Investigadores de Cornell desarrollan el casco de RV 3D MouseGoggles Duo para ratones utilizando Raspberry Pi 4
Investigadores de la Universidad de Cornell han creado el casco de RV 3D MouseGoggles Duo para ratones de laboratorio utilizando piezas impresas en 3D y software de código abierto que se ejecuta en una Raspberry Pi 4. Los ratones que utilizan el Duo ven un mundo virtual de caminos, obstáculos y recompensas mientras corren sin parar encima de una cinta esférica. Los auriculares eliminan la necesidad de voluminosos proyectores de vídeo y laberintos físicos para ratones.
Los ratones se utilizan a menudo en los laboratorios de investigación para desvelar cómo funciona el cerebro por su rápida adaptabilidad a entornos desconocidos y su capacidad de aprendizaje rápido. Estas características pueden utilizarse para ayudar a los investigadores a comprender enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, que provocan pérdidas de memoria y de control en los seres humanos. Las dificultades a las que se enfrentan los investigadores incluyen el tiempo y el coste de construir laberintos reales para ratones y los retos de crear una simulación convincente en realidad virtual.
El casco MouseGoggles Duo se diseñó teniendo en cuenta estos factores. La carcasa está impresa en 3D para abaratar costes y agilizar la iteración del diseño. La carcasa alberga dos pantallas LED circulares de 2,76 cm (1,09 pulg.) enfocadas por lentes Fresnel de 1,27 cm (0,5 pulg.) que proporcionan un amplio campo de visión (FOV) horizontal de 230 grados y vertical de 140 grados. Dado que el casco es bastante grande en comparación con la cabeza, se monta delante de la cara de un ratón sujeto durante los experimentos.
Un Raspberry Pi 4 de placa única (SBC) ejecuta simulaciones en 3D generadas por el motor de juego de código abierto Godot que se ejecuta sobre Raspberry Pi OS. El sistema es capaz de generar fotogramas a 80 fps con una latencia de entrada a pantalla inferior a 130 mseg para actualizaciones a pantalla completa.
Cuando se sometió a los ratones a pruebas de RV, como la búsqueda de recompensas, los investigadores comprobaron que el enfoque, el posicionamiento de los objetos de RV y otros factores de las MouseGoggles Duo se comparaban bien con las pantallas de proyección tradicional. Los cerebros de los ratones se monitorizaron directamente utilizando imágenes de calcio de dos fotones de la corteza visual y registro electrofisiológico del hipocampo para captar datos de validación.
Los lectores que deseen correr sin parar en mundos de RV pueden utilizar cintas de correr de RV como la serie Kat Walk C2 que se vende en Amazon. Los que estén demasiado cansados de caminar todo el día pueden relajarse con un par de gafas de realidad aumentada ligeras como las gafas de realidad aumentada Xreal que se venden en Amazon. Los lectores que no quieran mover un solo dedo pueden inscribirse en la lista de espera de Elon Musk Neuralink para que les implanten una interfaz cerebro-ordenador (BCI) que les permita jugar a y tuitear sólo con el pensamiento.
Fuente(s)
Las MouseGoggles ofrecen una mirada inmersiva a la actividad neuronal
Por David Nutt, Cornell Chronicle
18 de diciembre de 2024
Gracias a su composición genética, su capacidad para recorrer laberintos y su disposición a trabajar por queso, los ratones han sido durante mucho tiempo un modelo de referencia para los estudios neurológicos y de comportamiento.
En los últimos años, han entrado en un nuevo terreno, la realidad virtual, y ahora los investigadores de Cornell han construido auriculares de RV en miniatura para sumergirlos más profundamente en ella.
Los investigadores de Cornell construyeron auriculares de RV en miniatura para sumergir a los ratones más profundamente en entornos virtuales que pueden ayudar a revelar la actividad neuronal que informa la navegación espacial y la función de la memoria.
Los investigadores de Cornell construyeron unos cascos de realidad virtual en miniatura para sumergir a los ratones más profundamente en entornos virtuales que pueden ayudar a revelar la actividad neuronal que informa la navegación espacial y la función de la memoria.
Las MouseGoggles del equipo -sí, parecen tan monas como suenan- se crearon utilizando componentes de bajo coste y disponibles en el mercado, como pantallas de smartwatch y lentes diminutas, y ofrecen estimulación visual en un amplio campo de visión mientras siguen los movimientos oculares del ratón y los cambios en el tamaño de la pupila.
La tecnología tiene el potencial de ayudar a revelar la actividad neuronal que informa la navegación espacial y la función de la memoria, dando a los investigadores nuevos conocimientos sobre trastornos como la enfermedad de Alzheimer y sus posibles tratamientos.
La investigación, publicada el 12 de diciembre en Nature Methods, fue dirigida por Chris Schaffer, profesor de ingeniería biomédica en Cornell Engineering, e Ian Ellwood, profesor adjunto de neurobiología y comportamiento en la Facultad de Artes y Ciencias. Los autores principales del estudio son el investigador postdoctoral Matthew Isaacson y el estudiante de doctorado Hongyu Chang.
"Es una rara oportunidad, a la hora de construir herramientas, de poder hacer algo que sea experimentalmente mucho más potente que la tecnología actual, y que además sea más sencillo y barato de construir", dijo Isaacson. "Está aportando más potencia experimental a la neurociencia, y es una versión mucho más accesible de la tecnología, por lo que podría ser utilizada por muchos más laboratorios"
El laboratorio de Schaffer, que dirige con Nozomi Nishimura, profesora asociada de ingeniería biomédica, desarrolla herramientas y técnicas basadas en la óptica que pueden utilizarse, junto con otras metodologías, para investigar los mecanismos moleculares y celulares que contribuyen a la pérdida de función en las enfermedades neurodegenerativas. Una línea de investigación concreta ha sido el estudio de las inexplicables reducciones del flujo sanguíneo cerebral en ratones con la enfermedad de Alzheimer. Al desbloquear pequeños capilares y aumentar ese flujo, los investigadores han demostrado que la función de la memoria en los ratones mejora en cuestión de horas.
"Eso fue muy emocionante desde la perspectiva de, oye, quizá se pueda hacer algo en la enfermedad de Alzheimer que pueda recuperar alguna función cognitiva", dijo Schaffer. "Los siguientes pasos son descubrir cómo las mejoras del flujo sanguíneo mejoran la función de las neuronas en el cerebro. Pero para hacer esos experimentos, necesitábamos nuevas capacidades en comparación con lo que existía antes en el mundo."
Desde hace aproximadamente una década, los investigadores empezaron a montar engorrosas -y bastante costosas- pantallas de proyección para que los ratones navegaran por entornos de realidad virtual, pero los aparatos suelen ser toscos, y la contaminación lumínica y el ruido resultantes pueden perturbar los experimentos.
"Cuanto más inmersiva podamos hacer esa tarea conductual, más naturalista será la función cerebral que estudiemos", afirma Schaffer.
Isaacson, que anteriormente había diseñado sistemas de visualización para moscas de la fruta, se dispuso a montar un montaje de RV estacionario que fuera más sencillo pero aún más inmersivo, para que los ratones pudieran aprender más rápidamente. Dio la casualidad de que muchos de los componentes que necesitaba -pantallas diminutas, lentes diminutas- ya estaban disponibles en el mercado.
"Definitivamente se benefició de la ética hacker de tomar piezas que se construyen para otra cosa y luego aplicarlas a un nuevo contexto", dijo Isaacson. "Resulta que la pantalla del tamaño perfecto para un casco de RV con ratón ya está prácticamente fabricada para los relojes inteligentes. Tuvimos suerte de no tener que construir ni diseñar nada desde cero, pudimos conseguir fácilmente todas las piezas baratas que necesitábamos."
Las gafas no son ponibles en el sentido tradicional. Un ratón se coloca sobre una cinta, con la cabeza fija en su sitio, mientras mira por un par de piezas oculares. A continuación, se pueden obtener imágenes fluorescentes de los patrones de actividad neuronal del ratón.
En colaboración con el laboratorio de Ellwood, el equipo llevó a cabo una batería de pruebas con ratones begoggled. En el frente neurológico, examinaron dos regiones clave en el cerebro del ratón: el córtex visual primario, para asegurarse de que las gafas forman imágenes nítidas y de alto contraste en la retina; y en el hipocampo, para confirmar que el cerebro del ratón está cartografiando con éxito su entorno virtual. Otras pruebas estaban más orientadas a la tecnología, para comprobar si las pantallas de las gafas se actualizaban con rapidez y respondían a los movimientos del ratón.
Y lo más importante, los investigadores necesitaban observar cómo se comportaban los ratones con sus nuevas gafas. Una de las pruebas más eficaces consistió en engañar a un ratón haciéndole creer que se le acercaba una mancha oscura en expansión.
"Cuando probamos este tipo de prueba en la típica configuración de RV con pantallas grandes, los ratones no reaccionaron en absoluto", dijo Isaacson. "Pero casi todos los ratones, la primera vez que lo ven con las gafas, saltan. Tienen una reacción de sobresalto enorme. Realmente parecían pensar que estaban siendo atacados por un depredador inminente"
Los investigadores recibieron una contribución inesperada cuando enviaron sus hallazgos a Nature Methods. Un revisor anónimo presionó a los investigadores para que añadieran un conjunto de cámaras en cada pieza ocular que pudieran grabar las pupilas del ratón y verificar el compromiso y la excitación del animal.
La petición fue a la vez una tarea difícil y una bendición fortuita.
"Nos retaron a hacer algo realmente difícil y a que todo funcionara", dijo Schaffer. "En el último año, ya se han publicado tres artículos con gafas de RV para ratones. El campo estaba maduro para que esto sucediera. Pero somos los únicos con pupilometría y seguimiento ocular, y ésa es una capacidad crítica para gran parte de la neurociencia."
Los investigadores pretenden seguir desarrollando las gafas, con una versión ligera y móvil para roedores más grandes, como musarañas arborícolas y ratas, que pueda incluir una batería y procesamiento a bordo. Schaffer también ve el potencial de incorporar más sentidos, como el gusto y el olfato, a la experiencia de la RV.
"Creo que la realidad virtual de cinco sentidos para ratones es una dirección a seguir para los experimentos", dijo, "donde estamos tratando de entender estos comportamientos realmente complicados, donde los ratones están integrando la información sensorial, comparando la oportunidad con estados motivacionales internos, como la necesidad de descanso y comida, y luego tomando decisiones sobre cómo comportarse."
Entre los coautores se encuentran el estudiante de doctorado Rick Zirkel; la investigadora postdoctoral Laura Berkowitz; y Yusol Park '22 y Danyu Hu '22.
La investigación contó con el apoyo del programa de becas Cornell Neurotech Mong Family; el programa de becas para la enfermedad de Alzheimer de la Fundación BrightFocus; la Fundación para la Investigación del Cerebro y el Comportamiento; y los Institutos Nacionales de Salud.
