, który jest obecnie mało poznany.
Wyniki badania zostaną opublikowane w piątek (8 grudnia) w czasopiśmie Neuron. To pierwszy raz, kiedy badacze wykorzystali system VR do symulacji zagrożenia nad głową.
„Od 15 lat używamy systemów VR dla myszy” – powiedział Daniel Dombeck z Northwestern, starszy autor badania. „Jak dotąd laboratoria używały dużych komputerów lub ekranów projekcyjnych do otaczania zwierząt. Dla ludzi jest to jak oglądanie telewizora w salonie. Nadal widzisz swoją kanapę i ściany. Wokół ciebie pojawiają się sygnały, które ci to mówią. nie jesteś wewnątrz sceny. Teraz pomyśl o założeniu gogli VR, takich jak Oculus Rift, które zajmą całe Twoje pole widzenia. Nie widzisz nic poza wyświetlaną sceną, a do każdego oka wyświetlana jest inna scena, aby uzyskać głębię informacji. Tego brakowało myszom.”
Dombeck jest profesorem neurobiologii w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. Jego laboratorium jest liderem w opracowywaniu systemów opartych na VR i laserowych systemach obrazowania o wysokiej rozdzielczości do badań na zwierzętach.
Wartość VR
Chociaż badacze mogą obserwować zwierzęta w naturze, niezwykle trudno jest wyobrazić sobie wzorce aktywności mózgu w czasie rzeczywistym, gdy zwierzęta kontaktują się ze światem rzeczywistym. Aby stawić czoła temu wyzwaniu, badacze włączyli technologię VR do warunków laboratoryjnych. W tych eksperymentalnych konfiguracjach zwierzę używa bieżni do poruszania się po scenach, takich jak wirtualny labirynt, wyświetlanych na otaczających ekranach.
Trzymając mysz na bieżni – zamiast pozwalać jej biegać po naturalnym środowisku lub fizycznym labiryncie – neurobiolodzy mogą korzystać z narzędzi do przeglądania i mapowania mózgu, gdy mysz przemierza wirtualną przestrzeń. Ostatecznie pomaga to badaczom zrozumieć ogólne zasady kodowania informacji przez aktywowane obwody neuronowe podczas różnych zachowań.
„VR zasadniczo odtwarza rzeczywiste środowisko” – powiedział Dombeck. „Odnieśliśmy duży sukces z tym systemem VR, ale możliwe jest, że zwierzęta nie są tak zanurzone w środowisku rzeczywistym, jak w prawdziwym środowisku. Aby myszy zwróciły uwagę na ekrany, potrzeba dużo treningu. i zignoruj otaczające je laboratorium.”
Przedstawiamy iMRSIV
W obliczu ostatnich postępów w miniaturyzacji sprzętu Dombeck i jego zespół zastanawiali się, czy mogliby opracować gogle VR, które wierniej odtwarzałyby rzeczywiste środowisko. Wykorzystując specjalnie zaprojektowane soczewki i miniaturowe wyświetlacze z organicznymi diodami elektroluminescencyjnymi (OLED), stworzyli kompaktowe gogle.
System nazywany Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV) składa się z dwóch soczewek i dwóch ekranów – po jednym na każdą stronę głowy, aby oddzielnie oświetlać każde oko w celu uzyskania widzenia 3D. Zapewnia to każdemu oku 180-stopniowe pole widzenia, które całkowicie zanurza mysz i wyklucza otaczające środowisko.
W przeciwieństwie do gogli VR dla człowieka, system iMRSIV (wymawiane: „immersyjny”) nie owija się wokół głowy myszy. Zamiast tego gogle są przymocowane do konfiguracji eksperymentalnej i umieszczone tuż przed twarzą myszy. Ponieważ mysz porusza się w miejscu na bieżni, gogle nadal zakrywają pole widzenia myszy.
„Zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy niestandardowy uchwyt do gogli” – powiedział John Issa, doktorant w laboratorium Dombeck i współautor badania. „Cały wyświetlacz optyczny – ekrany i soczewki – otacza mysz”.
Skrócony czas szkolenia
Mapując mózgi myszy, Dombeck i jego zespół odkryli, że mózgi myszy noszących gogle były aktywowane w bardzo podobny sposób, jak u swobodnie poruszających się zwierząt. Podczas bezpośrednich porównań naukowcy zauważyli, że myszy noszące gogle wchodziły w interakcję ze sceną znacznie szybciej niż myszy korzystające z tradycyjnych systemów VR.
„Przeszliśmy przez ten sam model treningu, co w przeszłości, ale myszy z goglami uczyły się szybciej” – powiedział Dombeck. „Już po pierwszej sesji byli w stanie wykonać zadanie. Wiedzieli, dokąd biegać i szukali odpowiednich miejsc w poszukiwaniu nagród. Uważamy, że tak naprawdę mogą nie potrzebować aż tak dużego szkolenia, ponieważ mogą kontaktować się ze środowiskiem w bardziej naturalny sposób. “
Symulacja zagrożeń napowietrznych po raz pierwszy
Następnie badacze wykorzystali gogle do symulacji zagrożenia nad głową – coś, co wcześniej było niemożliwe w przypadku obecnych systemów. Ponieważ sprzęt do technologii obrazowania znajduje się już nad myszą, nie ma gdzie zamontować ekranu komputera. Niebo nad myszą to jednak obszar, w którym zwierzęta często szukają ważnych informacji – czasami decydujących o życiu lub śmierci.
„Górna część pola widzenia myszy jest bardzo czuła, co umożliwia wykrycie drapieżników z góry, np. ptaka” – powiedział współautor Dom Pinke, specjalista ds. badań w laboratorium Dombecka. „To nie jest zachowanie wyuczone; to zachowanie wpojone. Jest zakodowane w mózgu myszy”.
Aby stworzyć nadchodzące zagrożenie, badacze wyświetlyli ciemny, rozszerzający się dysk na górze gogli i na górze pola widzenia myszy. W eksperymentach myszy – po zauważeniu dysku – albo biegały szybciej, albo zamarły. Obydwa zachowania są częstymi reakcjami na zagrożenia ogólne. Naukowcy byli w stanie zarejestrować aktywność neuronów, aby szczegółowo zbadać te reakcje.
„W przyszłości chcielibyśmy przyjrzeć się sytuacjom, w których mysz nie jest ofiarą, ale drapieżnikiem” – powiedział Issa. „Moglibyśmy na przykład obserwować aktywność mózgu goniącego muchę. Ta aktywność wymaga dużej percepcji głębi i szacowania odległości. To są rzeczy, które możemy zacząć wychwytywać”.
Dostępność neurobiologii
Dombeck ma nadzieję, że nie tylko otworzą drzwi do dalszych badań, ale gogle otworzą drzwi nowym badaczom. Ponieważ gogle są stosunkowo niedrogie i wymagają mniej intensywnych konfiguracji laboratoryjnych, uważa, że mogłyby zwiększyć dostępność badań neurobiologicznych.
„Tradycyjne systemy VR są dość skomplikowane” – powiedział Dombeck. „Są drogie i duże. Wymagają dużego laboratorium z dużą ilością miejsca. A poza tym, jeśli wyszkolenie myszy do wykonania zadania zajmuje dużo czasu, ogranicza to liczbę eksperymentów możesz to zrobić. Wciąż pracujemy nad ulepszeniami, ale nasze gogle są małe, stosunkowo tanie i całkiem przyjazne dla użytkownika. Dzięki temu technologia VR będzie bardziej dostępna dla innych laboratoriów.
Badanie „Gogle wirtualnej rzeczywistości o pełnym polu widzenia dla myszy” było wspierane przez National Institutes of Health (numer nagrody R01-MH101297), National Science Foundation (numer nagrody ECCS-1835389), Hartwell Foundation i Fundacja Badań nad Mózgiem i Zachowaniem.