Бінокулярна система занурила мишей у віртуальну реальність

Американські дослідники розробили іммерсивну систему віртуальної реальності мишей. Вона має допомогти у проведенні нейробіологічних та поведінкових досліджень. Препринт роботи доступний ресурсі Research Square.

VR-системи для лабораторних тварин уможливили фундаментальні нейрофізіологічні дослідження складних когнітивних функцій. У таких дослідженнях необхідна фіксація голови для запису активності мозкових структур, яка неможлива, якщо тварина біжить лабіринтом або виконує інші активні завдання. Крім того, VR дозволяє симулювати неможливі в реальному світі умови, такі як телепортація або роз'єднання рухів із візуальною картиною. Існуючі системи зазвичай є панорамними екранами для проекторів або світлодіодними дисплеями, розташованими за 10–30 сантиметрів від очей миші, щоб залишатися у фокусі її зору. Такі установки складні, громіздкі та дорогі, їх складно вбудувати у багато систем нейровізуалізації. Крім того, експериментальне обладнання (наприклад, камери, об'єктиви мікроскопів,

Щоб усунути ці недоліки, Меттью Айзексон (Matthew Isaacson) з колегами по Корнеллському університету розробили бінокулярну VR-систему, яка подає зображення прямо на очі миші з двох круглих світлодіодних дисплеїв через лінзи Френеля. Відстань від 2,76-сантиметрового дисплея до 1,27-сантиметрової лінзи становить сантиметр, від лінзи до ока – 1,5 міліметра; вся конструкція розміщена в 3D-друкованому корпусі, що ізолює очі від зовнішнього середовища. Сферичне спотворення дисплеїв лінзою забезпечує майже постійну кутову роздільну здатність 1,57 пікселя на градус і  частоту Найквіста 0,78 циклу на градус, що вище гостроти мишачого зору. Бінокулярне горизонтальне поле зору становить 230 градусів із приблизно 25-градусним перекриттям правого та лівого полів. Також розроблено монокулярний варіант системи із полем зору 140 градусів.

Голова тварини фіксована, при цьому вона може вільно пересуватися, обертаючи трекбол, який поруч із датчиком пошукового лизання служить пристроєм введення. Інформацію від них обробляє комп'ютер Raspberry Pi з встановленим ігровим двигуном Godot, він з'єднаний з моніторами по інтерфейсу SPI і з диспенсером ласощів-винагороди - USB. Пристрій, що отримав назву MouseGoggles, здатний генерувати VR-сцени з частотою 80 кадрів в секунду і затримкою між введенням і виведенням менше 130 мілісекунд.

Як випробування системи дослідники проводили монокулярну стимуляцію анестезованої миші з фіксованою головою одночасно з двофотонною візуалізацією струмів кальцію (GCaMP6s) у її зоровій корі. Дисплей виробляв на 99,3 відсотка менше світлового забруднення, аніж стандартний світлодіодний монітор, що дозволяло проводити флуоресцентну візуалізацію без додаткових фільтрів чи екранування. Медіанний радіус рецептивного поля становив 6,2 градуса; контраст за напівнасиченістю – 31,2 відсотка; максимальна нейровідповідь спостерігалася при просторовій частоті 0,042 циклу на градус. Бінокулярну систему успішно випробували під час запису електричних імпульсів від CA1-нейронів гіпокампу.

Для перевірки формування умовних рефлексів за допомогою VR-системи мишей протягом п'яти днів тренували у замкненому лінійному віртуальному просторі, де їм на деяких ділянках давали ласощі. Рефлекс вироблявся добре - підходячи до заданих місць, тварини починали облизуватися в передчутті частування, інших ділянках інтенсивність пошукового лизания була значно знижена. Коли тваринам, вперше вміщених у MouseGoggles, демонстрували об'єкт, що раптово з'являється, більшість з них відразу демонстрували реакцію переляку — швидко відсмикувалися або відстрибували з вигнутою спиною і підтиснутим хвостом. З використанням звичайних моніторів цього відбувалося, отже, система забезпечує глибше занурення у віртуальну реальність, уклали дослідники.

Щоб підвищити доступність MouseGoggles, автори використовували недорогі (загальна вартість менше 200 доларів США) та легкі для збирання неспеціалістами компоненти. Опис, програмне забезпечення та детальна документація викладені у відкритий доступ.