Souris dans la Matrice : Comment de minuscules lunettes de réalité virtuelle transforment la recherche sur le cerveau

Cette illustration montre l'installation de réalité virtuelle (VR), avec une "menace supérieure" projetée dans le champ de vision supérieur. Crédit : Dom Pinke/Université Northwestern

Des chercheurs de l'université Northwestern ont développé de nouveaux casques de réalité virtuelle (VR) pour les souris.

Outre leur aspect mignon, ces mini-casques offrent des expériences plus immersives pour les souris vivant dans des environnements de laboratoire. En simulant de manière plus fidèle des environnements naturels, les chercheurs peuvent étudier de manière plus précise et plus précise le circuit neural qui sous-tend le comportement.

Par rapport aux systèmes de pointe actuels, qui entourent simplement les souris d'ordinateurs ou d'écrans de projection, les nouveaux casques représentent une avancée majeure. Dans les systèmes actuels, les souris peuvent encore voir l'environnement du laboratoire derrière les écrans, et la nature plate des écrans ne peut pas transmettre une profondeur tridimensionnelle (3D). De plus, les chercheurs n'ont pas pu facilement monter des écrans au-dessus de la tête des souris pour simuler les menaces aériennes, telles que les oiseaux de proie imminents.

Les nouveaux casques de réalité virtuelle contournent tous ces problèmes. De plus, à mesure que la VR gagne en popularité, les casques pourraient également aider les chercheurs à obtenir de nouvelles informations sur la façon dont le cerveau humain s'adapte et réagit à une exposition répétée à la VR - un domaine qui est actuellement peu compris.

La recherche a été publiée le 8 décembre dans la revue Neuron. C'est la première fois que des chercheurs utilisent un système de réalité virtuelle pour simuler une menace supérieure.

Une vue à travers les nouveaux mini-casques de réalité virtuelle. Crédit : Dom Pinke/Université Northwestern

“Pendant les 15 dernières années, nous avons utilisé des systèmes de VR pour les souris”, a déclaré Daniel Dombeck, de Northwestern, co-auteur de l'étude. “Jusqu'à présent, les laboratoires utilisaient de grands écrans d'ordinateur ou de projection pour entourer un animal. Pour les humains, c'est comme regarder la télévision dans votre salon. Vous voyez toujours votre canapé et vos murs. Il y a des indices autour de vous qui vous disent que vous n'êtes pas à l'intérieur de la scène. Maintenant, imaginez mettre des casques de réalité virtuelle, comme Oculus Rift, qui occupent tout votre champ de vision. Vous ne voyez rien d'autre que la scène projetée, et une scène différente est projetée devant chaque œil pour créer des informations de profondeur. Cela manquait aux souris jusqu'à présent.”

Dombeck est professeur de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences de l'université Northwestern. Son laboratoire est un chef de file dans le développement de systèmes basés sur la VR et de systèmes d'imagerie laser haute résolution pour la recherche animale.

Bien que les chercheurs puissent observer les animaux dans la nature, il est extrêmement difficile d'imager les modèles d'activité cérébrale en temps réel pendant que les animaux interagissent avec le monde réel. Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont intégré la réalité virtuelle dans les environnements de laboratoire. Dans ces configurations expérimentales, un animal utilise un tapis roulant pour naviguer dans des scènes, telles qu'un labyrinthe virtuel, projetées sur des écrans environnants.

En maintenant la souris en place sur le tapis roulant - plutôt que de lui permettre de courir dans un environnement naturel ou un labyrinthe physique - les neurobiologistes peuvent utiliser des outils pour visualiser et cartographier le cerveau pendant que la souris traverse un espace virtuel. Cela permet aux chercheurs de comprendre les principes généraux de la manière dont les circuits neuronaux activés codent l'information lors de différents comportements.

“La VR reproduit essentiellement des environnements réels”, a déclaré Dombeck. “Nous avons eu beaucoup de succès avec ce système de réalité virtuelle, mais il est possible que les animaux ne soient pas aussi immergés qu'ils le seraient dans un environnement réel. Il faut beaucoup d'entraînement pour que les souris prêtent attention aux écrans et ignorent le laboratoire qui les entoure.”

Avec les récents progrès de la miniaturisation du matériel, Dombeck et son équipe se sont demandé s'ils pouvaient développer des casques de réalité virtuelle pour reproduire de manière plus fidèle un environnement réel. En utilisant des lentilles spécialement conçues et des écrans miniatures à diodes électroluminescentes organiques (OLED), ils ont créé des casques compacts.

Appelé Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), le système comprend deux lentilles et deux écrans - un pour chaque côté de la tête pour éclairer séparément chaque œil pour une vision 3D. Cela donne à chaque œil un champ de vision de 180 degrés qui immergge complètement la souris et exclut l'environnement environnant.

Contrairement aux casques de réalité virtuelle pour un humain, le système iMRSIV (prononcé "immersif") ne s'enroule pas autour de la tête de la souris. Au lieu de cela, les casques sont attachés à l'installation expérimentale et se perchent directement devant le visage de la souris. Comme la souris court en place sur un tapis roulant, les casques couvrent toujours le champ de vision de la souris.

“Nous avons conçu et construit un support sur mesure pour les casques”, a déclaré John Issa, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Dombeck et co-premier auteur de l'étude. “L'affichage optique complet - les écrans et les lentilles - fait tout le tour de la souris.”

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.”