Иммерсивные очки виртуальной реальности для мышей открывают новый потенциал в науке о мозге

Помимо того, что эти миниатюрные очки просто милые, они обеспечивают более захватывающий опыт для мышей, живущих в лабораторных условиях. Более точно моделируя природную среду, исследователи могут более точно и точно изучить нейронные схемы, лежащие в основе поведения.

По сравнению с современными системами, которые просто окружают мышей компьютерными или проекционными экранами, новые очки обеспечивают скачок в развитии. В современных системах мыши все еще могут видеть лабораторную среду, выглядывающую из-за экранов, а плоская природа экранов не может передать трехмерную (3D) глубину. Еще одним недостатком является то, что исследователи не смогли легко установить экраны над головами мышей, чтобы имитировать угрозы над головой, такие как надвигающиеся хищные птицы.

Новые очки виртуальной реальности решают все эти проблемы. И поскольку популярность виртуальной реальности растет, очки также могут помочь исследователям получить новое представление о том, как человеческий мозг адаптируется и реагирует на повторяющееся воздействие виртуальной реальности — область, которая в настоящее время мало изучена.

Исследование будет опубликовано в пятницу (8 декабря) в журнале. Нейрон. Это первый раз, когда исследователи использовали систему виртуальной реальности для моделирования угрозы над головой.

«Последние 15 лет мы использовали системы виртуальной реальности для мышей», — сказал Дэниел Домбек из Northwestern, старший автор исследования. «До сих пор в лабораториях использовались большие компьютеры или проекционные экраны, чтобы окружить животное. Для людей это все равно, что смотреть телевизор в гостиной. Вы все еще видите свой диван и свои стены. Вокруг вас есть сигналы, говорящие вам об этом. вы не находитесь внутри сцены. Теперь подумайте о том, чтобы надеть очки виртуальной реальности, например Oculus Rift, которые полностью захватывают ваше зрение. Вы не видите ничего, кроме проецируемой сцены, и в каждый глаз проецируется другая сцена для создания глубины информации. Этого не хватает для мышей».

Домбек — профессор нейробиологии Вайнбергского колледжа искусств и наук Северо-Западного университета. Его лаборатория является лидером в разработке систем на основе виртуальной реальности и систем лазерной визуализации высокого разрешения для исследований на животных.

Ценность виртуальной реальности

Хотя исследователи могут наблюдать за животными в природе, невероятно сложно представить закономерности активности мозга в реальном времени, когда животные взаимодействуют с реальным миром. Чтобы решить эту проблему, исследователи интегрировали виртуальную реальность в лабораторные условия. В этих экспериментальных установках животное использует беговую дорожку для перемещения по сценам, например виртуальному лабиринту, проецируемому на окружающие экраны.

Удерживая мышь на беговой дорожке, а не позволяя ей бегать по естественной среде или физическому лабиринту, нейробиологи могут использовать инструменты для просмотра и картирования мозга, когда мышь пересекает виртуальное пространство. В конечном итоге это помогает исследователям понять общие принципы того, как активированные нейронные цепи кодируют информацию во время различных действий.

«VR в основном воспроизводит реальную среду», — сказал Домбек. «Мы добились большого успеха с этой системой виртуальной реальности, но возможно, что животные не так погружены в реальную среду, как если бы они были в реальной среде. Требуется много тренировок, чтобы заставить мышей обращать внимание на экраны». и игнорировать лабораторию вокруг них».

Представляем iMRSIV

Учитывая недавние достижения в области миниатюризации оборудования, Домбек и его команда задались вопросом, смогут ли они разработать очки виртуальной реальности, которые бы более точно воспроизводили реальную среду. Используя специально разработанные линзы и миниатюрные дисплеи на органических светодиодах (OLED), они создали компактные очки.

Система, получившая название Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), состоит из двух линз и двух экранов — по одному на каждую сторону головы для отдельного освещения каждого глаза для обеспечения трехмерного зрения. Это обеспечивает каждому глазу поле зрения на 180 градусов, которое полностью погружает мышь и исключает окружающую среду.

В отличие от очков виртуальной реальности для человека, система iMRSIV (произносится как «иммерсивная») не охватывает голову мыши. Вместо этого очки прикрепляются к экспериментальной установке и располагаются прямо перед лицом мыши. Поскольку мышь движется на беговой дорожке на месте, очки по-прежнему закрывают поле зрения мыши.

«Мы спроектировали и изготовили специальный держатель для очков», — сказал Джон Исса, научный сотрудник лаборатории Домбека и соавтор исследования. «Весь оптический дисплей — экраны и линзы — полностью вращаются вокруг мыши».

Сокращение времени обучения

Сопоставляя мозг мышей, Домбек и его команда обнаружили, что мозг мышей, носящих очки, активируется очень похоже на мозг свободно движущихся животных. При параллельном сравнении исследователи заметили, что мыши в очках взаимодействуют с сценой гораздо быстрее, чем мыши с традиционными системами виртуальной реальности.

«Мы прошли те же парадигмы обучения, что и раньше, но мыши в очках учились быстрее», — сказал Домбек. «После первого сеанса они уже могли выполнить задачу. Они знали, куда бежать, и искали нужные места в поисках наград. Мы думаем, что им на самом деле может не потребоваться столько обучения, потому что они могут взаимодействовать с окружающей средой более естественным образом». “

Впервые моделируем накладные угрозы

Затем исследователи использовали очки, чтобы имитировать угрозу над головой — то, что ранее было невозможно с нынешними системами. Поскольку аппаратное обеспечение для обработки изображений уже находится над мышью, экран компьютера установить некуда. Однако небо над мышью — это область, где животные часто ищут жизненно важную — иногда жизненно важную — информацию.

«Верхняя часть поля зрения мыши очень чувствительна к обнаружению хищников сверху, например птиц», — сказал соавтор исследования Дом Пинке, специалист по исследованиям в лаборатории Домбека. «Это не заученное поведение, это импринтированное поведение. Оно запрограммировано внутри мозга мыши».

Чтобы создать надвигающуюся угрозу, исследователи спроецировали темный расширяющийся диск в верхнюю часть очков — и в верхнюю часть поля зрения мышей. В экспериментах мыши, заметив диск, либо бежали быстрее, либо замирали. Оба варианта поведения являются распространенной реакцией на служебные угрозы. Исследователи смогли записать нейронную активность, чтобы детально изучить эти реакции.

«В будущем мы хотели бы рассмотреть ситуации, когда мышь является не добычей, а хищником», — сказал Исса. «Например, мы могли бы наблюдать за активностью мозга, пока он гонится за мухой. Эта деятельность включает в себя глубокое восприятие глубины и оценку расстояний. Это те вещи, которые мы можем начать фиксировать».

Делаем нейробиологию доступной

Домбек надеется, что эти очки не только откроют двери для дальнейших исследований, но и откроют двери новым исследователям. Поскольку очки относительно недороги и требуют менее интенсивного лабораторного оборудования, он считает, что они могут сделать нейробиологические исследования более доступными.

«Традиционные системы виртуальной реальности довольно сложны», — сказал Домбек. «Они дорогие и большие. Для них требуется большая лаборатория с большим количеством места. И, кроме того, если обучение мыши выполнению задачи занимает много времени, это ограничивает количество экспериментов». вы можете это сделать. Мы все еще работаем над улучшениями, но наши очки маленькие, относительно дешевые и к тому же довольно удобные для пользователя. Это может сделать технологию виртуальной реальности более доступной для других лабораторий».

Исследование «Очки виртуальной реальности с полным полем зрения для мышей» было поддержано Национальными институтами здравоохранения (номер премии R01-MH101297), Национальным научным фондом (номер премии ECCS-1835389), Фондом Хартвелла и Фонд исследований мозга и поведения.