マウス用没入型VRゴーグル、脳科学の新たな可能性を解き放つ

February, 8, 2024, Evanston--ノースウェスタン大学(Northwestern University)の研究者は、マウス用の新しいバーチャルリアリティ(VR)ゴーグルを開発した。

このミニチュアゴーグルは、かわいいだけでなく、実験室で暮らすマウスに、より没入感のある体験を提供する。自然環境をより忠実に再現することで、行動の根底にある神経回路をより正確かつ精密に研究することができる。

マウスをコンピュータやプロジェクションスクリーンで囲むだけの現在の最先端システムと比較して、新しいゴーグルは飛躍的な進歩をもたらす。現行システムでは、マウスはスクリーンの後ろから覗くラボ環境を見ることができるが、スクリーンの平面的な性質は3次元(3D)の奥行きを伝えることはない。もう一つの欠点は、研究者がマウスの頭上にスクリーンを簡単に取り付けて、迫り来る猛禽類などの頭上の脅威をシミュレートできないことである。

新しいVRゴーグルは、これらの問題をすべて回避する。また、VRが普及するにつれ、このゴーグルは、人間の脳がVRへの繰り返し曝露にどのように適応し、反応するかについて、研究者が新たな洞察を得るのに役立つ可能性がある。

研究成果は、学術誌「Neuron」に掲載された。研究者がVRシステムを使用して頭上の脅威をシミュレートするのはこれが初めてである。

「過去 15 年間、われわれはマウスに VR システムを使用してきた」と、この研究の主任著者であるノースウェスタン大学のDaniel Dombeckは話している。「これまでの研究室では、大型のコンピュータやプロジェクションスクリーンを使って動物を取り囲んでいた。人間にとって、これはリビングでテレビを見ているようなものである。人はまだソファや壁を見る。周りには、見る人がシーンの中にいないことを告げる手がかりがある。次に、Oculus Riftのように、視界全体を取り込むVRゴーグルを装着することを考えてみる。投影されたシーン以外は何も見えず、異なるシーンがそれぞれの目に投影され、奥行き情報が作成される。それがネズミに欠けていたのである」

Dombeckは、ノースウェスタン大学のワインバーグ芸術科学大学の神経生物学教授。同氏の研究室は、動物研究用のVRベースのシステムと高解像度のレーザベースのイメージングシステムの開発をリードしている。

VRの価値
研究者は自然界の動物を観察することはできるが、動物が現実世界と関わっている間、リアルタイムの脳活動のパターンを画像化することは極めて難しい。この課題を克服するために、研究チームはVRを実験室に統合した。これらの実験設定では、動物がトレッドミルを使用して、周囲のスクリーンに投影された仮想迷路などのシーンをナビゲートする。

神経生物学者は、マウスを自然環境や物理的な迷路の中を走らせるのではなく、トレッドミルの所定の位置に置いておくことで、マウスが仮想空間を横断する際の脳を表示およびマッピングするためのツールを使用できる。究極的には、活性化された神経回路が様々な行動の中でどのように情報をエンコードするかについての一般原理を研究者が把握するのに役立つ。

「VR は基本的に現実の環境を再現する。この VR システムには多くの成功を収めているが、動物は現実の環境にいるときほど没入していない可能性がある。マウスに画面に注意を向けさせ、周囲の研究室を無視させるだけでも、かなりの訓練が必要になる」(Dombeck)。

iMRSIVの紹介
近年、ハードウェアの小型化が進んでいることから、Dombeckとチームは、現実の環境をより忠実に再現するVRゴーグルを開発できないかと考えた。カスタム設計のレンズと小型のOLEDディスプレイを使用して、コンパクトなゴーグルを作成した。

ミニチュア𪘂歯類ステレオイルミネーションVR(iMRSIV)と呼ばれるこのシステムは、2つのレンズと2つのスクリーンで構成されており、頭の両側に1つずつ、3Dビジョンのために各目を個別に照らす。これにより、各目に 180°の視野が提供されて、マウスが完全に没頭し、周囲の環境が排除される。

人間のVRゴーグルとは異なり、iMRSIV(immersive「没入型」)システムはマウスの頭に巻き付けない。代わりに、ゴーグルは実験装置に取り付けられ、マウスの顔の真正面にぴったりとまる。マウスはトレッドミルの所定の位置で動作するため、ゴーグルはマウスの視野をカバーする。

「われわれは、ゴーグル用のカスタムホルダを設計し、製作した。光学ディスプレイ全体(画面とレンズ)は、マウスの周りをぐるりと一周している」と、Dombeckの研究室のポスドク研究員、研究の共同筆頭著者John Issaは話している。

トレーニング時間短縮
マウスの脳をマッピングすることで、Dombeckとチームは、ゴーグルを装着したマウスの脳が、自由に動く動物と非常によく似た方法で活性化されることを発見した。また、並べて比較したところ、ゴーグルを装着したマウスは、従来のVRシステムを搭載したマウスよりもはるかに速くシーンに関与することに気付いた。

「われわれは、これまで行ってきたのと同じ種類のトレーニングパラダイムを経験したが、ゴーグルを付けたマウスはより早く学習した。最初のセッションの後、マウスはすでにタスクを完了することができた。マウスはどこを走ればいいかを知っており、報酬を求めて適切な場所を探した。マウスはより自然な方法で環境と関わることができるので、実際にはそれほど多くのトレーニングは必要ないかも知れない」(Dombeck)。

オーバーヘッド脅威の初のシミュレーション
次に、研究チームはゴーグルを使って、これまで現在のシステムでは不可能だった頭上の脅威をシミュレートした。イメージング技術用のハードウェアは既にマウスの上に配置されているため、コンピュータ画面をマウントする場所がない。しかし、マウスの上空は、動物が重要な情報(時には生死を分ける情報)を探すことが多い場所である。

「マウスの視野の上部は、鳥のように上からの捕食者を検出するのに非常に敏感である。それは学習された行動ではない。刷り込まれた振る舞いである。マウスの脳内に配線されているのである」と、共同筆頭著者でDombeckの研究室の研究専門家Dom Pinkeは話している。

迫り来る脅威を作り出すために、チームはゴーグルの上部とマウスの視野の上部に、暗くて膨張する円盤を投影した。実験では、円盤に気づいたマウスは、より速く走るか、フリーズするかのどちらかだった。どちらの動作も、オーバーヘッドの脅威に対する一般的な対応である。チームは、これらの反応を詳細に研究するために、神経活動を記録することができた。

「将来的には、マウスが獲物ではなく捕食者である状況も検討したいと考えている。例えば、ハエを追いかけている間の脳の活動を観察することができる。この行動には、多くの奥行き知覚と距離の推定が含まれる。そういったものを捉え始めることができる」(Issa)。

神経生物学を身近にする
Dombeckは、このゴーグルがさらなる研究への扉を開くだけでなく、新しい研究者への扉を開くことを望んでいる。ゴーグルは比較的安価で、実験室での集中的なセットアップも必要としないため、神経生物学の研究をより身近なものにできると彼は考えている。

「従来の VR システムはかなり複雑だった。高価で、大きい。多くのスペースを持つ大きなラボを必要とする。その上、マウスがタスクを行えるように訓練するのに長い時間がかかると、実行できる実験の数が制限される。まだ改善に取り組んでいるが、ゴーグルは小さく、比較的安価で、かなり使いやすい。これにより、VR技術を他のラボでも利用しやすくなる可能性がある」と Dombeckはコメントしている。