Les lunettes VR immersives pour souris ouvrent un nouveau potentiel pour la science du cerveau

Des chercheurs de l’Université Northwestern ont développé de nouvelles lunettes de réalité virtuelle (VR) pour souris. En plus d'être mignonnes, ces lunettes miniatures offrent des expériences plus immersives aux souris vivant en laboratoire. En simulant plus fidèlement les environnements naturels, les chercheurs peuvent étudier de manière plus précise les circuits neuronaux qui sont à la base du comportement.

Par rapport aux systèmes de pointe actuels, qui entourent simplement les souris d'ordinateurs ou d'écrans de projection, les nouvelles lunettes constituent un pas en avant. Dans les systèmes actuels, les souris peuvent toujours voir l'environnement du laboratoire derrière les écrans, et la nature plate des écrans ne peut pas transmettre la profondeur tridimensionnelle (3D).

Autre inconvénient : les chercheurs n'ont pas pu monter facilement des écrans au-dessus de la tête des souris pour simuler les menaces aériennes, telles que les oiseaux de proie imminents.

Les nouvelles lunettes VR contournent tous ces problèmes. Et, à mesure que la réalité virtuelle gagne en popularité, les lunettes pourraient également aider les chercheurs à mieux comprendre comment le cerveau humain s'adapte et réagit à une exposition répétée à la réalité virtuelle, un domaine actuellement peu compris.

L'étude intitulée « Lunettes de réalité virtuelle à champ de vision complet pour souris », publiée dans la revue Neurone C'est la première fois que des chercheurs utilisent un système VR pour simuler une menace aérienne.

“Depuis 15 ans, nous utilisons des systèmes VR pour les souris”, a déclaré Daniel Dombeck de Northwestern, auteur principal de l'étude.

“Jusqu'à présent, les laboratoires utilisaient de grands ordinateurs ou des écrans de projection pour entourer un animal. Pour les humains, c'est comme regarder une télévision dans votre salon. Vous voyez toujours votre canapé et vos murs. Il y a des indices autour de vous qui vous disent que vous n'êtes pas à l'intérieur de la scène. Pensez maintenant à mettre des lunettes VR, comme Oculus Rift, qui occupent toute votre vision. Vous ne voyez rien d'autre que la scène projetée, et une scène différente est projetée dans chaque œil pour créer de la profondeur. informations. Cela manquait pour les souris.

Dombeck est professeur de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Son laboratoire est un leader dans le développement de systèmes basés sur la réalité virtuelle et de systèmes d'imagerie laser haute résolution pour la recherche animale.

La valeur de la réalité virtuelle

Bien que les chercheurs puissent observer les animaux dans la nature, il est incroyablement difficile d’imaginer les schémas d’activité cérébrale en temps réel pendant que les animaux interagissent avec le monde réel. Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont intégré la réalité virtuelle dans les laboratoires. Dans ces configurations expérimentales, un animal utilise un tapis roulant pour parcourir des scènes, comme un labyrinthe virtuel, projetées sur les écrans environnants.

En gardant la souris en place sur le tapis roulant, plutôt que de la laisser courir dans un environnement naturel ou un labyrinthe physique, les neurobiologistes peuvent utiliser des outils pour visualiser et cartographier le cerveau lorsque la souris traverse un espace virtuel. En fin de compte, cela aide les chercheurs à comprendre les principes généraux de la manière dont les circuits neuronaux activés codent les informations lors de divers comportements.

“La réalité virtuelle reproduit essentiellement des environnements réels”, a déclaré Dombeck. “Nous avons eu beaucoup de succès avec ce système VR, mais il est possible que les animaux ne soient pas aussi immergés qu'ils le seraient dans un environnement réel. Il faut beaucoup d'entraînement juste pour amener les souris à prêter attention aux écrans. et ignorez le laboratoire qui les entoure.

Présentation d'iMRSIV

Avec les récents progrès en matière de miniaturisation matérielle, Dombeck et son équipe se sont demandés s'ils pouvaient développer des lunettes VR pour reproduire plus fidèlement un environnement réel. En utilisant des lentilles conçues sur mesure et des écrans miniatures à diodes électroluminescentes organiques (OLED), ils ont créé des lunettes compactes.

Appelé Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), le système comprend deux lentilles et deux écrans, un pour chaque côté de la tête afin d'éclairer séparément chaque œil pour une vision 3D. Cela fournit à chaque œil un champ de vision de 180 degrés qui immerge complètement la souris et exclut l’environnement environnant.

Contrairement aux lunettes VR pour humains, le système iMRSIV (prononcé « immersif ») ne s'enroule pas autour de la tête de la souris. Au lieu de cela, les lunettes sont attachées à l’installation expérimentale et se placent étroitement directement devant le visage de la souris. Étant donné que la souris fonctionne sur place sur un tapis roulant, les lunettes couvrent toujours le champ de vision de la souris.

“Nous avons conçu et construit un support personnalisé pour les lunettes”, a déclaré John Issa, chercheur postdoctoral au laboratoire de Dombeck et co-premier auteur de l'étude. “L'ensemble de l'affichage optique (les écrans et les objectifs) fait tout le tour de la souris.”

Temps de formation réduits

En cartographiant le cerveau des souris, Dombeck et son équipe ont découvert que le cerveau des souris portant des lunettes était activé de manière très similaire à celui des animaux en mouvement libre. Et, dans des comparaisons côte à côte, les chercheurs ont remarqué que les souris portant des lunettes interagissaient avec la scène beaucoup plus rapidement que les souris équipées de systèmes VR traditionnels.

“Nous avons suivi le même type de paradigmes de formation que par le passé, mais les souris équipées de lunettes ont appris plus rapidement”, a déclaré Dombeck. “Après la première séance, ils pouvaient déjà accomplir la tâche. Ils savaient où courir et cherchaient les bons endroits pour obtenir des récompenses. Nous pensons qu'ils n'auront peut-être pas besoin d'autant de formation car ils peuvent s'engager avec l'environnement de manière plus naturelle. “

Simuler pour la première fois les menaces aériennes

Ensuite, les chercheurs ont utilisé les lunettes pour simuler une menace aérienne, ce qui était auparavant impossible avec les systèmes actuels. Étant donné que le matériel destiné à la technologie d’imagerie se trouve déjà au-dessus de la souris, il n’y a aucun endroit où monter un écran d’ordinateur. Le ciel au-dessus d’une souris, cependant, est un endroit où les animaux recherchent souvent des informations vitales, parfois vitales.

“Le haut du champ de vision d'une souris est très sensible pour détecter les prédateurs d'en haut, comme un oiseau”, a déclaré le co-premier auteur Dom Pinke, spécialiste de recherche au laboratoire de Dombeck. “Ce n'est pas un comportement appris ; c'est un comportement imprimé. Il est programmé dans le cerveau de la souris.”

Pour créer une menace imminente, les chercheurs ont projeté un disque sombre et en expansion dans le haut des lunettes et dans le haut du champ de vision des souris. Lors d'expériences, les souris, après avoir remarqué le disque, couraient plus vite ou se figeaient. Les deux comportements sont des réponses courantes aux menaces aériennes. Les chercheurs ont pu enregistrer l’activité neuronale pour étudier ces réactions en détail.

“À l'avenir, nous aimerions examiner des situations dans lesquelles la souris n'est pas une proie mais un prédateur”, a déclaré Issa. “Nous pourrions par exemple observer l'activité cérébrale pendant qu'elle poursuit une mouche. Cette activité implique beaucoup de perception de la profondeur et d'estimation des distances. Ce sont des choses que nous pouvons commencer à capturer.”

Rendre la neurobiologie accessible

En plus d'ouvrir la porte à davantage de recherches, Dombeck espère que les lunettes ouvriront la porte à de nouveaux chercheurs. Étant donné que les lunettes sont relativement peu coûteuses et nécessitent des installations de laboratoire moins intensives, il pense qu'elles pourraient rendre la recherche en neurobiologie plus accessible.

“Les systèmes VR traditionnels sont assez compliqués”, a déclaré Dombeck. “Ils sont chers et volumineux. Ils nécessitent un grand laboratoire avec beaucoup d'espace. Et, en plus de cela, s'il faut beaucoup de temps pour entraîner une souris à effectuer une tâche, cela limite le nombre d'expériences. ” Vous pouvez le faire. Nous travaillons toujours sur des améliorations, mais nos lunettes sont petites, relativement bon marché et assez conviviales. Cela pourrait rendre la technologie VR plus accessible à d'autres laboratoires. “