Cornell-onderzoekers ontwikkelen MouseGoggles Duo 3D VR-headset voor muizen met behulp van Raspberry Pi 4
Onderzoekers van de Cornell University hebben de MouseGoggles Duo 3D VR-headset voor laboratoriummuizen gemaakt met behulp van 3D-geprinte onderdelen en open-source software die op een Raspberry Pi 4 draait. Muizen die de Duo gebruiken, zien een virtuele wereld van paden, obstakels en beloningen terwijl ze eindeloos op een bolvormige loopband lopen. De headset maakt lompe videoprojectoren en fysieke muizendoolhoven overbodig.
Muizen worden vaak gebruikt in onderzoekslaboratoria om te ontdekken hoe de hersenen werken, omdat ze zich snel kunnen aanpassen aan onbekende omgevingen en snel kunnen leren. Deze eigenschappen kunnen gebruikt worden om onderzoekers te helpen bij het begrijpen van neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer, die leiden tot geheugenverlies en controleverlies bij mensen. Moeilijkheden voor onderzoekers zijn onder andere de tijd en kosten van het bouwen van echte muizendoolhoven en de uitdagingen van het creëren van een overtuigende simulatie in virtuele realiteit.
Bij het ontwerp van de MouseGoggles Duo headset is met deze factoren rekening gehouden. De behuizing is 3D-geprint voor lage kosten en snelle iteratie van het ontwerp. De behuizing bevat twee ronde LED-schermen van 2,76 cm (1,27 cm) met een focus van 1,27 cm (1,09 inch) Fresnel-lenzen die zorgen voor een breed horizontaal gezichtsveld van 230 graden en een verticaal gezichtsveld van 140 graden (FOV). Omdat de headset vrij groot is in vergelijking met het hoofd, wordt hij tijdens experimenten voor het gezicht van een vastgebonden muis gemonteerd.
Een Raspberry Pi 4 single-board computer (SBC) voert 3D-simulaties uit die gegenereerd worden door de open-source Godot game engine die bovenop het Raspberry Pi OS draait. Het systeem is in staat om frames te genereren met 80 fps met een input-to-display latentie van minder dan 130 msec voor schermvullende updates.
Toen muizen werden onderworpen aan VR-tests, zoals het vinden van beloningen, ontdekten onderzoekers dat de focus, VR-objectpositionering en andere factoren van de MouseGoggles Duo goed te vergelijken waren met traditioneel geprojecteerde schermen. De hersenen van de muizen werden rechtstreeks gevolgd met behulp van twee-foton calcium imaging van de visuele cortex en elektrofysiologische opname van de hippocampus om validatiegegevens vast te leggen.
Lezers die eindeloos in VR-werelden willen lopen, kunnen gebruik maken van VR-loopbanden zoals de Kat Walk C2-serie die bij Amazon wordt verkocht. Lezers die te moe zijn van de hele dag lopen, kunnen zich ontspannen met een lichtgewicht AR-bril zoals de Xreal AR-bril die bij Amazon te koop is. Lezers die niet eens een vinger willen uitsteken, kunnen zich op de wachtlijst van Elon Musk's Neuralink laten zetten om een brein-computer interface (BCI) geïmplanteerd te krijgen zodat ze kunnen gamen en Twitteren met hun gedachten alleen.
Bron(nen)
Muisbril biedt meeslepende blik op neurale activiteit
Door David Nutt, Cornell Chronicle
18 december 2024
Dankzij hun genetische opmaak, hun vermogen om door doolhoven te navigeren en hun bereidheid om voor kaas te werken, zijn muizen al heel lang een ideaal model voor gedrags- en neurologische studies.
De afgelopen jaren hebben ze een nieuwe arena betreden - virtual reality - en nu hebben Cornell-onderzoekers miniatuur VR-headsets gebouwd om ze er nog dieper in onder te dompelen.
Cornell-onderzoekers bouwden miniatuur VR-headsets om muizen dieper onder te dompelen in virtuele omgevingen die kunnen helpen bij het onthullen van de neurale activiteit die informatie geeft over ruimtelijke navigatie en geheugenfunctie.
Cornell-onderzoekers bouwden miniatuur VR-headsets om muizen dieper onder te dompelen in virtuele omgevingen die kunnen helpen bij het onthullen van de neurale activiteit die de ruimtelijke navigatie en geheugenfunctie bepaalt.
De MouseGoggles van het team - ja, ze zien er net zo schattig uit als ze klinken - zijn gemaakt met goedkope, kant-en-klare onderdelen, zoals smartwatch-schermpjes en kleine lenzen, en bieden visuele stimulatie over een breed gezichtsveld terwijl de oogbewegingen van de muis en veranderingen in de pupilgrootte worden gevolgd.
De technologie heeft het potentieel om de neurale activiteit te onthullen die ruimtelijke navigatie en geheugenfunctie aanstuurt, waardoor onderzoekers nieuwe inzichten krijgen in aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en de mogelijke behandelingen daarvan.
Het onderzoek, dat op 12 december in Nature Methods werd gepubliceerd, werd geleid door Chris Schaffer, hoogleraar biomedische techniek in Cornell Engineering, en Ian Ellwood, assistent-professor neurobiologie en gedrag in het College of Arts and Sciences. De hoofdauteurs van het onderzoek zijn postdoctoraal onderzoeker Matthew Isaacson en promovendus Hongyu Chang.
"Het is een zeldzame kans, bij het bouwen van hulpmiddelen, dat je iets kunt maken dat experimenteel veel krachtiger is dan de huidige technologie, en dat ook nog eens eenvoudiger en goedkoper te bouwen is," zei Isaacson. "Het brengt meer experimentele kracht naar de neurowetenschappen, en het is een veel toegankelijkere versie van de technologie, dus het zou door veel meer laboratoria gebruikt kunnen worden."
Schaffers laboratorium, dat hij samen met Nozomi Nishimura, universitair hoofddocent biomedische techniek, leidt, ontwikkelt optische hulpmiddelen en technieken die samen met andere methodologieën gebruikt kunnen worden om de moleculaire en cellulaire mechanismen te onderzoeken die bijdragen aan functieverlies bij neurodegeneratieve ziekten. Eén specifieke onderzoekslijn is het bestuderen van de onverklaarbare verminderde doorbloeding van de hersenen bij muizen met de ziekte van Alzheimer. Door kleine haarvaten te deblokkeren en de bloedstroom te verhogen, hebben de onderzoekers aangetoond dat de geheugenfunctie bij muizen binnen enkele uren verbetert.
"Dat was erg opwindend vanuit het perspectief van, hé, misschien is er iets wat je bij de ziekte van Alzheimer zou kunnen doen om wat cognitieve functie te herstellen," zei Schaffer. "De volgende stappen zijn om te ontdekken hoe verbeteringen in de bloedstroom de functie van neuronen in de hersenen verbeteren. Maar om die experimenten uit te voeren, hadden we nieuwe mogelijkheden nodig in vergelijking met wat er eerder in de wereld bestond."
Ongeveer tien jaar geleden begonnen onderzoekers met het optuigen van omslachtige - en vrij dure - projectieschermen voor muizen om door virtual-reality omgevingen te navigeren, maar de apparaten zijn vaak onhandig en de resulterende lichtvervuiling en het lawaai kunnen de experimenten verstoren.
"Hoe immersiever we die gedragstaak kunnen maken, hoe natuurlijker de hersenfunctie die we gaan bestuderen," zei Schaffer.
Isaacson, die eerder displaysystemen voor fruitvliegjes ontwierp, ging aan de slag om een stationaire VR-opstelling in elkaar te zetten die eenvoudiger maar nog meeslepender zou zijn, zodat de muizen sneller zouden kunnen leren. Toevallig waren veel van de onderdelen die hij nodig had - kleine beeldschermen, kleine lenzen - al in de handel verkrijgbaar.
"Het had absoluut baat bij de hacker-ethos van het nemen van onderdelen die voor iets anders gemaakt zijn en deze dan toepassen op een nieuwe context," zei Isaacson. "Het perfecte formaat beeldscherm, zo blijkt, voor een muis VR-headset is eigenlijk al gemaakt voor slimme horloges. We hadden het geluk dat we niets van de grond af hoefden op te bouwen of te ontwerpen, we konden alle goedkope onderdelen die we nodig hadden gemakkelijk vinden."
De bril is niet draagbaar in de traditionele zin van het woord. Een muis staat op een loopband, met zijn hoofd vast op zijn plaats, terwijl hij in een paar oogstukken kijkt. De neurale activiteitspatronen van de muis kunnen vervolgens fluorescent in beeld worden gebracht.
In samenwerking met het laboratorium van Ellwood voerde het team een reeks tests uit op muizen met begoglering. Op neurologisch gebied onderzochten ze twee belangrijke gebieden in de hersenen van de muis: de primaire visuele cortex, om ervoor te zorgen dat de bril scherpe, contrastrijke beelden op het netvlies vormt; en in de hippocampus, om te bevestigen dat de hersenen van de muis de virtuele omgeving met succes in kaart brengen. Andere tests waren meer technisch gericht, om te zien of de beeldschermen van de bril snel werden bijgewerkt en reageerden op de bewegingen van de muis.
En het belangrijkste: de onderzoekers moesten observeren hoe de muizen zich gedroegen in hun nieuwe brillen. Een van de meest effectieve tests was een muis laten geloven dat een uitdijende donkere vlek hen naderde.
"Toen we dit soort tests probeerden in de typische VR-opstelling met grote schermen, reageerden de muizen helemaal niet," zei Isaacson. "Maar bijna elke muis, de eerste keer dat ze het zien met de bril, springen ze. Ze hebben een enorme schrikreactie. Ze leken echt te denken dat ze werden aangevallen door een dreigend roofdier."
De onderzoekers kregen een onverwachte bijdrage toen ze hun bevindingen indienden bij Nature Methods. Een anonieme recensent drong er bij de onderzoekers op aan om een set camera's in elk oogstuk te plaatsen die de pupillen van de muis konden registreren en de betrokkenheid en opwinding van het dier konden verifiëren.
Het verzoek was zowel een moeilijke taak als een gelukkige zegen.
"Ze daagden ons uit om iets heel moeilijks te doen en het allemaal te laten werken," zei Schaffer. "In het afgelopen jaar zijn er nu drie artikelen gepubliceerd met VR-brillen voor muizen. Het veld was hier rijp voor. Maar wij zijn de enige met pupillometrie en eyetracking, en dat is een essentiële mogelijkheid voor een groot deel van de neurowetenschappen."
De onderzoekers willen de bril verder ontwikkelen, met een lichtgewicht, mobiele versie voor grotere knaagdieren, zoals boomspitsmuizen en ratten, die een batterij en verwerking aan boord kan hebben. Schaffer ziet ook mogelijkheden om meer zintuigen, zoals smaak en geur, in de VR-ervaring op te nemen.
"Ik denk dat virtual reality met vijf zintuigen voor muizen een richting is om naartoe te gaan voor experimenten," zei hij, "waarbij we proberen om dit echt ingewikkelde gedrag te begrijpen, waarbij muizen sensorische informatie integreren, de mogelijkheid vergelijken met interne motivaties, zoals de behoefte aan rust en voedsel, en dan beslissingen nemen over hoe ze zich gaan gedragen."
Co-auteurs zijn doctoraatsstudent Rick Zirkel; postdoctoraal onderzoeker Laura Berkowitz; en Yusol Park '22 en Danyu Hu '22.
Het onderzoek werd gesteund door het Cornell Neurotech Mong Family Fellowship programma; het BrightFocus Foundation Alzheimer's disease fellowship programma; de Brain and Behavior Research Foundation; en de National Institutes of Health.
