Des chercheurs de Cornell développent le casque MouseGoggles Duo 3D VR pour souris à l'aide de Raspberry Pi 4
Des chercheurs de l'université Cornell ont créé le casque de RV 3D MouseGoggles Duo pour des souris de laboratoire à l'aide de pièces imprimées en 3D et d'un logiciel libre fonctionnant sur un Raspberry Pi 4. Les souris qui utilisent le Duo voient un monde virtuel de chemins, d'obstacles et de récompenses tout en courant sans fin sur un tapis roulant sphérique. Le casque élimine le besoin de vidéoprojecteurs encombrants et de labyrinthes de souris physiques.
Les souris sont souvent utilisées dans les laboratoires de recherche pour comprendre le fonctionnement du cerveau, car elles s'adaptent rapidement à des environnements inconnus et apprennent vite. Ces caractéristiques peuvent aider les chercheurs à comprendre les maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, qui entraînent une perte de mémoire et de contrôle chez l'homme. Les difficultés rencontrées par les chercheurs sont notamment le temps et le coût nécessaires à la construction de véritables labyrinthes de souris et les défis liés à la création d'une simulation convaincante dans la réalité virtuelle.
Le casque MouseGoggles Duo a été conçu en tenant compte de ces facteurs. Le boîtier est imprimé en 3D pour un coût réduit et une itération rapide de la conception. Le boîtier abrite deux écrans LED circulaires de 2,76 cm, focalisés par des lentilles de Fresnel de 1,27 cm, qui offrent un champ de vision horizontal de 230 degrés et vertical de 140 degrés. Le casque étant assez grand par rapport à la tête, il est monté devant le visage d'une souris immobilisée pendant les expériences.
Un ordinateur monocarte (SBC) Raspberry Pi 4 exécute des simulations 3D générées par le moteur de jeu open-source Godot fonctionnant sur Raspberry Pi OS. Le système est capable de générer des images à 80 fps avec une latence d'entrée à l'affichage inférieure à 130 msec pour les mises à jour en plein écran.
Lorsque des souris ont été soumises à des tests de RV tels que la recherche de récompenses, les chercheurs ont constaté que la mise au point, le positionnement de l'objet RV et d'autres facteurs du MouseGoggles Duo se comparaient bien aux écrans projetés traditionnellement. Le cerveau des souris a été directement surveillé à l'aide de l'imagerie calcique à deux photons du cortex visuel ( ) et de l'enregistrement électrophysiologique ( ) et l'enregistrement électrophysiologique de l'hippocampe pour obtenir des données de validation.
Les lecteurs qui veulent courir sans fin dans des mondes virtuels peuvent utiliser des tapis roulants virtuels comme la série Kat Walk C2 vendue sur Amazon. Ceux qui sont trop fatigués de marcher toute la journée peuvent se détendre avec une paire de lunettes AR légères comme les lunettes AR Xreal vendues sur Amazon. Les lecteurs qui ne veulent même pas lever le petit doigt peuvent s'inscrire sur la liste d'attente Neuralink d'Elon Musk ( ) pour bénéficier d'une interface cerveau-ordinateur (ICU) pour se faire implanter une interface cerveau-ordinateur (BCI) afin de pouvoir jouer et tweeter par la seule force de la pensée.
Source(s)
Les lunettes de souris offrent un regard immersif sur l'activité neuronale
Par David Nutt, Cornell Chronicle
18 décembre 2024
Grâce à leur patrimoine génétique, à leur capacité à naviguer dans les labyrinthes et à leur volonté de travailler pour du fromage, les souris sont depuis longtemps un modèle de choix pour les études comportementales et neurologiques.
Ces dernières années, elles sont entrées dans une nouvelle arène - la réalité virtuelle - et les chercheurs de Cornell ont maintenant construit des casques VR miniatures pour les immerger plus profondément dans cette réalité.
Des chercheurs de Cornell ont construit des casques miniatures de RV pour immerger des souris plus profondément dans des environnements virtuels qui peuvent aider à révéler l'activité neuronale qui informe la navigation spatiale et la fonction de mémoire.
Des chercheurs de Cornell ont construit des casques miniatures de RV pour immerger des souris plus profondément dans des environnements virtuels qui peuvent aider à révéler l'activité neuronale qui informe la navigation spatiale et la fonction de mémoire.
Les MouseGogles de l'équipe - oui, elles sont aussi mignonnes qu'elles en ont l'air - ont été créées à l'aide de composants bon marché disponibles dans le commerce, tels que des écrans de smartwatch et de minuscules lentilles, et offrent une stimulation visuelle sur un large champ de vision tout en suivant les mouvements oculaires de la souris et les changements de taille de la pupille.
Cette technologie pourrait contribuer à révéler l'activité neuronale qui sous-tend la navigation spatiale et la fonction de mémorisation, donnant ainsi aux chercheurs de nouvelles perspectives sur des troubles tels que la maladie d'Alzheimer et ses traitements potentiels.
La recherche, publiée le 12 décembre dans Nature Methods, a été menée par Chris Schaffer, professeur d'ingénierie biomédicale à Cornell Engineering, et Ian Ellwood, professeur adjoint de neurobiologie et de comportement au College of Arts and Sciences. Les auteurs principaux de l'étude sont le chercheur postdoctoral Matthew Isaacson et l'étudiant en doctorat Hongyu Chang.
"C'est une occasion rare, lors de la construction d'outils, de fabriquer quelque chose qui est expérimentalement beaucoup plus puissant que la technologie actuelle, tout en étant plus simple et moins cher à construire", a déclaré M. Isaacson. "Il apporte plus de puissance expérimentale aux neurosciences, et c'est une version beaucoup plus accessible de la technologie, qui pourrait donc être utilisée par un plus grand nombre de laboratoires
Le laboratoire de Schaffer, qu'il dirige avec Nozomi Nishimura, professeur agrégé d'ingénierie biomédicale, développe des outils et des techniques basés sur l'optique qui peuvent être utilisés, avec d'autres méthodologies, pour étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires qui contribuent à la perte de fonction dans les maladies neurodégénératives. Une ligne de recherche particulière a consisté à étudier les réductions inexpliquées du flux sanguin cérébral chez les souris atteintes de la maladie d'Alzheimer. En débloquant de minuscules capillaires et en augmentant ce flux, les chercheurs ont montré que la fonction de mémorisation chez les souris s'améliorait en quelques heures.
"C'était très excitant du point de vue de l'idée qu'il y a peut-être quelque chose à faire dans la maladie d'Alzheimer pour récupérer une partie des fonctions cognitives", a déclaré le professeur Schaffer. "Les prochaines étapes consistent à découvrir comment les améliorations du flux sanguin améliorent la fonction des neurones dans le cerveau. Mais pour réaliser ces expériences, nous avions besoin de nouvelles capacités par rapport à ce qui existait auparavant dans le monde"
Il y a une dizaine d'années, les chercheurs ont commencé à installer des écrans de projection encombrants - et assez coûteux - pour permettre aux souris de naviguer dans des environnements de réalité virtuelle, mais ces appareils sont souvent encombrants, et la pollution lumineuse et le bruit qui en résultent peuvent perturber les expériences.
"Plus nous pouvons rendre cette tâche comportementale immersive, plus nous pourrons étudier une fonction cérébrale de manière naturelle", a déclaré M. Schaffer.
Isaacson, qui avait déjà conçu des systèmes d'affichage pour les mouches des fruits, a entrepris d'assembler une installation de RV stationnaire qui serait plus simple mais encore plus immersive, afin que les souris puissent apprendre plus rapidement. Il s'est avéré que bon nombre des composants dont il avait besoin - écrans et lentilles minuscules - étaient déjà disponibles dans le commerce.
"Le projet a bénéficié de l'éthique des hackers, qui consiste à prendre des pièces conçues pour autre chose et à les appliquer à un nouveau contexte", explique M. Isaacson. "Il s'est avéré que l'écran de taille parfaite pour un casque de RV à souris était déjà pratiquement fabriqué pour les montres intelligentes. Nous avons eu la chance de ne pas avoir à construire ou à concevoir quoi que ce soit à partir de zéro, nous avons pu facilement trouver toutes les pièces bon marché dont nous avions besoin."
Les lunettes ne sont pas portables au sens traditionnel du terme. Une souris se tient sur un tapis roulant, la tête fixée en place, et regarde dans une paire d'oculaires. Les modèles d'activité neuronale de la souris peuvent ensuite être imagés par fluorescence.
En collaboration avec le laboratoire d'Ellwood, l'équipe a effectué une batterie de tests sur des souris bégoguées. Sur le plan neurologique, ils ont examiné deux régions clés du cerveau de la souris : le cortex visuel primaire, pour s'assurer que les lunettes forment des images nettes et contrastées sur la rétine, et l'hippocampe, pour confirmer que le cerveau de la souris réussit à cartographier son environnement virtuel. D'autres tests étaient plus orientés vers la technologie, pour voir si les écrans des lunettes se mettaient à jour rapidement et réagissaient aux mouvements de la souris.
Et surtout, les chercheurs devaient observer comment les souris se comportaient dans leurs nouvelles lunettes. L'un des tests les plus efficaces a consisté à faire croire à une souris qu'une tache sombre en expansion s'approchait d'elle.
"Lorsque nous avons effectué ce type de test dans une configuration VR classique avec de grands écrans, les souris n'ont pas réagi du tout", explique M. Isaacson. "Mais presque toutes les souris, la première fois qu'elles le voient avec les lunettes, sursautent. Elles ont une énorme réaction de surprise. Elles semblent vraiment penser qu'elles sont attaquées par un prédateur imminent"
Les chercheurs ont reçu une contribution inattendue lorsqu'ils ont soumis leurs résultats à Nature Methods. Un évaluateur anonyme a poussé les chercheurs à ajouter un ensemble de caméras dans chaque œil, afin d'enregistrer les pupilles de la souris et de vérifier l'engagement et l'excitation de l'animal.
Cette demande était à la fois une tâche difficile et une bénédiction fortuite.
"Ils nous ont mis au défi de faire quelque chose de vraiment difficile et de le faire fonctionner", a déclaré M. Schaffer. "Au cours de l'année écoulée, trois articles ont été publiés sur les lunettes de réalité virtuelle pour souris. Vous savez, le terrain était mûr pour que cela se produise. Mais nous sommes les seuls à disposer d'une pupillométrie et d'un suivi des yeux, et c'est une capacité essentielle pour une grande partie des neurosciences"
Les chercheurs souhaitent poursuivre le développement des lunettes, avec une version légère et mobile pour les rongeurs de plus grande taille, tels que les musaraignes et les rats, qui pourrait inclure une batterie et un système de traitement embarqué. M. Schaffer envisage également la possibilité d'intégrer d'autres sens, tels que le goût et l'odorat, dans l'expérience de la réalité virtuelle.
"Je pense que la réalité virtuelle à cinq sens pour les souris est une direction à prendre pour les expériences", a-t-il déclaré, "lorsque nous essayons de comprendre ces comportements vraiment compliqués, où les souris intègrent des informations sensorielles, comparent l'opportunité avec des états motivationnels internes, comme le besoin de repos et de nourriture, et prennent ensuite des décisions sur la façon de se comporter"
Les coauteurs sont Rick Zirkel, étudiant en doctorat, Laura Berkowitz, chercheuse postdoctorale, Yusol Park '22 et Danyu Hu '22.
La recherche a été soutenue par le programme Cornell Neurotech Mong Family Fellowship, le programme de bourses de recherche sur la maladie d'Alzheimer de la BrightFocus Foundation, la Brain and Behavior Research Foundation et les National Institutes of Health (Instituts nationaux de la santé).
