MouseGoggles предлагает захватывающий взгляд на нейронную активность
Благодаря своему генетическому строению, способности ориентироваться в лабиринтах и готовности работать за сыр мыши уже давно стали популярной моделью для поведенческих и неврологических исследований.
В последние годы они вышли на новую арену — виртуальную реальность — и теперь исследователи Корнелла создали миниатюрные VR-гарнитуры, чтобы глубже погрузиться в нее.
Очки MouseGoggles от этой команды — да, они выглядят так же мило, как и звучат — были созданы с использованием недорогих стандартных компонентов, таких как дисплеи умных часов и крошечные линзы, и обеспечивают визуальную стимуляцию в широком поле зрения, отслеживая движения глаз мыши и изменения размера зрачка.
Эта технология может помочь выявить нейронную активность, отвечающую за пространственную ориентацию и функцию памяти, что предоставит исследователям новое понимание таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, и ее потенциальных методов лечения.
Исследование, опубликованное в Nature Methods , было проведено Крисом Шаффером, профессором биомедицинской инженерии в Cornell Engineering, и Яном Эллвудом, доцентом нейробиологии и поведения в College of Arts and Sciences. Ведущими авторами исследования являются постдокторант Мэтью Айзексон и докторант Хонгю Чанг.
«Это редкая возможность, когда при создании инструментов можно сделать что-то, что экспериментально намного мощнее нынешних технологий, и что также проще и дешевле в создании», — сказал Айзексон. «Это приносит больше экспериментальной мощности в нейронауку, и это гораздо более доступная версия технологии, поэтому ее может использовать гораздо больше лабораторий».
Лаборатория Шеффера, которой он руководит совместно с доцентом кафедры биомедицинской инженерии Нозоми Нисимура, разрабатывает оптические инструменты и методы, которые можно использовать наряду с другими методиками для исследования молекулярных и клеточных механизмов, способствующих потере функций при нейродегенеративных заболеваниях.
Одно из направлений исследований было посвящено изучению необъяснимого снижения мозгового кровотока у мышей с болезнью Альцгеймера. Разблокируя крошечные капилляры и увеличивая этот поток, исследователи показали, что функция памяти у мышей улучшается в течение нескольких часов.
«Это было очень волнительно с точки зрения, эй, может быть, есть что-то, что можно сделать при болезни Альцгеймера, чтобы восстановить некоторые когнитивные функции», — сказал Шаффер. «Следующие шаги — раскрыть, как улучшение кровотока улучшает функцию нейронов в мозге. Но для проведения этих экспериментов нам нужны были новые возможности по сравнению с тем, что существовало в мире раньше».
Примерно десять лет назад исследователи начали сооружать громоздкие и довольно дорогие проекционные экраны для мышей, чтобы они могли перемещаться в средах виртуальной реальности, но эти устройства часто оказываются громоздкими, а возникающее световое загрязнение и шум могут мешать экспериментам.
«Чем более захватывающей мы сможем сделать эту поведенческую задачу, тем более натуралистичной будет функция мозга, которую мы будем изучать», — сказал Шеффер.
Айзексон, который ранее проектировал системы отображения для плодовых мушек, приступил к сборке стационарной установки VR, которая была бы проще, но еще более захватывающей, чтобы мыши могли учиться быстрее. Так получилось, что многие из необходимых ему компонентов — крошечные дисплеи, крошечные линзы — уже были коммерчески доступны.
«Оно определенно выиграло от хакерской этики брать детали, которые созданы для чего-то другого, и затем применять их в каком-то новом контексте», — сказал Айзексон. «Как оказалось, идеальный размер дисплея для мышиной гарнитуры VR уже практически создан для умных часов. Нам повезло, что нам не нужно было ничего строить или проектировать с нуля, мы могли легко найти все недорогие детали, которые нам были нужны».
Дизайн VR на основе гарнитуры. Кредит: Nature Methods (2024). DOI: 10.1038/s41592-024-02540-y
Очки нельзя носить в традиционном смысле. Мышь стоит на беговой дорожке, ее голова зафиксирована, и она смотрит в пару окуляров. Затем можно получить флуоресцентное изображение паттернов нейронной активности мыши.
Работая с лабораторией Эллвуда, команда провела ряд тестов на мышах с очками. На неврологическом фронте они исследовали две ключевые области в мозге мыши: первичную зрительную кору , чтобы убедиться, что очки формируют четкие, высококонтрастные изображения на сетчатке; и гиппокамп, чтобы подтвердить, что мозг мыши успешно отображает свою виртуальную среду. Другие тесты были более технологически ориентированными, чтобы увидеть, быстро ли обновляются дисплеи очков и реагируют ли они на движения мыши.
И самое главное, исследователям нужно было наблюдать, как мыши ведут себя в новых очках. Одним из самых эффективных тестов было заставить мышь поверить, что к ней приближается расширяющееся темное пятно.
«Когда мы попробовали провести такой тест в типичной установке VR с большими экранами, мыши вообще не отреагировали», — сказал Айзексон. «Но почти каждая мышь, когда они впервые видят ее в очках, они подпрыгивают. У них сильная реакция испуга. Они действительно, похоже, думали, что на них нападает приближающийся хищник».
Исследователи получили неожиданный вклад, когда представили свои выводы в Nature Methods. Анонимный рецензент подтолкнул исследователей добавить набор камер в каждый глаз, которые могли бы регистрировать зрачки мыши и проверять вовлеченность и возбуждение животного.
Эта просьба была одновременно трудной задачей и счастливым благословением.
«Они бросили нам вызов сделать что-то действительно сложное и заставить все это работать», — сказал Шаффер. «За последний год было опубликовано три статьи с очками виртуальной реальности для мышей. Знаете, эта область созрела для этого. Но мы единственные, у кого есть пупиллометрия и отслеживание глаз, а это критически важная возможность для большей части нейробиологии».
Исследователи стремятся и дальше развивать очки, создав легкую мобильную версию для крупных грызунов, таких как древесные землеройки и крысы, которая может включать батарею и встроенную обработку. Шаффер также видит потенциал включения большего количества чувств, таких как вкус и обоняние, в опыт виртуальной реальности.
«Я думаю, что виртуальная реальность пяти чувств для мышей — это направление для экспериментов», — сказал он, — «где мы пытаемся понять эти действительно сложные формы поведения, где мыши интегрируют сенсорную информацию , сравнивая возможности с внутренними мотивационными состояниями, такими как потребность в отдыхе и еде, а затем принимают решения о том, как себя вести».