Mäuse in der Matrix: Wie winzige VR-Brillen die Hirnforschung revolutionieren

Diese Illustration zeigt das VR-Setup, mit einer "überhängenden Bedrohung", die in das obere Sichtfeld projiziert wird. Kredit: Dom Pinke/Northwestern University

Forscher der Northwestern University haben neue Virtual Reality (VR)-Brillen für Mäuse entwickelt.

Abgesehen davon, dass sie niedlich sind, bieten diese Miniaturbrillen den Mäusen in Laborumgebungen ein intensiveres Erlebnis. Indem sie natürliche Umgebungen genauer simulieren, können die Forscher die neuralen Schaltkreise, die dem Verhalten zugrunde liegen, genauer und präziser untersuchen.

Verglichen mit den derzeit modernsten Systemen, bei denen Mäuse einfach von Computern oder Projektionsbildschirmen umgeben sind, bieten die neuen Brillen einen großen Fortschritt. Bei den aktuellen Systemen können die Mäuse immer noch die Laborumgebung hinter den Bildschirmen sehen, und die flache Natur der Bildschirme kann keine dreidimensionale Tiefe vermitteln. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es den Forschern bisher nicht gelungen ist, Bildschirme über den Köpfen der Mäuse zu montieren, um Bedrohungen von oben wie bedrohlich wirkende Raubvögel zu simulieren.

Die neuen VR-Brillen umgehen all diese Probleme. Darüber hinaus könnten die Brillen den Forschern neue Einblicke in die Anpassungsfähigkeit und Reaktion des menschlichen Gehirns auf wiederholte VR-Expositionen ermöglichen - ein Bereich, der derzeit noch wenig verstanden ist.

Die Forschung wurde am 8. Dezember in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht. Zum ersten Mal haben Forscher ein VR-System verwendet, um eine überhängende Bedrohung zu simulieren.

Ein Blick durch die neuen Miniatur-VR-Brillen. Kredit: Dom Pinke/Northwestern University

"In den letzten 15 Jahren haben wir VR-Systeme für Mäuse verwendet", sagte Daniel Dombeck von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie. "Bisher haben Labore große Computer- oder Projektionsbildschirme verwendet, um ein Tier zu umgeben. Für Menschen ist dies wie das Fernsehen in Ihrem Wohnzimmer. Sie sehen immer noch Ihr Sofa und Ihre Wände. Es gibt Umgebungshinweise, die Ihnen sagen, dass Sie sich nicht in der Szene befinden. Denken Sie jetzt daran, VR-Brillen wie die Oculus Rift aufzusetzen, die Ihr gesamtes Sichtfeld einnehmen. Sie sehen nichts außer der projizierten Szene, und in jedes Auge wird eine andere Szene projiziert, um Tiefeninformationen zu erzeugen. Das hat bei den Mäusen gefehlt."

Dombeck ist Professor für Neurobiologie am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University. Sein Labor ist führend in der Entwicklung von VR-basierten Systemen und hochauflösenden laserbasierten Bildgebungssystemen für die Tierforschung.

Obwohl Forscher Tiere in der Natur beobachten können, ist es äußerst schwierig, Muster der Echtzeit-Hirnaktivität zu erfassen, während Tiere mit der realen Welt interagieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben Forscher VR in Laborumgebungen integriert. In diesen Versuchsaufbauten nutzt ein Tier ein Laufband, um Szenen wie ein virtuelles Labyrinth auf umliegenden Bildschirmen zu navigieren.

Indem sie die Maus auf dem Laufband halten - anstatt sie durch eine natürliche Umgebung oder ein physisches Labyrinth laufen zu lassen - können Neurowissenschaftler Werkzeuge verwenden, um das Gehirn zu beobachten und zu kartieren, während die Maus einen virtuellen Raum durchquert. Letztendlich hilft dies den Forschern, allgemeine Prinzipien darüber zu erfassen, wie aktivierte neuronale Schaltkreise Informationen während unterschiedlicher Verhaltensweisen codieren.

"VR reproduziert im Grunde genommen reale Umgebungen", sagt Dombeck. "Wir haben mit diesem VR-System viel Erfolg gehabt, aber es ist möglich, dass die Tiere nicht so stark darin eintauchen wie in einer realen Umgebung. Es erfordert viel Training, damit die Mäuse die Bildschirme beachten und die Laborumgebung ignorieren."

Mit den jüngsten Fortschritten in der Hardware-Miniaturisierung fragten sich Dombeck und sein Team, ob sie VR-Brillen entwickeln könnten, um eine reale Umgebung genauer nachzubilden. Mit speziell entworfenen Linsen und miniaturisierten organischen Leuchtdioden (OLED) Display erstellten sie kompakte Brillen.

Das System, bekannt als Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), besteht aus zwei Linsen und zwei Bildschirmen - einer für jede Seite des Kopfes, um jedes Auge separat für 3D-Sicht zu beleuchten. Dies ermöglicht jedem Auge ein Sichtfeld von 180 Grad, das die Maus vollständig eintaucht und die Umgebung ausschließt.

Eine künstlerische Interpretation einer Karikaturmaus, die VR-Brillen trägt. Kredit: @rita

Im Gegensatz zu VR-Brillen für Menschen umhüllt das iMRSIV (ausgesprochen "immersive") -System nicht den Kopf der Maus. Stattdessen sind die Brillen an dem Versuchsaufbau befestigt und befinden sich direkt vor dem Gesicht der Maus. Da die Maus auf einem Laufband an Ort und Stelle läuft, liegt der Blickwinkel der Brillen immer noch im Sichtfeld der Maus.

"Wir haben eine benutzerdefinierte Halterung für die Brillen entworfen und gebaut", sagte John Issa, ein Postdoktorand im Labor von Dombeck und Mitautor der Studie. "Die gesamte optische Anzeige - die Bildschirme und die Linsen - umgibt die Maus vollständig."

By mapping the mice’s brains, Dombeck and his team found that the brains of goggle-wearing mice were activated in very similar ways as in freely moving animals. And, in side-by-side comparisons, the researchers noticed that goggle-wearing mice engaged with the scene much more quickly than mice with traditional VR systems.

“We went through the same kind of training paradigms that we have done in the past, but mice with the goggles learned more quickly,” Dombeck said. “After the first session, they could already complete the task. They knew where to run and looked to the right places for rewards. We think they actually might not need as much training because they can engage with the environment in a more natural way.”

Next, the researchers used the goggles to simulate an overhead threat — something that had been previously impossible with current systems. Because hardware for imaging technology already sits above the mouse, there is nowhere to mount a computer screen. The sky above a mouse, however, is an area where animals often look for vital — sometimes life-or-death — information.

“The top of a mouse’s field of view is very sensitive to detect predators from above, like a bird,” said co-first author Dom Pinke, a research specialist in Dombeck’s lab. “It’s not a learned behavior; it’s an imprinted behavior. It’s wired inside the mouse’s brain.”

To create a looming threat, the researchers projected a dark, expanding disk into the top of the goggles — and the top of the mice’s fields of view. In experiments, mice — upon noticing the disk — either ran faster or froze. Both behaviors are common responses to overhead threats. Researchers were able to record neural activity to study these reactions in detail.

“In the future, we’d like to look at situations where the mouse isn’t prey but is the predator,” Issa said. “We could watch brain activity while it chases a fly, for example. That activity involves a lot of depth perception and estimating distances. Those are things that we can start to capture.”

In addition to opening the door for more research, Dombeck hopes the goggles open the door to new researchers. Because the goggles are relatively inexpensive and require less intensive laboratory setups, he thinks they could make neurobiology research more accessible.

“Traditional VR systems are pretty complicated,” Dombeck said. “They’re expensive, and they’re big. They require a big lab with a lot of space. And, on top of that, if it takes a long time to train a mouse to do a task, that limits how many experiments you can do. We’re still working on improvements, but our goggles are small, relatively cheap, and pretty user-friendly as well. This could make VR technology more available to other labs.”