Las gafas MouseGoggles ofrecen una visión inmersiva de la actividad neuronal
Gracias a su composición genética, su capacidad para navegar por laberintos y su disposición a trabajar a cambio de queso, los ratones han sido durante mucho tiempo un modelo de referencia para los estudios conductuales y neurológicos. Y ahora, van a colaborar con gafas de RV.
Por David Nutt / Cornell University
Los investigadores de Cornell construyeron minigafas de realidad virtual para sumergir más profundamente a los ratones en entornos virtuales que pueden ayudar a revelar la actividad neural que informa sobre la navegación espacial y la función de la memoria.
En los últimos años, los investigadores han explorado nuevos horizontes en el campo de la realidad virtual (RV). En esta línea, un equipo de la Universidad de Cornell, en Estados Unidos, ha desarrollado unos auriculares de RV en miniatura que permiten sumergirse aún más profundamente en esta tecnología.
Conocidos como MouseGoggles —un nombre tan encantador como sugiere—, estos dispositivos fueron diseñados utilizando componentes de bajo coste y fácil acceso, como pantallas de relojes inteligentes y diminutas lentes. Estas gafas ofrecen estimulación visual en un amplio campo de visión, al tiempo que monitorizan los movimientos oculares de los ratones y registran los cambios en el tamaño de sus pupilas.
Esta innovadora tecnología tiene el potencial de desentrañar la actividad neuronal asociada con la navegación espacial y las funciones de la memoria, lo que podría aportar valiosos conocimientos para el estudio de trastornos como la enfermedad de Alzheimer y el desarrollo de posibles tratamientos.
Herramientas de investigación simples y económicas
El estudio, publicado en la revista Nature Methods, fue liderado por Chris Schaffer, profesor de Ingeniería Biomédica en Cornell Engineering, e Ian Ellwood, profesor de Neurobiología y Comportamiento en la Facultad de Artes y Ciencias. Los autores principales son Matthew Isaacson, investigador posdoctoral, y Hongyu Chang, estudiante de doctorado.
«Es una oportunidad poco común poder diseñar herramientas que no solo sean experimentalmente más potentes que la tecnología actual, sino también más simples y económicas de construir —señala Isaacson. Y añade—: Estamos proporcionando a la neurociencia un poder experimental significativamente mayor, y lo hacemos mediante una versión más accesible de la tecnología, lo que permitirá que muchos más laboratorios puedan utilizarla».
El laboratorio de Schaffer, que codirige junto a Nozomi Nishimura, profesora de Ingeniería Biomédica, se especializa en desarrollar herramientas y técnicas ópticas que, combinadas con otras metodologías, permiten investigar los mecanismos moleculares y celulares responsables de la pérdida de funciones en enfermedades neurodegenerativas.
Mejorar el flujo sanguíneo en el cerebro
Una de sus líneas de investigación más destacadas se centra en las reducciones inexplicables del flujo sanguíneo cerebral en ratones con enfermedad de Alzheimer. Mediante el desbloqueo de capilares obstruidos y la mejora del flujo sanguíneo, los investigadores han demostrado que la función de la memoria en estos ratones puede mejorar en cuestión de horas.
«Fue increíblemente emocionante desde la perspectiva de pensar: ‘Oye, tal vez haya algo que podamos hacer para recuperar funciones cognitivas en la enfermedad de Alzheimer’ —comenta Schaffer. Y continúa—: El siguiente paso es entender cómo las mejoras en el flujo sanguíneo contribuyen a optimizar la función neuronal en el cerebro. Pero para realizar esos experimentos, necesitábamos capacidades que superaran lo que estaba disponible anteriormente».
Hace aproximadamente una década, los investigadores comenzaron a utilizar pantallas de proyector voluminosas y costosas para permitir que los ratones se desplazaran por entornos de realidad virtual. Sin embargo, estos sistemas suelen ser incómodos, y la contaminación lumínica y acústica que generan puede interferir en los experimentos.
Ratones en RV
«Cuanto más inmersiva sea la tarea conductual, más natural será la función cerebral que podemos estudiar» señala Schaffer.
Isaacson, quien ya había diseñado sistemas de visualización para moscas de la fruta, decidió desarrollar un sistema de realidad virtual estacionario más simple pero aún más inmersivo, con el objetivo de acelerar el aprendizaje de los ratones. Afortunadamente, muchos de los componentes que necesitaba —como pantallas y lentes diminutas— ya estaban disponibles en el mercado.
«Definitivamente, esto se benefició de una mentalidad hacker, de tomar piezas diseñadas para otros propósitos y adaptarlas a un nuevo contexto —comenta Isaacson. Y añade—: Resulta que el tamaño de pantalla ideal para un casco de realidad virtual para ratones es casi idéntico al de las pantallas fabricadas para relojes inteligentes. Tuvimos la suerte de no tener que construir o diseñar nada desde cero; fue fácil reunir todas las piezas baratas que necesitábamos».
El córtex visual primario y el hipocampo
Las gafas no son portátiles en el sentido tradicional. Un ratón se coloca en una cinta, con la cabeza fija en su sitio, y mira por un par de oculares. A continuación, se pueden obtener imágenes fluorescentes de los patrones de actividad neuronal del ratón.
En colaboración con el laboratorio de Ellwood, el equipo realizó una serie de pruebas con ratones begoggled. En el plano neurológico, examinaron dos regiones clave del cerebro del ratón: el córtex visual primario, para asegurarse de que las gafas forman imágenes nítidas y de alto contraste en la retina; y en el hipocampo, para confirmar que el cerebro del ratón está cartografiando con éxito su entorno virtual.
Otras pruebas estaban más orientadas a la tecnología, para comprobar si las pantallas de las gafas se actualizaban con rapidez y respondían a los movimientos del ratón.
Imagen conceptual de ratones con gafas de RV en un laboratorio de neurociencias.
Gravando las pupilas del roedor
Y lo más importante, los investigadores necesitaban observar cómo se comportaban los ratones con su nuevo equipo. Una de las pruebas más efectivas fue engañar a un ratón para que creyera que una mancha oscura en expansión se les acercaba.
«Cuando intentamos este tipo de prueba en el típico sistema de VR con grandes pantallas, los ratones no reaccionaban en absoluto —comenta Isaacson—. Pero casi cada ratón, la primera vez que lo ve con las gafas, salta. Tienen una reacción de sobresalto enorme. Realmente parecían pensar que estaban siendo atacados por un depredador amenazante».
Los investigadores recibieron una aportación inesperada al presentar sus hallazgos en la revista Nature Methods: un revisor anónimo les sugirió añadir un conjunto de cámaras en cada lente que permitiera grabar las pupilas del ratón y medir su compromiso y nivel de excitación durante los experimentos.
Además de la vista, el gusto y el olfato
La sugerencia resultó ser tanto un desafío técnico como una oportunidad afortunada.
«Nos retaron a hacer algo realmente complejo y a lograr que todo funcionara en conjunto —dice Schaffer. Y añade—: En el último año, se han publicado tres artículos sobre gafas de realidad virtual para ratones. El campo estaba claramente listo para este avance. Pero somos los únicos que integramos pupilometría y seguimiento ocular, y eso es una capacidad crucial para gran parte de la neurociencia».
El equipo planea seguir perfeccionando las gafas, y desarrollar una versión más ligera y portátil para roedores más grandes, como las ratas, y musarañas que incluya una batería y procesamiento integrado. Además, Schaffer vislumbra la posibilidad de enriquecer la experiencia de realidad virtual al incorporar otros sentidos, como el gusto y el olfato.
«Creo que la realidad virtual de cinco sentidos para ratones es una dirección a seguir para los experimentos —propone Schaffer—. Con ellos estamos tratando de entender estos comportamientos realmente complicados, donde los ratones están integrando información sensorial, comparando la oportunidad con estados motivacionales internos, como la necesidad de descanso y comida, y luego tomando decisiones sobre cómo comportarse». ▪️
Información facilitada por la Universidad de Cornell
Fuente: Isaacson, M., Chang, H., Berkowitz, L. et al. MouseGoggles: an immersive virtual reality headset for mouse neuroscience and behavior. Nature Methods (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41592-024-02540-y
