Naukowcy z Cornell opracowali zestaw słuchawkowy MouseGoggles Duo 3D VR dla myszy przy użyciu Raspberry Pi 4
Naukowcy z Uniwersytetu Cornella stworzyli zestaw słuchawkowy MouseGoggles Duo 3D VR dla myszy laboratoryjnych przy użyciu części wydrukowanych w 3D i oprogramowania open-source działającego na Raspberry Pi 4. Myszy korzystające z Duo widzą wirtualny świat ścieżek, przeszkód i nagród, biegając bez końca po kulistej bieżni. Zestaw słuchawkowy eliminuje potrzebę stosowania nieporęcznych projektorów wideo i fizycznych labiryntów dla myszy.
Myszy są często wykorzystywane w laboratoriach badawczych do odkrywania sposobu działania mózgu ze względu na ich szybką adaptację do nieznanych środowisk i zdolność szybkiego uczenia się. Cechy te mogą być wykorzystane, aby pomóc naukowcom zrozumieć choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera, które powodują utratę pamięci i kontroli u ludzi. Trudności stojące przed badaczami obejmują czas i koszty budowy rzeczywistych labiryntów dla myszy oraz wyzwania związane z tworzeniem przekonującej symulacji w wirtualnej rzeczywistości.
Zestaw słuchawkowy MouseGoggles Duo został zaprojektowany z myślą o tych czynnikach. Obudowa jest drukowana w 3D, co zapewnia niski koszt i szybką iterację projektu. W obudowie znajdują się dwa okrągłe wyświetlacze LED o przekątnej 2,76 cm (1,09 cala) skupione przez soczewki Fresnela o przekątnej 1,27 cm (0,5 cala), które zapewniają szerokie pole widzenia (FOV) wynoszące 230 stopni w poziomie i 140 stopni w pionie. Ponieważ zestaw słuchawkowy jest dość duży w porównaniu do głowy, jest on montowany przed twarzą skrępowanej myszy podczas eksperymentów.
Komputer jednopłytkowy (SBC) Raspberry Pi 4 komputer jednopłytkowy (SBC) uruchamia symulacje 3D generowane przez silnik gry Godot o otwartym kodzie źródłowym https://godotengine.org/ działający na Raspberry Pi OS. System jest w stanie generować klatki z prędkością 80 klatek na sekundę przy opóźnieniu między wejściem a wyświetlaczem poniżej 130 ms dla aktualizacji pełnoekranowych.
Gdy myszy zostały poddane testom VR, takim jak znajdowanie nagród, naukowcy stwierdzili, że ostrość, pozycjonowanie obiektów VR i inne czynniki MouseGoggles Duo wypadły dobrze w porównaniu z tradycyjnie wyświetlanymi wyświetlaczami. Mózgi myszy były bezpośrednio monitorowane za pomocą dwufotonowego obrazowania wapnia kory wzrokowej i rejestracji elektrofizjologicznej https://doi.org/10.3390/s22239085 hipokampa w celu uchwycenia danych walidacyjnych.
Czytelnicy, którzy chcą biegać bez końca w światach VR, mogą korzystać z bieżni VR, takich jak seria Kat Walk C2 sprzedawana na Amazon. Ci, którzy są zbyt zmęczeni chodzeniem przez cały dzień, mogą zrelaksować się dzięki parze lekkich okularów AR, takich jak okulary Xreal AR sprzedawane na Amazon. Czytelnicy, którzy nie chcą nawet kiwnąć palcem, mogą umieścić swoje nazwiska na liście oczekujących Elona Muska Neuralink aby mieć wszczepiony interfejs mózg-komputer (BCI), dzięki któremu będą mogli grać i tweetować za pomocą samych myśli.
Źródło(a)
MouseGoggles oferują wciągające spojrzenie na aktywność neuronową
Autor: David Nutt, Cornell Chronicle
18 grudnia 2024 r
Dzięki swojemu składowi genetycznemu, zdolności do poruszania się po labiryntach i chęci do pracy na ser, myszy od dawna są modelem do badań behawioralnych i neurologicznych.
W ostatnich latach wkroczyły one na nową arenę - wirtualną rzeczywistość - a teraz naukowcy z Cornell zbudowali miniaturowe zestawy słuchawkowe VR, aby zanurzyć je w niej głębiej.
Naukowcy z Cornell zbudowali miniaturowe zestawy słuchawkowe VR, aby głębiej zanurzyć myszy w wirtualnych środowiskach, które mogą pomóc w ujawnieniu aktywności neuronowej, która informuje o nawigacji przestrzennej i funkcji pamięci.
Naukowcy z Cornell zbudowali miniaturowe zestawy słuchawkowe VR, aby głębiej zanurzyć myszy w wirtualnych środowiskach, które mogą pomóc w ujawnieniu aktywności neuronalnej, która informuje o nawigacji przestrzennej i funkcji pamięci.
MouseGoggles zespołu - tak, wyglądają tak uroczo, jak brzmią - zostały stworzone przy użyciu niedrogich, gotowych komponentów, takich jak wyświetlacze smartwatchów i małe soczewki, i oferują stymulację wizualną w szerokim polu widzenia, jednocześnie śledząc ruchy oczu myszy i zmiany wielkości źrenic.
Technologia ta może potencjalnie pomóc w ujawnieniu aktywności neuronalnej, która informuje o nawigacji przestrzennej i funkcji pamięci, dając naukowcom nowy wgląd w zaburzenia, takie jak choroba Alzheimera i jej potencjalne metody leczenia.
Badania, opublikowane 12 grudnia w Nature Methods, były prowadzone przez Chrisa Schaffera, profesora inżynierii biomedycznej w Cornell Engineering, oraz Iana Ellwooda, adiunkta neurobiologii i zachowania w College of Arts and Sciences. Głównymi autorami badania są podoktorant Matthew Isaacson i doktorant Hongyu Chang.
"To rzadka okazja, gdy budując narzędzia, można stworzyć coś, co jest eksperymentalnie znacznie potężniejsze niż obecna technologia, a także prostsze i tańsze w budowie" - powiedział Isaacson. "Wnosi to więcej mocy eksperymentalnej do neuronauki i jest to znacznie bardziej dostępna wersja technologii, więc może być używana przez znacznie więcej laboratoriów"
Laboratorium Schaffera, które prowadzi wraz z Nozomi Nishimurą, profesorem nadzwyczajnym inżynierii biomedycznej, opracowuje narzędzia i techniki oparte na optyce, które mogą być wykorzystywane, wraz z innymi metodologiami, do badania mechanizmów molekularnych i komórkowych, które przyczyniają się do utraty funkcji w chorobach neurodegeneracyjnych. Jednym ze szczególnych kierunków badań jest badanie niewyjaśnionego zmniejszenia przepływu krwi w mózgu u myszy z chorobą Alzheimera. Odblokowując maleńkie naczynia włosowate i zwiększając ten przepływ, naukowcy wykazali, że funkcje pamięci u myszy poprawiają się w ciągu kilku godzin.
"To było bardzo ekscytujące z punktu widzenia tego, że być może jest coś, co można zrobić w chorobie Alzheimera, co może przywrócić pewne funkcje poznawcze" - powiedział Schaffer. "Następnym krokiem jest odkrycie, w jaki sposób poprawa przepływu krwi poprawia funkcjonowanie neuronów w mózgu. Ale aby przeprowadzić te eksperymenty, potrzebowaliśmy nowych możliwości w porównaniu do tego, co istniało na świecie wcześniej"
Począwszy od około dekady temu, naukowcy zaczęli ustawiać nieporęczne - i dość kosztowne - ekrany projektorów dla myszy, aby poruszać się w środowiskach wirtualnej rzeczywistości, ale aparatura jest często niezgrabna, a wynikające z tego zanieczyszczenie światłem i hałas mogą zakłócać eksperymenty.
"Im bardziej wciągające zadanie behawioralne możemy wykonać, tym bardziej naturalistyczną funkcję mózgu będziemy badać" - powiedział Schaffer.
Isaacson, który wcześniej zaprojektował systemy wyświetlania dla muszek owocowych, postanowił zmontować stacjonarną konfigurację VR, która byłaby prostsza, ale jeszcze bardziej wciągająca, aby myszy mogły szybciej się uczyć. Tak się złożyło, że wiele potrzebnych komponentów - małe wyświetlacze, małe soczewki - było już dostępnych na rynku.
"Zdecydowanie skorzystało to z etosu hakera polegającego na braniu części, które zostały zbudowane dla czegoś innego, a następnie zastosowaniu ich w nowym kontekście" - powiedział Isaacson. "Jak się okazuje, idealny rozmiar wyświetlacza dla myszy VR jest już prawie stworzony dla inteligentnych zegarków. Mieliśmy szczęście, że nie musieliśmy budować ani projektować niczego od zera, mogliśmy łatwo pozyskać wszystkie niedrogie części, których potrzebowaliśmy"
Gogle nie nadają się do noszenia w tradycyjnym sensie. Mysz stoi na bieżni, z głową unieruchomioną w miejscu, patrząc w parę oczu. Wzorce aktywności neuronowej myszy mogą być następnie obrazowane fluorescencyjnie.
Współpracując z laboratorium Ellwooda, zespół przeprowadził szereg testów na myszach begoggled. Na froncie neurologicznym zbadano dwa kluczowe obszary w mózgu myszy: pierwotną korę wzrokową, aby upewnić się, że gogle tworzą ostre obrazy o wysokim kontraście na siatkówce; oraz w hipokampie, aby potwierdzić, że mózg myszy z powodzeniem mapuje swoje wirtualne środowisko. Inne testy były bardziej zorientowane na technologię, aby sprawdzić, czy wyświetlacze gogli szybko się aktualizują i reagują na ruchy myszy.
A co najważniejsze, naukowcy musieli obserwować, jak myszy zachowują się w nowych okularach. Jednym z najskuteczniejszych testów było nakłonienie myszy do uwierzenia, że zbliża się do nich rozszerzająca się ciemna plama.
"Kiedy wypróbowaliśmy tego rodzaju test w typowej konfiguracji VR z dużymi ekranami, myszy w ogóle nie zareagowały" - powiedział Isaacson. "Ale prawie każda mysz, gdy po raz pierwszy zobaczyła to w goglach, podskoczyła. Mają ogromną reakcję zaskoczenia. Naprawdę wydawało im się, że są atakowane przez zbliżającego się drapieżnika"
Naukowcy otrzymali nieoczekiwany wkład, gdy przesłali swoje odkrycia do Nature Methods. Anonimowy recenzent zachęcił badaczy do dodania zestawu kamer w każdym oku, które mogłyby rejestrować źrenice myszy i weryfikować zaangażowanie i pobudzenie zwierzęcia.
Prośba ta była zarówno trudnym zadaniem, jak i błogosławieństwem losu.
"Rzucili nam wyzwanie, by zrobić coś naprawdę trudnego i sprawić, by wszystko zadziałało" - powiedział Schaffer. "W ciągu ostatniego roku opublikowano trzy artykuły z goglami VR dla myszy. Wie pan, pole było dojrzałe, aby to się stało. Ale jesteśmy jedyni z pupilometrią i śledzeniem wzroku, a to jest krytyczna zdolność dla wielu neuronauk"
Naukowcy chcą dalej rozwijać gogle, z lekką, mobilną wersją dla większych gryzoni, takich jak ryjówki i szczury, która może zawierać baterię i wbudowane przetwarzanie. Schaffer widzi również potencjał włączenia większej liczby zmysłów, takich jak smak i zapach, do doświadczenia VR.
"Myślę, że pięciozmysłowa rzeczywistość wirtualna dla myszy jest kierunkiem eksperymentów" - powiedział - "w których staramy się zrozumieć te naprawdę skomplikowane zachowania, w których myszy integrują informacje sensoryczne, porównując możliwości z wewnętrznymi stanami motywacyjnymi, takimi jak potrzeba odpoczynku i jedzenia, a następnie podejmując decyzje o tym, jak się zachować"
Współautorami są doktorant Rick Zirkel; badaczka podoktorska Laura Berkowitz; oraz Yusol Park '22 i Danyu Hu '22.
Badania były wspierane przez program stypendialny Cornell Neurotech Mong Family Fellowship; program stypendialny BrightFocus Foundation Alzheimer's disease; Brain and Behavior Research Foundation; oraz National Institutes of Health.
