Бинокулярная система погрузила мышей в виртуальную реальность

Американские исследователи разработали иммерсивную систему виртуальной реальности для мышей. Она должна помочь в проведении нейробиологических и поведенческих исследований. Препринт работы доступен на ресурсе Research Square.

VR-системы для лабораторных животных сделали возможными фундаментальные нейрофизиологические исследования сложных когнитивных функций. В таких исследованиях необходима фиксация головы для записи активности мозговых структур, которая невозможна, если животное бежит по лабиринту или выполняет другие активные задачи. Кроме того, VR позволяет симулировать невозможные в реальном мире условия, такие как телепортация или разобщение движений с визуальной картиной. Существующие системы обычно представляют собой панорамные экраны для проекторов или светодиодные дисплеи, расположенные в 10–30 сантиметрах от глаз мыши, чтобы оставаться в фокусе ее зрения. Такие установки сложны, громоздки и дорогостоящи, их сложно встроить во многие системы нейровизуализации. Кроме того, экспериментальное оборудование (например, камеры, объективы микроскопов, детекторы лизания) может заслонять часть экрана от животного, что уменьшает эффект погружения.

Чтобы устранить эти недостатки, Мэттью Айзексон (Matthew Isaacson) с коллегами по Корнеллскому университету разработали бинокулярную VR-систему, которая подает изображения прямо на глаза мыши с двух круглых светодиодных дисплеев через линзы Френеля. Расстояние от 2,76-сантиметрового дисплея до 1,27-сантиметровой линзы составляет сантиметр, от линзы до глаза — 1,5 миллиметра; вся конструкция размещена в 3D-печатном корпусе, изолирующем глаза от внешней среды. Сферическое искажение дисплеев линзой обеспечивает почти постоянное угловое разрешение 1,57 пикселя на градус и частоту Найквиста 0,78 цикла на градус, что выше остроты мышиного зрения. Бинокулярное горизонтальное поле зрения составляет 230 градусов с примерно 25-градусным перекрытием правого и левого полей. Также разработан монокулярный вариант системы с полем зрения 140 градусов.

Голова животного фиксирована, при этом оно может свободно передвигаться, вращая трекбол, который наряду с датчиком поискового лизания служит устройством ввода. Информацию от них обрабатывает компьютер Raspberry Pi с установленным игровым движком Godot, он соединен с мониторами по интерфейсу SPI и с диспенсером лакомства-вознаграждения — по USB. Устройство, получившее название MouseGoggles, способно генерировать VR-сцены с частотой 80 кадров в секунду и задержкой между вводом и выводом менее 130 миллисекунд.

В качестве испытаний системы исследователи проводили монокулярную стимуляцию анестезированной мыши с фиксированной головой одновременно с двухфотонной визуализацией токов кальция (GCaMP6s) в ее зрительной коре. Дисплей производил на 99,3 процента меньше светового загрязнения, чем стандартный светодиодный монитор, что позволяло проводить флуоресцентную визуализацию без дополнительных фильтров или экранирования. Медианный радиус рецептивного поля составил 6,2 градуса; контраст по полунасыщенности — 31,2 процента; максимальный нейроответ наблюдался при пространственной частоте 0,042 цикла на градус. Бинокулярную систему успешно испытали в ходе записи электрических импульсов от CA1-нейронов гиппокампа.

Для проверки формирования условных рефлексов с помощью VR-системы мышей в течение пяти дней тренировали в замкнутом линейном виртуальном пространстве, где им на некоторых участках давали лакомство. Рефлекс вырабатывался хорошо — подходя к заданным местам, животные начинали облизываться в предвкушении угощения, на остальных участках интенсивность поискового лизания была значительно снижена. Когда животным, впервые помещенных в MouseGoggles, демонстрировали внезапно появляющийся объект, большинство из них сразу демонстрировали реакцию испуга — быстро отдергивались или отпрыгивали с выгнутой спиной и поджатым хвостом. При использовании обычных мониторов этого не происходило, а значит, система обеспечивает более глубокое погружение в виртуальную реальность, заключили исследователи.

Чтобы повысить доступность MouseGoggles, авторы использовали недорогие (общая стоимость менее 200 долларов США) и легкие для сборки неспециалистами компоненты. Описание, программное обеспечение и подробная документация выложены в открытый доступ.

Ранее для более глубокого погружения мышей в виртуальную реальность разные команды разработчиков предлагали дополнить систему имитирующими стены пластинами, которые животное может ощущать вибриссами, или создавать специальные помещения с высокочувствительными камерами.