생쥐를 위한 몰입형 VR 고글로 뇌 과학의 새로운 잠재력 열어

노스웨스턴 대학 연구진이 쥐를 위한 새로운 가상현실(VR) 고글을 개발했습니다.

귀여운 것 외에도 이 소형 고글은 실험실 환경에 사는 쥐에게 더욱 몰입감 있는 경험을 제공합니다. 자연 환경을 보다 충실하게 시뮬레이션함으로써 연구자들은 행동의 기초가 되는 신경 회로를 보다 정확하고 정밀하게 연구할 수 있습니다.

단순히 컴퓨터나 프로젝션 스크린으로 마우스를 둘러싸는 현재의 최첨단 시스템에 비해 새로운 고글은 한 단계 더 발전했습니다. 현재 시스템에서는 쥐가 여전히 화면 뒤에서 실험실 환경을 엿볼 수 있으며 화면의 평면 특성으로 인해 3차원(3D) 깊이를 전달할 수 없습니다. 또 다른 단점으로, 연구자들은 다가오는 맹금류와 같은 머리 위의 위협을 시뮬레이션하기 위해 쥐의 머리 위에 스크린을 쉽게 장착할 수 없었습니다.

새로운 VR 고글은 이러한 모든 문제를 우회합니다. 그리고 VR의 인기가 높아짐에 따라 고글은 연구자들이 현재 거의 이해되지 않는 영역인 반복적인 VR 노출에 인간의 뇌가 어떻게 적응하고 반응하는지에 대한 새로운 통찰력을 수집하는 데 도움이 될 수 있습니다.

해당 연구는 금요일(12월 8일) 저널에 게재될 예정입니다. 뉴런. 연구원들이 머리 위 위협을 시뮬레이션하기 위해 VR 시스템을 사용한 것은 이번이 처음입니다.

이번 연구의 수석 저자인 Northwestern의 Daniel Dombeck은 “지난 15년 동안 우리는 쥐에게 VR 시스템을 사용해 왔습니다.”라고 말했습니다. “지금까지 실험실에서는 동물을 둘러싸기 위해 대형 컴퓨터나 프로젝션 스크린을 사용해 왔습니다. 인간에게 이것은 거실에서 TV를 보는 것과 같습니다. 여전히 소파와 벽이 보입니다. 주변에는 다음과 같은 신호가 있습니다. 당신은 장면 안에 있지 않습니다. 이제 전체 시야를 차지하는 Oculus Rift와 같은 VR 고글을 착용하는 것을 생각해 보세요. 투영된 장면 외에는 아무것도 볼 수 없으며, 서로 다른 장면이 각 눈에 투영되어 깊이를 만듭니다. 정보입니다. 쥐에게는 그게 빠졌어요.”

Dombeck은 노스웨스턴 와인버그 예술과학대학의 신경생물학 교수입니다. 그의 연구실은 동물 연구를 위한 VR 기반 시스템과 고해상도 레이저 기반 이미징 시스템 개발 분야의 선두주자입니다.

VR의 가치

연구자들이 자연에서 동물을 관찰할 수 있지만, 동물이 현실 세계에 참여하는 동안 실시간 뇌 활동의 패턴을 이미지화하는 것은 엄청나게 어렵습니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 연구자들은 VR을 실험실 환경에 통합했습니다. 이러한 실험 설정에서 동물은 런닝머신을 사용하여 주변 화면에 투사되는 가상 미로와 같은 장면을 탐색합니다.

자연 환경이나 물리적 미로를 통과하는 대신 마우스를 런닝머신 위에 유지함으로써 신경생물학자들은 도구를 사용하여 마우스가 가상 공간을 횡단할 때 뇌를 보고 매핑할 수 있습니다. 궁극적으로 이는 연구자들이 다양한 행동 중에 활성화된 신경 회로가 정보를 인코딩하는 방법에 대한 일반적인 원리를 파악하는 데 도움이 됩니다.

“VR은 기본적으로 실제 환경을 재현합니다.”라고 Dombeck은 말했습니다. “우리는 이 VR 시스템으로 많은 성공을 거두었지만 동물들이 실제 환경만큼 몰입하지 못할 수도 있습니다. 쥐가 화면에 주의를 기울이게 하려면 많은 훈련이 필요합니다. 그리고 그들 주변의 연구실은 무시하세요.”

iMRSIV 소개

최근 하드웨어 소형화가 발전함에 따라 Dombeck과 그의 팀은 실제 환경을 더욱 충실하게 복제할 수 있는 VR 고글을 개발할 수 있을지 궁금해했습니다. 맞춤 디자인된 렌즈와 소형 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이를 사용해 컴팩트한 고글을 만들었습니다.

iMRSIV(Miniature Rodent Stereo Illumination VR)라고 불리는 이 시스템은 2개의 렌즈와 2개의 스크린으로 구성됩니다. 머리의 각 측면에 하나씩 3D 비전을 위해 각 눈을 개별적으로 조명합니다. 이는 각 눈에 마우스를 완전히 몰입시키고 주변 환경을 배제하는 180도 시야를 제공합니다.

인간용 VR 고글과 달리 iMRRSIV(“몰입형”으로 발음) 시스템은 마우스 머리를 감싸지 않습니다. 대신 고글은 실험 장치에 부착되어 마우스 얼굴 바로 앞에 밀착됩니다. 마우스가 런닝머신 위에서 움직이기 때문에 고글은 여전히 ​​마우스의 시야를 가리고 있습니다.

“우리는 고글용 맞춤형 홀더를 설계하고 제작했습니다”라고 Dombeck 연구실의 박사후 연구원이자 연구 공동 제1저자인 John Issa가 말했습니다. “전체 광학 디스플레이(스크린과 렌즈)가 마우스 주위로 쭉 이동합니다.”

훈련 시간 단축

쥐의 뇌 지도를 작성함으로써 Dombeck과 그의 팀은 고글을 착용한 쥐의 뇌가 자유롭게 움직이는 동물과 매우 유사한 방식으로 활성화된다는 것을 발견했습니다. 그리고 나란히 비교한 결과, 연구원들은 고글을 착용한 쥐가 기존 VR 시스템을 사용하는 쥐보다 장면에 훨씬 더 빠르게 참여한다는 사실을 발견했습니다.

“우리는 과거에 했던 것과 같은 종류의 훈련 패러다임을 겪었지만 고글을 쓴 쥐들은 더 빨리 배웠습니다”라고 Dombeck은 말했습니다. “첫 번째 세션 후에 그들은 이미 작업을 완료할 수 있었습니다. 그들은 어디로 달려야 할지 알고 보상을 받을 적절한 장소를 찾았습니다. 우리는 그들이 환경에 더 자연스럽게 참여할 수 있기 때문에 실제로 많은 훈련이 필요하지 않을 것이라고 생각합니다. ”

처음으로 오버헤드 위협 시뮬레이션

다음으로 연구원들은 고글을 사용하여 이전 시스템에서는 불가능했던 머리 위의 위협을 시뮬레이션했습니다. 이미징 기술을 위한 하드웨어는 이미 마우스 위에 있기 때문에 컴퓨터 화면을 장착할 곳이 없습니다. 그러나 쥐 위의 하늘은 동물이 종종 중요한 정보(때로는 생사를 결정하는 정보)를 찾는 영역입니다.

공동 제1저자인 Dombeck 연구실의 연구 전문가인 Dom Pinke는 “쥐의 시야 상단은 새와 같은 위에서 포식자를 감지하는 데 매우 민감합니다.”라고 말했습니다. “이것은 학습된 행동이 아니라 각인된 행동입니다. 이는 쥐의 뇌 내부에 연결되어 있습니다.”

다가오는 위협을 만들기 위해 연구원들은 고글 상단과 쥐의 시야 상단에 어둡고 팽창하는 디스크를 투사했습니다. 실험에서 쥐는 디스크를 발견하자마자 더 빨리 달리거나 얼어붙었습니다. 두 가지 행동 모두 오버헤드 위협에 대한 일반적인 대응입니다. 연구자들은 이러한 반응을 자세히 연구하기 위해 신경 활동을 기록할 수 있었습니다.

Issa는 “미래에는 쥐가 먹이가 아니라 포식자인 상황을 살펴보고 싶습니다”라고 말했습니다. “예를 들어 파리를 쫓는 동안 뇌 활동을 관찰할 수 있습니다. 그 활동에는 많은 깊이 인식과 거리 추정이 포함됩니다. 이것이 바로 우리가 포착할 수 있는 것입니다.”

신경생물학을 접근 가능하게 만들기

더 많은 연구를 위한 문을 여는 것 외에도 Dombeck은 고글이 새로운 연구자에게 문을 열어주기를 바랍니다. 고글은 상대적으로 저렴하고 덜 집중적인 실험실 설정이 필요하기 때문에 신경생물학 연구에 더 쉽게 접근할 수 있을 것이라고 그는 생각합니다.

“전통적인 VR 시스템은 꽤 복잡합니다”라고 Dombeck은 말했습니다. “비싸고 크기도 큽니다. 공간이 많은 큰 실험실이 필요합니다. 게다가 쥐가 작업을 수행하도록 훈련시키는 데 오랜 시간이 걸리면 실험 횟수가 제한됩니다. 할 수 있습니다. 우리는 여전히 개선을 위해 노력하고 있지만 우리 고글은 작고 상대적으로 저렴하며 사용자 친화적이기도 합니다. 이를 통해 VR 기술을 다른 연구실에서 더 많이 사용할 수 있게 될 것입니다.”

“생쥐를 위한 전체 시야 가상 현실 고글”이라는 연구는 국립 보건원(수상 번호 R01-MH101297), 국립 과학 재단(수상 번호 ECCS-1835389), Hartwell 재단 및 뇌 및 행동 연구 재단.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231208133129.htm