MouseGoggles ofrece una mirada inmersiva a la actividad neuronal

Gracias a su composición genética, su capacidad para navegar por laberintos y su disposición a trabajar por queso, los ratones han sido durante mucho tiempo un modelo de referencia para estudios neurológicos y de comportamiento.

En los últimos años, han entrado en un nuevo ámbito: la realidad virtual, y ahora los investigadores de Cornell han construido cascos de realidad virtual en miniatura para sumergirlos más profundamente en ella.

Las MouseGoggles del equipo (sí, se ven tan lindas como suenan) se crearon utilizando componentes disponibles en el mercado y de bajo costo, como pantallas de relojes inteligentes y lentes diminutas, y ofrecen estimulación visual en un amplio campo de visión mientras siguen el movimiento del mouse. movimientos oculares y cambios en el tamaño de la pupila.

La tecnología tiene el potencial de ayudar a revelar la actividad neuronal que informa la navegación espacial y la función de la memoria, brindando a los investigadores nuevos conocimientos sobre trastornos como la enfermedad de Alzheimer y sus posibles tratamientos.

La investigación, publicado en Métodos de la naturalezafue dirigido por Chris Schaffer, profesor de ingeniería biomédica en Cornell Engineering, e Ian Ellwood, profesor asistente de neurobiología y comportamiento en la Facultad de Artes y Ciencias. Los autores principales del estudio son el investigador postdoctoral Matthew Isaacson y el estudiante de doctorado Hongyu Chang.

«Es una rara oportunidad, cuando se construyen herramientas, que se pueda hacer algo que experimentalmente sea mucho más poderoso que la tecnología actual, y que también sea más simple y más barato de construir», dijo Isaacson. «Está aportando más poder experimental a la neurociencia y es una versión mucho más accesible de la tecnología, por lo que podría ser utilizada por muchos más laboratorios».

El laboratorio de Schaffer, que dirige con Nozomi Nishimura, profesora asociada de ingeniería biomédica, desarrolla herramientas y técnicas basadas en la óptica que pueden usarse, junto con otras metodologías, para investigar los mecanismos moleculares y celulares que contribuyen a la pérdida de función en enfermedades neurodegenerativas.

Una línea particular de investigación ha estado estudiando las inexplicables reducciones en el flujo sanguíneo cerebral en ratones con enfermedad de Alzheimer. Al desbloquear pequeños capilares y aumentar ese flujo, los investigadores han demostrado que la función de la memoria en ratones mejora en cuestión de horas.

«Eso fue muy emocionante desde la perspectiva de que tal vez haya algo que se pueda hacer en la enfermedad de Alzheimer que pueda recuperar alguna función cognitiva», dijo Schaffer. «Los próximos pasos son descubrir cómo las mejoras en el flujo sanguíneo mejoran la función de las neuronas en el cerebro. Pero para realizar esos experimentos, necesitábamos nuevas capacidades en comparación con las que existían en el mundo anterior».

Hace aproximadamente una década, los investigadores comenzaron a instalar pantallas de proyección engorrosas (y bastante costosas) para que los ratones navegaran en entornos de realidad virtual, pero los aparatos suelen ser torpes y la contaminación lumínica y el ruido resultantes pueden perturbar los experimentos.

«Cuanto más inmersiva podamos hacer esa tarea conductual, más naturalista será la función cerebral que estudiaremos», dijo Schaffer.

Isaacson, que anteriormente diseñó sistemas de visualización para moscas de la fruta, se propuso montar una configuración de realidad virtual estacionaria que sería más simple pero aún más inmersiva, para que los ratones pudieran aprender más rápidamente. Dio la casualidad de que muchos de los componentes que necesitaba (pantallas diminutas, lentes diminutas) ya estaban disponibles comercialmente.

«Definitivamente se benefició del espíritu hacker de tomar piezas construidas para otra cosa y luego aplicarlas a algún contexto nuevo», dijo Isaacson. «Resulta que la pantalla de tamaño perfecto para un casco de realidad virtual con ratón ya está hecha para relojes inteligentes. Tuvimos suerte de no necesitar construir ni diseñar nada desde cero, pudimos conseguir fácilmente todas las piezas económicas necesitábamos.»

Las gafas no se pueden llevar puestas en el sentido tradicional. Un ratón está parado sobre una cinta rodante, con la cabeza fija en su lugar, mientras mira por un par de oculares. Luego se pueden obtener imágenes fluorescentes de los patrones de actividad neuronal del ratón.

Trabajando con el laboratorio de Ellwood, el equipo realizó una serie de pruebas en ratones con gafas. En el frente neurológico, examinaron dos regiones clave en el cerebro del ratón: la corteza visual primaria, para garantizar que las gafas formen imágenes nítidas y de alto contraste en la retina; y en el hipocampo, para confirmar que el cerebro del ratón está mapeando exitosamente su entorno virtual. Otras pruebas estaban más orientadas a la tecnología, para ver si las pantallas de las gafas se actualizaban rápidamente y respondían a los movimientos del mouse.

Y lo más importante, los investigadores necesitaban observar cómo se comportaban los ratones con sus nuevas gafas. Una de las pruebas más efectivas fue engañar a un ratón haciéndole creer que se acercaba una mancha oscura en expansión.

«Cuando intentamos este tipo de prueba en la configuración típica de realidad virtual con pantallas grandes, los ratones no reaccionaron en absoluto», dijo Isaacson. «Pero casi todos los ratones, la primera vez que los ven con las gafas, saltan. Tienen una reacción de sobresalto enorme. Realmente parecían pensar que estaban siendo atacados por un depredador inminente».

Los investigadores recibieron una contribución inesperada cuando enviaron sus hallazgos a Nature Methods. Un revisor anónimo presionó a los investigadores para que agregaran un conjunto de cámaras en cada ocular que pudieran registrar las pupilas del ratón y verificar el compromiso y la excitación del animal.

La petición fue a la vez una tarea difícil y una bendición fortuita.

«Nos desafiaron a hacer algo realmente difícil y hacer que todo funcionara», dijo Schaffer. «En el último año, se han publicado tres artículos sobre gafas de realidad virtual para ratones. Ya sabes, el campo estaba maduro para que esto sucediera. Pero somos los únicos con pupilometría y seguimiento ocular, y esa es una capacidad crítica. para gran parte de la neurociencia.»

Los investigadores buscan desarrollar aún más las gafas, con una versión liviana y móvil para roedores más grandes, como musarañas y ratas, que puede incluir una batería y procesamiento integrado. Schaffer también ve el potencial de incorporar más sentidos, como el gusto y el olfato, a la experiencia de realidad virtual.

«Creo que la realidad virtual de cinco sentidos para ratones es una dirección a seguir para los experimentos», dijo, «donde intentamos comprender estos comportamientos realmente complicados, donde los ratones integran información sensorial, comparando la oportunidad con estados motivacionales internos, como la necesidad de descansar y comer, y luego tomar decisiones sobre cómo comportarse».