I ricercatori della Cornell sviluppano l'auricolare MouseGoggles Duo 3D VR per topi utilizzando Raspberry Pi 4
I ricercatori della Cornell University hanno creato l'auricolare MouseGoggles Duo 3D VR per topi da laboratorio, utilizzando parti stampate in 3D e un software open-source in esecuzione su un Raspberry Pi 4. I topi che utilizzano Duo vedono un mondo virtuale di percorsi, ostacoli e ricompense mentre corrono all'infinito su un tapis roulant sferico. L'auricolare elimina la necessità di proiettori video ingombranti e di labirinti fisici per i mouse.
I topi sono spesso utilizzati nei laboratori di ricerca per svelare il funzionamento del cervello, grazie alla loro rapida adattabilità ad ambienti sconosciuti e alle loro capacità di apprendimento. Queste caratteristiche possono essere utilizzate per aiutare i ricercatori a comprendere le malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, che causano la perdita di memoria e di controllo negli esseri umani. Le difficoltà che i ricercatori devono affrontare includono il tempo e il costo della costruzione di veri e propri labirinti di topi e le sfide di creare una simulazione convincente nella realtà virtuale.
L'auricolare MouseGoggles Duo è stato progettato tenendo conto di questi fattori. L'involucro è stampato in 3D per un costo ridotto e una rapida iterazione del design. La custodia ospita due display LED circolari da 2,76 cm (1,09 pollici), focalizzati da lenti Fresnel da 1,27 cm (0,5 pollici), che forniscono un ampio campo visivo (FOV) orizzontale di 230 gradi e verticale di 140 gradi. Poiché la cuffia è piuttosto grande rispetto alla testa, viene montata davanti al viso di un topo immobilizzato durante gli esperimenti.
Un Raspberry Pi 4 single-board computer (SBC) esegue simulazioni 3D generate dal motore di gioco open-source Godot in esecuzione su Raspberry Pi OS. Il sistema è in grado di generare fotogrammi a 80 fps con una latenza input-display inferiore a 130 msec per gli aggiornamenti a schermo intero.
Quando i topi sono stati sottoposti a test VR, come la ricerca di ricompense, i ricercatori hanno riscontrato che la messa a fuoco, il posizionamento dell'oggetto VR e altri fattori di MouseGoggles Duo si sono confrontati bene con i display proiettati tradizionalmente. Il cervello dei topi è stato monitorato direttamente utilizzando l'imaging a due fotoni del calcio della corteccia visiva https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK20230/ e registrazione elettrofisiologica dell'ippocampo per acquisire dati di validazione.
I lettori che vogliono correre all'infinito nei mondi VR possono utilizzare tapis roulant VR come la serie Kat Walk C2 venduta su Amazon. Coloro che sono troppo stanchi per camminare tutto il giorno possono rilassarsi con un paio di occhiali AR leggeri come gli occhiali Xreal AR venduti su Amazon. I lettori che non vogliono nemmeno alzare un dito possono iscriversi alla lista d'attesa di Neuralink di Elon Musk per farsi impiantare un'interfaccia cervello-computer (BCI), in modo da poter giocare e twittare solo con il pensiero.
Fonte(i)
I MouseGoggles offrono uno sguardo immersivo sull'attività neurale
Di David Nutt, Cornell Chronicle
18 dicembre 2024
Grazie al loro patrimonio genetico, alla loro capacità di navigare nei labirinti e alla loro disponibilità a lavorare per il formaggio, i topi sono stati a lungo un modello di riferimento per gli studi comportamentali e neurologici.
Negli ultimi anni, sono entrati in una nuova arena, la realtà virtuale, e ora i ricercatori della Cornell hanno costruito delle cuffie VR in miniatura per immergerli più profondamente in essa.
I ricercatori della Cornell hanno costruito delle cuffie VR in miniatura per immergere i topi più profondamente in ambienti virtuali che possono aiutare a rivelare l'attività neurale che informa la navigazione spaziale e la funzione della memoria.
I ricercatori della Cornell hanno costruito delle cuffie VR in miniatura per immergere i topi più profondamente in ambienti virtuali che possono aiutare a rivelare l'attività neurale che informa la navigazione spaziale e la funzione della memoria.
I MouseGoggles del team - sì, sono così carini come sembrano - sono stati creati utilizzando componenti a basso costo, come display di smartwatch e lenti minuscole, e offrono una stimolazione visiva su un ampio campo visivo, tracciando i movimenti oculari del topo e i cambiamenti nella dimensione della pupilla.
La tecnologia ha il potenziale di aiutare a rivelare l'attività neurale che informa la navigazione spaziale e la funzione della memoria, fornendo ai ricercatori nuove intuizioni su disturbi come la malattia di Alzheimer e i suoi potenziali trattamenti.
La ricerca, pubblicata il 12 dicembre in Nature Methods, è stata guidata da Chris Schaffer, professore di ingegneria biomedica presso Cornell Engineering, e da Ian Ellwood, professore assistente di neurobiologia e comportamento presso il College of Arts and Sciences. Gli autori principali dello studio sono il ricercatore post-dottorato Matthew Isaacson e lo studente di dottorato Hongyu Chang.
"È un'opportunità rara, quando si costruiscono strumenti, che si possa realizzare qualcosa che sia sperimentalmente molto più potente della tecnologia attuale, e che sia anche più semplice ed economico da costruire", ha detto Isaacson. "Sta portando più potenza sperimentale alle neuroscienze ed è una versione molto più accessibile della tecnologia, quindi potrebbe essere utilizzata da molti altri laboratori"
Il laboratorio di Schaffer, che dirige insieme a Nozomi Nishimura, professore associato di ingegneria biomedica, sviluppa strumenti e tecniche basati sull'ottica che possono essere utilizzati, insieme ad altre metodologie, per indagare i meccanismi molecolari e cellulari che contribuiscono alla perdita di funzione nelle malattie neurodegenerative. Una linea di ricerca particolare è stata quella di studiare le riduzioni inspiegabili del flusso sanguigno cerebrale nei topi con il morbo di Alzheimer. Sbloccando piccoli capillari e aumentando il flusso, i ricercatori hanno dimostrato che la funzione di memoria nei topi migliora in poche ore.
"Questo è stato molto eccitante dal punto di vista di: hey, forse c'è qualcosa che si può fare nella malattia di Alzheimer per recuperare alcune funzioni cognitive", ha detto Schaffer. "I prossimi passi sono scoprire come i miglioramenti del flusso sanguigno migliorino la funzione dei neuroni nel cervello. Ma per fare questi esperimenti, avevamo bisogno di nuove capacità rispetto a quanto esisteva prima nel mondo"
A partire da circa un decennio fa, i ricercatori hanno iniziato a montare schermi proiettori ingombranti - e piuttosto costosi - per consentire ai topi di navigare in ambienti di realtà virtuale, ma gli apparecchi sono spesso goffi e l'inquinamento luminoso e il rumore che ne derivano possono disturbare gli esperimenti.
"Quanto più coinvolgente possiamo rendere il compito comportamentale, tanto più naturalistica sarà la funzione cerebrale che studieremo", ha detto Schaffer.
Isaacson, che in precedenza aveva progettato sistemi di visualizzazione per i moscerini della frutta, ha iniziato ad assemblare una configurazione VR stazionaria che sarebbe stata più semplice ma ancora più coinvolgente, in modo che i topi potessero imparare più rapidamente. Si è verificato che molti dei componenti di cui aveva bisogno - piccoli display, piccole lenti - erano già disponibili in commercio.
"Ha sicuramente beneficiato dell'etica hacker di prendere parti che sono state costruite per qualcos'altro e poi applicarle a un nuovo contesto", ha detto Isaacson. "Il display di dimensioni perfette, come si è scoperto, per un auricolare VR a forma di mouse è praticamente già stato realizzato per gli orologi intelligenti. Siamo stati fortunati perché non abbiamo dovuto costruire o progettare nulla da zero, ma abbiamo potuto facilmente reperire tutte le parti economiche di cui avevamo bisogno"
Gli occhiali non sono indossabili nel senso tradizionale del termine. Un topo si trova su un tapis roulant, con la testa fissata in posizione, mentre scruta in un paio di occhiali. I modelli di attività neurale del topo possono poi essere fotografati in modo fluorescente.
Lavorando con il laboratorio di Ellwood, il team ha condotto una serie di test sui topi begoggled. Sul fronte neurologico, hanno esaminato due regioni chiave del cervello del topo: la corteccia visiva primaria, per assicurarsi che gli occhiali formino immagini nitide e ad alto contrasto sulla retina; e nell'ippocampo, per confermare che il cervello del topo sta mappando con successo il suo ambiente virtuale. Altri test erano più orientati alla tecnologia, per vedere se i display degli occhiali si aggiornavano rapidamente ed erano reattivi ai movimenti del mouse.
E soprattutto, i ricercatori dovevano osservare come i topi si comportavano con i loro nuovi occhiali. Uno dei test più efficaci è stato quello di ingannare un topo facendogli credere che una macchia scura in espansione si stesse avvicinando.
"Quando abbiamo provato questo tipo di test nella tipica configurazione VR con schermi grandi, i topi non hanno reagito affatto", ha detto Isaacson. "Ma quasi ogni singolo topo, la prima volta che lo vede con gli occhiali, salta. Hanno un'enorme reazione di spavento. Sembrava davvero che pensassero di essere attaccati da un predatore incombente"
I ricercatori hanno ricevuto un contributo inaspettato quando hanno presentato i loro risultati a Nature Methods. Un recensore anonimo ha spinto i ricercatori ad aggiungere una serie di telecamere in ciascun occhio, che potessero registrare le pupille del topo e verificare l'impegno e l'eccitazione dell'animale.
La richiesta è stata sia un compito difficile che una benedizione fortuita.
"Ci hanno sfidato a fare qualcosa di veramente difficile e a far funzionare tutto", ha detto Schaffer. "Nell'ultimo anno, sono stati pubblicati tre articoli con occhiali VR per topi. Il campo era maturo per questo. Ma siamo gli unici ad avere la pupillometria e il tracciamento degli occhi, e questa è una capacità critica per gran parte delle neuroscienze"
I ricercatori stanno cercando di sviluppare ulteriormente gli occhiali, con una versione leggera e mobile per roditori più grandi, come toporagni e ratti, che possa includere una batteria e l'elaborazione a bordo. Schaffer vede anche il potenziale di incorporare altri sensi, come il gusto e l'olfatto, nell'esperienza VR.
"Penso che la realtà virtuale a cinque sensi per i topi sia una direzione da seguire per gli esperimenti", ha detto, "in cui cerchiamo di capire questi comportamenti davvero complicati, in cui i topi integrano le informazioni sensoriali, confrontano l'opportunità con gli stati motivazionali interni, come il bisogno di riposo e di cibo, e poi prendono decisioni su come comportarsi"
Tra i co-autori figurano lo studente di dottorato Rick Zirkel; la ricercatrice post-dottorato Laura Berkowitz; e Yusol Park '22 e Danyu Hu '22.
La ricerca è stata sostenuta dal programma Cornell Neurotech Mong Family Fellowship; dal programma BrightFocus Foundation Alzheimer's disease fellowship; dalla Brain and Behavior Research Foundation; e dai National Institutes of Health.
