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Gli occhiali VR immersivi per topi sbloccano un nuovo potenziale per la scienza del cervello

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I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato nuovi occhiali per realtà virtuale (VR) per topi.

Oltre ad essere semplicemente carini, questi occhiali in miniatura offrono esperienze più coinvolgenti per i topi che vivono in ambienti di laboratorio. Simulando più fedelmente gli ambienti naturali, i ricercatori possono studiare in modo più accurato e preciso i circuiti neurali che sono alla base del comportamento.

Rispetto agli attuali sistemi all’avanguardia, che circondano semplicemente i mouse con schermi di computer o di proiezione, i nuovi occhiali rappresentano un passo avanti. Nei sistemi attuali, i topi possono ancora vedere l’ambiente del laboratorio che fa capolino da dietro gli schermi, e la natura piatta degli schermi non può trasmettere la profondità tridimensionale (3D). Un altro svantaggio è che i ricercatori non sono stati in grado di montare facilmente schermi sopra la testa dei topi per simulare minacce dall’alto, come l’incombenza dei rapaci.

I nuovi occhiali VR aggirano tutti questi problemi. E, man mano che la realtà virtuale cresce in popolarità, gli occhiali potrebbero anche aiutare i ricercatori a raccogliere nuove informazioni su come il cervello umano si adatta e reagisce all’esposizione ripetuta alla realtà virtuale, un’area attualmente poco compresa.

La ricerca sarà pubblicata venerdì (8 dicembre) sulla rivista Neurone. È la prima volta che i ricercatori utilizzano un sistema VR per simulare una minaccia aerea.

“Negli ultimi 15 anni abbiamo utilizzato sistemi VR per topi”, ha affermato Daniel Dombeck della Northwestern, autore senior dello studio. “Finora, i laboratori hanno utilizzato grandi computer o schermi di proiezione per circondare un animale. Per gli esseri umani, questo è come guardare la TV nel tuo soggiorno. Vedi ancora il tuo divano e le tue pareti. Ci sono segnali intorno a te che ti dicono che non sei all’interno della scena. Ora pensa a indossare occhiali VR, come Oculus Rift, che occupano la tua visione completa. Non vedi altro che la scena proiettata e una scena diversa viene proiettata in ciascun occhio per creare profondità informazioni che mancano ai topi.”

Dombeck è professore di neurobiologia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Il suo laboratorio è leader nello sviluppo di sistemi basati su VR e sistemi di imaging basati su laser ad alta risoluzione per la ricerca sugli animali.

Il valore della realtà virtuale

Sebbene i ricercatori possano osservare gli animali in natura, è incredibilmente difficile immaginare modelli di attività cerebrale in tempo reale mentre gli animali interagiscono con il mondo reale. Per superare questa sfida, i ricercatori hanno integrato la realtà virtuale nelle impostazioni di laboratorio. In queste configurazioni sperimentali, un animale utilizza un tapis roulant per navigare in scene, come un labirinto virtuale, proiettato sugli schermi circostanti.

Mantenendo il mouse sul tapis roulant, invece di lasciarlo correre attraverso un ambiente naturale o un labirinto fisico, i neurobiologi possono utilizzare strumenti per visualizzare e mappare il cervello mentre il mouse attraversa uno spazio virtuale. In definitiva, questo aiuta i ricercatori a comprendere i principi generali su come i circuiti neurali attivati ​​codificano le informazioni durante vari comportamenti.

“La realtà virtuale riproduce sostanzialmente ambienti reali”, ha affermato Dombeck. “Abbiamo avuto molto successo con questo sistema VR, ma è possibile che gli animali non siano così immersi come lo sarebbero in un ambiente reale. Ci vuole molto addestramento solo per far sì che i topi prestino attenzione agli schermi e ignorano il laboratorio che li circonda.”

Presentazione di iMRSIV

Con i recenti progressi nella miniaturizzazione dell’hardware, Dombeck e il suo team si sono chiesti se potessero sviluppare occhiali VR per replicare più fedelmente un ambiente reale. Utilizzando lenti progettate su misura e display OLED (diodi organici a emissione di luce) in miniatura, hanno creato occhiali compatti.

Chiamato Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), il sistema comprende due lenti e due schermi, uno per ciascun lato della testa per illuminare separatamente ciascun occhio per la visione 3D. Ciò fornisce a ciascun occhio un campo visivo di 180 gradi che immerge completamente il mouse ed esclude l’ambiente circostante.

A differenza degli occhiali VR per un essere umano, il sistema iMRSIV (pronunciato “immersivo”) non avvolge la testa del mouse. Invece, gli occhiali sono attaccati alla configurazione sperimentale e si appollaiano direttamente davanti alla faccia del topo. Poiché il mouse scorre sul posto su un tapis roulant, gli occhiali continuano a coprire il campo visivo del mouse.

“Abbiamo progettato e costruito un supporto personalizzato per gli occhiali”, ha affermato John Issa, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Dombeck e co-primo autore dello studio. “L’intero display ottico, gli schermi e le lenti, gira attorno al mouse.”

Tempi di formazione ridotti

Mappando il cervello dei topi, Dombeck e il suo team hanno scoperto che il cervello dei topi che indossavano gli occhiali veniva attivato in modi molto simili a quelli degli animali che si muovevano liberamente. E, confrontando fianco a fianco, i ricercatori hanno notato che i topi che indossavano gli occhiali interagivano con la scena molto più rapidamente rispetto ai topi con sistemi VR tradizionali.

“Abbiamo seguito lo stesso tipo di paradigmi di addestramento che abbiamo fatto in passato, ma i topi con gli occhiali hanno imparato più rapidamente”, ha detto Dombeck. “Dopo la prima sessione, potevano già completare il compito. Sapevano dove correre e cercavano i posti giusti per ottenere ricompense. Pensiamo che in realtà potrebbero non aver bisogno di tanta formazione perché possono interagire con l’ambiente in un modo più naturale. “

Simulazione di minacce generali per la prima volta

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato gli occhiali per simulare una minaccia dall’alto, qualcosa che prima era impossibile con i sistemi attuali. Poiché l’hardware per la tecnologia di imaging si trova già sopra il mouse, non c’è nessun posto dove montare lo schermo del computer. Il cielo sopra un topo, tuttavia, è un’area in cui gli animali spesso cercano informazioni vitali, a volte sulla vita o sulla morte.

“La parte superiore del campo visivo di un topo è molto sensibile per rilevare i predatori dall’alto, come un uccello”, ha detto il co-primo autore Dom Pinke, uno specialista di ricerca nel laboratorio di Dombeck. “Non è un comportamento appreso; è un comportamento impresso. È cablato nel cervello del topo.”

Per creare una minaccia incombente, i ricercatori hanno proiettato un disco scuro ed espandibile nella parte superiore degli occhiali e nella parte superiore del campo visivo dei topi. Negli esperimenti, i topi, dopo aver notato il disco, correvano più velocemente o si bloccavano. Entrambi i comportamenti sono risposte comuni alle minacce generali. I ricercatori sono stati in grado di registrare l’attività neurale per studiare queste reazioni in dettaglio.

“In futuro, vorremmo esaminare situazioni in cui il topo non è una preda ma è un predatore”, ha detto Issa. “Potremmo osservare l’attività del cervello mentre insegue una mosca, ad esempio. Tale attività implica molta percezione della profondità e stima delle distanze. Queste sono cose che possiamo iniziare a catturare.”

Rendere accessibile la neurobiologia

Oltre ad aprire la porta a ulteriori ricerche, Dombeck spera che gli occhiali aprano la porta a nuovi ricercatori. Poiché gli occhiali sono relativamente economici e richiedono allestimenti di laboratorio meno intensivi, ritiene che potrebbero rendere la ricerca neurobiologica più accessibile.

“I sistemi VR tradizionali sono piuttosto complicati”, ha detto Dombeck. “Sono costosi e sono grandi. Richiedono un grande laboratorio con molto spazio. E, oltre a ciò, se ci vuole molto tempo per addestrare un topo a svolgere un compito, ciò limita il numero di esperimenti.” puoi fare. Stiamo ancora lavorando per migliorare, ma i nostri occhiali sono piccoli, relativamente economici e anche piuttosto facili da usare. Ciò potrebbe rendere la tecnologia VR più disponibile per altri laboratori.”

Lo studio, “Occhiali per realtà virtuale con campo visivo completo per topi”, è stato sostenuto dal National Institutes of Health (numero di premio R01-MH101297), dalla National Science Foundation (numero di premio ECCS-1835389), dalla Hartwell Foundation e dalla Fondazione per la ricerca sul cervello e sul comportamento.



Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com

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