Pesquisadores da Cornell desenvolvem o headset MouseGoggles Duo 3D VR para mouses usando o Raspberry Pi 4
Pesquisadores da Universidade de Cornell criaram o fone de ouvido MouseGoggles Duo 3D VR para ratos de laboratório usando peças impressas em 3D e software de código aberto executado em um Raspberry Pi 4. Os camundongos que usam o Duo veem um mundo virtual de caminhos, obstáculos e recompensas enquanto correm sem parar em cima de uma esteira esférica. O fone de ouvido elimina a necessidade de projetores de vídeo volumosos e labirintos de mouse físicos.
Os camundongos são frequentemente usados em laboratórios de pesquisa para desvendar o funcionamento do cérebro devido à sua rápida adaptabilidade a ambientes desconhecidos e à capacidade de aprendizado rápido. Esses recursos podem ser usados para ajudar os pesquisadores a entender doenças neurodegenerativas, como o Alzheimer, que resultam em perda de memória e controle em humanos. As dificuldades enfrentadas pelos pesquisadores incluem o tempo e o custo de construir labirintos de ratos reais e os desafios de criar uma simulação convincente em realidade virtual.
O headset MouseGoggles Duo foi projetado com esses fatores em mente. O gabinete é impresso em 3D para baixo custo e rápida iteração do projeto. A caixa abriga dois visores circulares de LED de 2,76 cm (1,09 pol.) focalizados por lentes Fresnel de 1,27 cm (0,5 pol.) que proporcionam um amplo campo de visão (FOV) horizontal de 230 graus e vertical de 140 graus. Como o fone de ouvido é bastante grande em comparação com a cabeça, ele é montado na frente do rosto de um rato contido durante os experimentos.
Um Raspberry Pi 4 (SBC) executa simulações em 3D geradas pelo mecanismo de jogo de código aberto Godot de código aberto, executado sobre o sistema operacional Raspberry Pi OS. O sistema é capaz de gerar quadros a 80 fps com uma latência de entrada para exibição abaixo de 130 mseg para atualizações em tela cheia.
Quando os camundongos foram submetidos a testes de RV, como encontrar recompensas, os pesquisadores descobriram que o foco, o posicionamento do objeto de RV e outros fatores do MouseGoggles Duo foram bem comparados aos monitores projetados tradicionalmente. Os cérebros dos camundongos foram monitorados diretamente usando imagens de cálcio de dois fótons do córtex visual e registro eletrofisiológico do hipocampo para capturar dados de validação.
Os leitores que quiserem correr sem parar em mundos de RV podem usar esteiras de RV como a série Kat Walk C2 vendida na Amazon. Aqueles que estão muito cansados de caminhar o dia todo podem relaxar com um par de óculos de realidade aumentada leves, como os óculos Xreal AR vendidos na Amazon. Os leitores que não quiserem levantar um único dedo podem colocar seus nomes na lista de espera do Neuralink de Elon Musk para ter uma interface cérebro-computador (BCI) implantada para que possam jogar e tuitar apenas com seus pensamentos.
Fonte(s)
Os MouseGoggles oferecem uma visão imersiva da atividade neural
Por David Nutt, Cornell Chronicle
18 de dezembro de 2024
Graças à sua composição genética, à sua capacidade de navegar em labirintos e à sua disposição para trabalhar por queijo, os camundongos são há muito tempo um modelo de referência para estudos comportamentais e neurológicos.
Nos últimos anos, eles entraram em uma nova arena - a realidade virtual - e agora os pesquisadores da Cornell construíram fones de ouvido de RV em miniatura para mergulhá-los mais profundamente nela.
Os pesquisadores da Cornell construíram fones de ouvido de RV em miniatura para imergir os ratos mais profundamente em ambientes virtuais que podem ajudar a revelar a atividade neural que informa a navegação espacial e a função da memória.
Os pesquisadores de Cornell criaram fones de ouvido de RV em miniatura para imergir os ratos mais profundamente em ambientes virtuais que podem ajudar a revelar a atividade neural que informa a navegação espacial e a função da memória.
Os MouseGoggles da equipe - sim, eles são tão bonitinhos quanto parecem - foram criados usando componentes de baixo custo e prontos para uso, como telas de smartwatches e lentes minúsculas, e oferecem estímulo visual em um amplo campo de visão enquanto acompanham os movimentos dos olhos do rato e as alterações no tamanho da pupila.
A tecnologia tem o potencial de ajudar a revelar a atividade neural que informa a navegação espacial e a função de memória, proporcionando aos pesquisadores novas percepções sobre distúrbios como a doença de Alzheimer e seus possíveis tratamentos.
A pesquisa, publicada em 12 de dezembro na Nature Methods, foi liderada por Chris Schaffer, professor de engenharia biomédica da Cornell Engineering, e Ian Ellwood, professor assistente de neurobiologia e comportamento da Faculdade de Artes e Ciências. Os principais autores do estudo são o pesquisador de pós-doutorado Matthew Isaacson e o estudante de doutorado Hongyu Chang.
"É uma oportunidade rara, quando se constroem ferramentas, de poder fazer algo que é experimentalmente muito mais poderoso do que a tecnologia atual, e que também é mais simples e mais barato de construir", disse Isaacson. "Isso está trazendo mais poder experimental para a neurociência e é uma versão muito mais acessível da tecnologia, portanto, poderia ser usada por muito mais laboratórios."
O laboratório de Schaffer, que ele dirige com Nozomi Nishimura, professor associado de engenharia biomédica, desenvolve ferramentas e técnicas baseadas em óptica que podem ser usadas, juntamente com outras metodologias, para investigar os mecanismos moleculares e celulares que contribuem para a perda de função em doenças neurodegenerativas. Uma linha de pesquisa específica tem estudado as reduções inexplicáveis no fluxo sanguíneo cerebral em camundongos com a doença de Alzheimer. Ao desbloquear pequenos capilares e aumentar esse fluxo, os pesquisadores demonstraram que a função de memória dos camundongos melhora em poucas horas.
"Isso foi muito empolgante do ponto de vista de que talvez haja algo que o senhor possa fazer na doença de Alzheimer para recuperar alguma função cognitiva", disse Schaffer. "As próximas etapas são descobrir como as melhorias no fluxo sanguíneo estão melhorando a função dos neurônios no cérebro. Mas para fazer esses experimentos, precisamos de novos recursos em comparação com o que existia no mundo antes."
Há cerca de uma década, os pesquisadores começaram a montar telas de projeção complicadas - e bastante caras - para que os camundongos pudessem navegar em ambientes de realidade virtual, mas os aparelhos costumam ser desajeitados, e a poluição luminosa e o ruído resultantes podem atrapalhar os experimentos.
"Quanto mais imersiva for a tarefa comportamental, mais naturalista será a função cerebral que estaremos estudando", disse Schaffer.
Isaacson, que já havia projetado sistemas de exibição para moscas-das-frutas, começou a montar uma configuração de RV estacionária que fosse mais simples, mas ainda mais imersiva, para que os camundongos pudessem aprender mais rapidamente. Acontece que muitos dos componentes de que ele precisava - telas minúsculas, lentes minúsculas - já estavam disponíveis comercialmente.
"Definitivamente, ele se beneficiou do espírito hacker de pegar peças que foram criadas para outra coisa e aplicá-las a um novo contexto", disse Isaacson. "O tamanho perfeito da tela, como se vê, para um headset de RV com mouse já é praticamente feito para relógios inteligentes. Tivemos a sorte de não precisar construir ou projetar nada do zero, pois pudemos obter facilmente todas as peças baratas de que precisávamos."
Os óculos de proteção não são vestíveis no sentido tradicional. Um mouse fica em uma esteira, com a cabeça fixa no lugar, enquanto observa um par de peças oculares. Os padrões de atividade neural do camundongo podem então ser visualizados por meio de imagens fluorescentes.
Trabalhando com o laboratório de Ellwood, a equipe realizou uma bateria de testes em camundongos begoggled. Na frente neurológica, eles examinaram duas regiões importantes do cérebro do camundongo: o córtex visual primário, para garantir que os óculos formem imagens nítidas e de alto contraste na retina; e no hipocampo, para confirmar que o cérebro do camundongo está mapeando com sucesso seu ambiente virtual. Outros testes foram mais voltados para a tecnologia, para verificar se os visores dos óculos eram atualizados rapidamente e se respondiam aos movimentos do mouse.
E, o mais importante, os pesquisadores precisavam observar como os ratos se comportavam em seus novos óculos. Um dos testes mais eficazes foi fazer com que o rato acreditasse que uma mancha escura em expansão estava se aproximando dele.
"Quando tentamos esse tipo de teste na configuração típica de RV com telas grandes, os ratos não reagiram de forma alguma", disse Isaacson. "Mas quase todos os camundongos, na primeira vez em que viram a mancha com os óculos de proteção, pularam. Eles têm uma enorme reação de susto. Eles realmente pareciam pensar que estavam sendo atacados por um predador que se aproximava."
Os pesquisadores receberam uma contribuição inesperada quando submeteram suas descobertas à Nature Methods. Um revisor anônimo pressionou os pesquisadores a adicionar um conjunto de câmeras em cada peça ocular que pudesse registrar as pupilas do rato e verificar o envolvimento e a excitação do animal.
A solicitação foi tanto uma tarefa difícil quanto uma bênção fortuita.
"Eles nos desafiaram a fazer algo realmente difícil e fazer tudo funcionar", disse Schaffer. "No último ano, foram publicados três artigos com óculos de RV para camundongos. O senhor sabe, o campo estava maduro para que isso acontecesse. Mas somos os únicos com pupilometria e rastreamento ocular, e esse é um recurso essencial para grande parte da neurociência."
Os pesquisadores estão procurando desenvolver ainda mais os óculos, com uma versão leve e móvel para roedores maiores, como musaranhos e ratos, que pode incluir uma bateria e processamento integrado. Schaffer também vê o potencial de incorporar mais sentidos, como o paladar e o olfato, à experiência de RV.
"Acho que a realidade virtual de cinco sentidos para camundongos é uma direção a ser seguida em experimentos", disse ele, "quando estamos tentando entender esses comportamentos realmente complicados, em que os camundongos estão integrando informações sensoriais, comparando a oportunidade com estados motivacionais internos, como a necessidade de descanso e alimentação, e depois tomando decisões sobre como se comportar"
Entre os coautores estão o estudante de doutorado Rick Zirkel; a pesquisadora de pós-doutorado Laura Berkowitz; e Yusol Park '22 e Danyu Hu '22.
A pesquisa foi apoiada pelo programa Cornell Neurotech Mong Family Fellowship; pelo programa de bolsas de estudo para a doença de Alzheimer da BrightFocus Foundation; pela Brain and Behavior Research Foundation; e pelos Institutos Nacionais de Saúde.
