Mice in Matrix: Cómo pequeñas gafas de realidad virtual están transformando la investigación cerebral

La imagen muestra una configuración de RV que presenta una "amenaza aérea" en el campo de visión superior. El autor es Dom Pinke, de la Universidad Northwestern.

Investigadores de la Universidad Northwestern han creado unas innovadoras gafas de realidad virtual (RV) específicas para ratones.

Además de ser divertidas, estas diminutas gafas ofrecen experiencias más completas a los ratones en entornos de laboratorio. Al simular entornos naturales con mayor eficacia, los investigadores pueden estudiar las vías neuronales que sustentan el comportamiento con mayor precisión y exactitud.

En comparación con los sistemas de alta tecnología existentes, que se limitan a cubrir a los ratones con pantallas de ordenador o de proyección, las nuevas gafas suponen una mejora significativa. Los sistemas actuales permiten a los ratones ver el entorno del laboratorio más allá de las pantallas, y la naturaleza plana de éstas no consigue proyectar profundidad tridimensional (3D). Otro problema es la dificultad de colocar las pantallas por encima de los ratones para imitar las amenazas que se ciernen sobre ellos, como los pájaros depredadores.

Las novedosas gafas de RV evitan estos problemas y, a medida que aumenta la popularidad de la RV, podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo se adapta y reacciona el cerebro humano a la exposición constante a la RV, un campo poco estudiado en la actualidad.

El estudio se publicó en la revista Neuron el 8 de diciembre. Es la primera vez que se utiliza un sistema de RV para imitar una amenaza aérea.

Un vistazo a través de las innovadoras minigafas de RV. El autor es Dom Pinke, de la Universidad Northwestern.

"Llevamos 15 años utilizando sistemas de RV para ratones", explica Daniel Dombeck, autor principal del estudio en Northwestern. "Hasta ahora, los laboratorios utilizaban grandes pantallas de ordenador o de proyección para rodear al animal. Para los humanos, esto es comparable a ver la televisión en el salón de casa. Sigues viendo los muebles y las paredes. Hay señales que te indican que no estás dentro de esta escena. Cambias de perspectiva cuando imaginas que llevas puestas unas gafas de RV, que consumen todo tu campo de visión. No ves nada excepto la escena que se proyecta, con una escena distinta proyectada en cada ojo para generar información de profundidad. Esto ha faltado en ratones".

Dombeck es profesor de neurobiología en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Su laboratorio es conocido por el desarrollo de sistemas basados en la RV y de sistemas de imagen muy detallados basados en láser para la investigación con animales.

Aunque el comportamiento animal puede estudiarse en la naturaleza, captar patrones de actividad cerebral en tiempo real mientras los animales se relacionan con el mundo real es extremadamente difícil. Para superar este obstáculo, los investigadores han incorporado la RV al laboratorio. Los animales recorren escenas en una cinta, como un laberinto virtual, que se proyectan en pantallas circundantes en estos entornos experimentales.

Al mantener el ratón inmóvil en la cinta, los neurobiólogos pueden utilizar herramientas especiales para observar y cartografiar el cerebro mientras el ratón navega por el espacio virtual. Esta técnica ayuda enormemente a los investigadores a comprender los principios generales de cómo los circuitos neuronales activados codifican la información durante distintos comportamientos.

"La RV reproduce básicamente entornos reales", afirma Dombeck. "Este sistema de RV ha tenido un éxito considerable, pero existe la posibilidad de que los animales no estén tan absortos como lo estarían en un entorno real. Hace falta un entrenamiento importante sólo para conseguir que los ratones se concentren en las pantallas y se desentiendan del entorno del laboratorio."

Gracias a los recientes avances en la miniaturización del hardware, Dombeck y su equipo consideraron la posibilidad de crear gafas de RV que imitaran más de cerca un entorno real. Crearon unas gafas compactas con lentes especialmente diseñadas y diminutas pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED).

Titulado Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), el sistema incluye dos lentes y dos pantallas a cada lado de la cabeza para iluminar cada ojo de forma independiente y obtener visión 3D. Cada ojo dispone de un campo de visión de 180 grados que absorbe por completo al ratón y bloquea el entorno circundante.

Representación artística de un ratón de dibujos animados con gafas de realidad virtual. El mérito es de @rita.

A diferencia de las gafas de RV humanas, el sistema iMRSIV no envuelve la cabeza del ratón. Las gafas se fijan al dispositivo experimental y se colocan directamente delante de la cara del ratón. Mientras el ratón corre inmóvil sobre una cinta, las gafas cubren todo su campo visual.

Según John Issa, becario posdoctoral del laboratorio de Dombeck y coautor del estudio, se diseñó y construyó un soporte a medida para las gafas. "Todo el despliegue óptico, que incluye las pantallas y las lentes, rodea completamente al ratón".

Al cartografiar los cerebros de los ratones, Dombeck y su equipo descubrieron que los cerebros de los ratones que llevaban gafas se activaban de forma muy similar a la de los animales que se movían libremente. Además, en comparaciones paralelas, los investigadores observaron que los ratones que llevaban gafas se relacionaban con la escena mucho más deprisa.

"Seguimos el mismo tipo de paradigmas de entrenamiento que en el pasado, pero los ratones con las gafas aprendieron más rápido", explica Dombeck. "Tras la primera sesión, ya podían completar la tarea. Sabían por dónde correr y buscaban recompensas en los lugares adecuados. Creemos que en realidad no necesitan tanto entrenamiento porque pueden relacionarse con el entorno de una forma más natural."

A continuación, los investigadores utilizaron las gafas para simular una amenaza aérea, algo que antes era imposible con los sistemas actuales. Como el hardware de la tecnología de imágenes ya se coloca encima del ratón, no hay ningún sitio donde montar una pantalla de ordenador. Sin embargo, el cielo sobre el ratón es una zona en la que los animales suelen buscar información vital, a veces de vida o muerte.

"La parte superior del campo de visión de un ratón es muy sensible para detectar depredadores desde arriba, como un pájaro", explica Dom Pinke, coautor y especialista en investigación del laboratorio de Dombeck. "No es un comportamiento aprendido, sino impreso. Está grabado en el cerebro del ratón".

Para crear una amenaza inminente, los investigadores proyectaron un disco oscuro en expansión en la parte superior de las gafas y en el campo visual de los ratones. En los experimentos, los ratones, al ver el disco, corrían más rápido o se quedaban inmóviles. Ambos comportamientos son respuestas habituales a las amenazas aéreas. Los investigadores pudieron registrar la actividad neuronal para estudiar estas reacciones en detalle.

"En el futuro, nos gustaría estudiar situaciones en las que el ratón no sea la presa, sino el depredador", explica Issa. "Podríamos observar la actividad cerebral mientras persigue a una mosca, por ejemplo. Esa actividad implica mucha percepción de la profundidad y estimación de distancias. Son cosas que podemos empezar a captar".

Además de abrir la puerta a más investigación, Dombeck espera que las gafas abran la puerta a nuevos investigadores. Como las gafas son relativamente baratas y requieren una configuración de laboratorio menos intensiva, cree que podrían hacer más accesible la investigación neurobiológica.

"Los sistemas de RV tradicionales son bastante complicados", afirma Dombeck. "Son caros y grandes. Requieren un gran laboratorio con mucho espacio. Y, además, si se tarda mucho tiempo en entrenar a un ratón para que haga una tarea, eso limita el número de experimentos que se pueden hacer. Seguimos trabajando en mejoras, pero nuestras gafas son pequeñas, relativamente baratas y muy fáciles de usar. Esto podría hacer que la tecnología de RV estuviera más al alcance de otros laboratorios".