Topi nella matrice: come piccoli occhiali VR stanno trasformando la ricerca cerebrale.

L'immagine fornita mostra una configurazione VR che presenta una "minaccia dall'alto" nel campo visivo superiore. Il merito è di Dom Pinke della Northwestern University.

I ricercatori della Northwestern University hanno creato degli innovativi occhiali per la realtà virtuale (VR) appositamente per i topi.

Oltre a essere divertenti, questi piccoli occhiali offrono esperienze più complete per i topi in laboratorio. Simulando in modo più efficace gli ambienti naturali, i ricercatori possono studiare con maggiore precisione e accuratezza i percorsi neurali alla base del comportamento.

Rispetto ai sistemi high-tech esistenti, che si limitano a coprire i topi con schermi di computer o di proiezione, i nuovi occhiali offrono un miglioramento significativo. I sistemi attuali permettono ai topi di vedere l'ambiente del laboratorio al di là degli schermi e la natura piatta degli schermi non consente di proiettare la profondità tridimensionale (3D). Un altro problema è la difficoltà di montare gli schermi sopra i topi per simulare le minacce dall'alto, come gli uccelli predatori.

I nuovi occhiali VR superano questi problemi e, dato che la popolarità della VR continua a crescere, potrebbero aiutare i ricercatori a capire come il cervello umano si adatta e reagisce a un'esposizione costante alla VR, che attualmente è un'area poco studiata.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Neuron l'8 dicembre. È la prima volta che un sistema VR viene utilizzato per simulare una minaccia dall'alto.

Uno sguardo attraverso gli innovativi mini occhiali VR. Il merito è di Dom Pinke della Northwestern University.

"Negli ultimi 15 anni abbiamo utilizzato sistemi VR per i topi", ha commentato Daniel Dombeck, autore senior dello studio della Northwestern. "Finora i laboratori hanno utilizzato grandi schermi di computer o di proiezione per circondare l'animale. Per gli esseri umani, questo è paragonabile a guardare la TV nel proprio salotto. Si continuano a vedere i mobili e le pareti. Ci sono segnali che indicano che non ci si trova all'interno della scena. La prospettiva cambia quando si immagina di indossare gli occhiali VR, che consumano l'intero campo visivo. Non si vede altro che la scena proiettata, con una scena diversa proiettata in ciascun occhio per generare informazioni sulla profondità. Questo mancava ai topi".

Dombeck è professore di neurobiologia presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Il suo laboratorio è noto per lo sviluppo di sistemi basati sulla VR e di sistemi di imaging laser altamente dettagliati per la ricerca sugli animali.

Sebbene il comportamento degli animali possa essere studiato in natura, catturare i modelli di attività cerebrale in tempo reale mentre gli animali si confrontano con il mondo reale è estremamente difficile. Per affrontare questo ostacolo, i ricercatori hanno incorporato la VR negli ambienti di laboratorio. Gli animali navigano in scene su un tapis roulant, come un labirinto virtuale, che vengono proiettate su schermi circostanti in questi ambienti sperimentali.

Mantenendo il mouse fermo sul tapis roulant, i neurobiologi possono utilizzare strumenti speciali per osservare e mappare il cervello mentre il mouse naviga nello spazio virtuale. Questa tecnica aiuta molto i ricercatori a comprendere i principi generali di come i circuiti neurali attivati codificano le informazioni durante i diversi comportamenti.

"La VR replica essenzialmente gli ambienti reali", ha dichiarato Dombeck. "Questo sistema VR ha avuto un notevole successo, ma c'è la possibilità che gli animali non siano così coinvolti come lo sarebbero in un ambiente reale. È necessario un addestramento significativo per far sì che i topi si concentrino sugli schermi e trascurino l'ambiente del laboratorio".

Grazie ai recenti progressi nella miniaturizzazione dell'hardware, Dombeck e il suo team hanno considerato la possibilità di creare occhiali VR che imitassero più da vicino un ambiente reale. Hanno creato occhiali compatti utilizzando lenti appositamente progettate e minuscoli display a diodi organici a emissione di luce (OLED).

Intitolato Miniature Rodent Stereo Illumination VR (iMRSIV), il sistema comprende due lenti e due schermi per ogni lato della testa, per illuminare in modo indipendente ogni occhio per una visione 3D. Ogni occhio è dotato di un campo visivo di 180 gradi che coinvolge completamente il topo e blocca l'ambiente circostante.

Una rappresentazione artistica di un topo dei cartoni animati che indossa gli occhiali VR. Il merito è di @rita.

A differenza degli occhiali VR umani, il sistema iMRSIV, che si pronuncia "immersivo", non avvolge la testa del topo. Gli occhiali sono invece fissati all'impianto sperimentale e posizionati direttamente davanti al viso del topo. Mentre il topo corre fermo su un tapis roulant, gli occhiali coprono l'intero campo visivo del topo.

Secondo John Issa, borsista nel laboratorio di Dombeck e co-autore dello studio, è stato progettato e costruito un supporto personalizzato per gli occhiali. "L'intero display ottico, che comprende gli schermi e le lenti, circonda completamente il topo".

Mappando il cervello dei topi, Dombeck e il suo team hanno scoperto che il cervello dei topi che indossavano gli occhiali si attivava in modo molto simile a quello degli animali che si muovevano liberamente. Inoltre, confrontando i dati uno accanto all'altro, i ricercatori hanno notato che i topi con gli occhiali si immedesimavano nella scena molto più rapidamente.

"Abbiamo seguito lo stesso tipo di paradigmi di addestramento che abbiamo fatto in passato, ma i topi con gli occhiali hanno imparato più rapidamente", ha detto Dombeck. "Dopo la prima sessione, erano già in grado di completare il compito. Sapevano dove correre e cercavano le giuste ricompense. Pensiamo che non abbiano bisogno di tanto addestramento perché possono interagire con l'ambiente in modo più naturale".

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato gli occhiali per simulare una minaccia dall'alto, cosa finora impossibile con i sistemi attuali. Poiché l'hardware per la tecnologia di imaging si trova già sopra il mouse, non c'è posto per montare uno schermo del computer. Il cielo sopra un topo, tuttavia, è un'area in cui gli animali spesso cercano informazioni vitali, a volte anche di morte.

"La parte superiore del campo visivo di un topo è molto sensibile per individuare i predatori dall'alto, come gli uccelli", ha detto il coautore Dom Pinke, ricercatore del laboratorio di Dombeck. "Non è un comportamento appreso, ma impresso. È cablato nel cervello del topo".

Per creare una minaccia incombente, i ricercatori hanno proiettato un disco scuro in espansione nella parte superiore degli occhiali e nel campo visivo dei topi. Negli esperimenti, i topi, notando il disco, correvano più velocemente o si bloccavano. Entrambi i comportamenti sono risposte comuni alle minacce che incombono sulla testa dei topi. I ricercatori hanno potuto registrare l'attività neurale per studiare queste reazioni in dettaglio.

"In futuro vorremmo analizzare situazioni in cui il topo non è una preda ma un predatore", ha detto Issa. "Potremmo osservare l'attività cerebrale mentre insegue una mosca, per esempio. Quell'attività comporta un'intensa attività di percezione della profondità e di stima delle distanze. Queste sono cose che possiamo iniziare a catturare".

Oltre ad aprire la strada a ulteriori ricerche, Dombeck spera che gli occhiali aprano la porta a nuovi ricercatori. Poiché gli occhiali sono relativamente poco costosi e richiedono una configurazione di laboratorio meno intensiva, pensa che potrebbero rendere più accessibile la ricerca neurobiologica.

"I sistemi VR tradizionali sono piuttosto complicati", ha detto Dombeck. "Sono costosi e grandi. Richiedono un grande laboratorio con molto spazio. Inoltre, se ci vuole molto tempo per addestrare un mouse a svolgere un compito, questo limita il numero di esperimenti che si possono fare. Stiamo ancora lavorando a dei miglioramenti, ma i nostri occhiali sono piccoli, relativamente economici e piuttosto facili da usare. Questo potrebbe rendere la tecnologia VR più disponibile per altri laboratori".