私、シュシュもVRヘッドセットを持っています！コーネル大学の研究者らがマウスの頭蓋骨を開き、脳と行動の没入型研究を行っている。

最近、マウスの世界でも仮想現実の時代が到来しました。

はい、すべての人間が VR ヘッドセットを持っているわけではありませんが、マウスは持っています。

最近、コーネル大学の研究者らは、マウス専用の「MouseGoggles」と呼ばれる没入型仮想現実ヘッドセットを開発しました。

MouseGoggles は、仮想線形トラックや視覚刺激などの高性能 VR シーンを生成できます。

このようにして、研究者は仮想現実環境でマウスに視覚刺激や行動訓練などの実験を実施し、マウスの脳機能や行動反応をより深く研究することができます。

さらに、研究者らは2光子カルシウムイメージングと海馬電気生理学実験を用いてメガネの設計の機能性を検証し、その後、マウスに対して仮想直線軌道行動訓練実験と近似視覚刺激行動実験を実施しました。

マウスヘッドセット、サイズが小さい

では、マウスが装着するヘッドセットはどのようなものなのでしょうか?

大きさは私たち人間とほぼ同じで、少しだけ小さいです。

このマウス ヘッドセットはマウスの頭に固定され、広い視野で独立した両眼視覚刺激を提供します。

この研究では、マウスは海馬の記録、連合報酬学習、生来の恐怖反応を使用して、没入型 VR 体験を受けました。

オープンソースシステムのシンプルさ、極めて低いコスト、ヘッドセットのコンパクトなサイズは、VR が今後神経科学に広く採用される可能性があることを示唆しています。

つまり、これからはすべてのマウスが VR ヘッドセットを装着できるようになるかもしれません!

マウス専用パノラマVR

もちろん、マウス用の VR ヘッドセットを設計するのは想像するほど簡単ではありません。

実験動物に VR ヘッドセットを導入するには、複雑な認知タスクの背後にある神経プロセスを記録できる頭部固定型デバイスが必要です。

VR では、実験者がマウスの視覚体験を完全に制御し、現実世界の実験では不可能な操作を実行できるようにする必要があります。

従来の VR は、マウスの被写界深度内に収まるようにマウスの目から 10 ～ 30 cm 離れた位置に配置されたプロジェクター スクリーンまたは LED ディスプレイ アレイで構成されるパノラマ ディスプレイに依存しています。

これには、マウスよりも数桁大きいディスプレイ画面が必要であり、その結果、複数の神経記録設定に統合することが困難な、複雑でコストがかかり、光害が発生しやすいシステムになります。

さらに、固定された実験装置（カメラ、舐め口、顕微鏡の対物レンズなど）はマウスの視野を遮り、仮想環境への没入感を低下させる可能性があります。

どうすればいいですか？研究者たちは、人間の VR ソリューションにインスピレーションを得ました。

図 1a に示すように、研究者は小さな円形ディスプレイと短焦点フレネルレンズを使用して、マウスの目の生理機能に適した接眼レンズを設計しました。

レンズによるディスプレイ画面の球面変形により、マウスの各目の角度解像度はほぼ一定となり、1 度あたり 1.57 ピクセル (ppd)、ナイキスト周波数は 1 度あたり 0.78 サイクル (cpd) となりました。

これはマウスの視覚における空間認識力0.5cpdよりわずかに高く、視野（FOV）は140(o)をカバーします（図1b-c）。

光学設計により、ディスプレイ画面はマウスの視覚に最適な焦点距離である無限遠焦点に近づきます (図 1d)。

このシステムのユニークな点は、各目の表示内容を個別に制御でき、ヘッドホン間の距離を調整して頭上の刺激をより大きくできることです。

これは何の役に立つのですか?

ご存知のように、このような俯瞰的な刺激は、動物が狩りをするときの感覚を非常によく再現しており、動物にとって非常に重要なのです。

これにより、パノラマ VR の制限も克服されます。

研究者らは、接眼ディスプレイ用の画像とビデオを生成するために、2 つの制御システムを設計しました。

1 つ目は、単一のディスプレイを高速マイクロコントローラに接続するもので、視覚神経科学で一般的に使用される単純な単眼視覚刺激実験に適しています (図 1f、左)。

2 番目の方法では、新しい分割画面ディスプレイ ドライバーを使用して、2 つのモニターを Raspberry Pi 4 に接続します (図 1f、右)。

研究者たちは、ビデオゲームエンジン Godot を使用して、3D 環境を迅速に構築し、実験例を記述し、フレームごとの同期を通じて外部デバイスとの低遅延の入出力通信を実行しました。

MouseGoggles は、双眼鏡ビューポートとカスタム シェーダーを使用して、Godot 3D 環境を接眼レンズにマッピングします (図 1g)。これにより、入力から表示までの遅延が 130 ミリ秒未満で、80 fps の高性能 VR シーンを生成できます。

Raspberry Pi を接眼レンズから分離することで、単眼および双眼ディスプレイ システム全体を、ヘッドセットのフォーム ファクタが小さくなる 3D プリント部品で構成された単一のハウジングに収納できます。

仕組み

では、マウス専用に設計されたこの VR ヘッドセットの性能はどのようなものでしょうか?

その機能を検証するために、研究者らはマウスに麻酔をかけ、頭を固定し、視覚刺激を与えた。

このプロセス中に、視覚皮質の2光子カルシウムイメージングが実行されました。

単眼ディスプレイは青色刺激を利用してV1ニューロンを興奮させており、V1 L2/3ニューロンの刺激調整特性は従来のディスプレイを使用した場合とほぼ同じであると計算できます。

結果は、ディスプレイがマウスの視覚システム向けに焦点の合った高コントラストの画像を生成できることを示しました。

つまり、頭が固定されたマウスに対して、MouseGoggles は仮想空間の情報を効果的に伝達できるのです。

ネズミは従順ですか？

では、VR ヘッドセットを装着するとマウスの行動を制御できるのでしょうか?

VRヘッドセットを通じて人間がマウスの行動を調整する能力を評価するために、研究者らは5日間にわたってマウスに線形トラック位置学習の訓練を行った。

図 3a に示すように、マウスが特定の仮想位置を舐めると、液体の報酬を受け取ります。

案の定、4日目と5日目には、マウスは報酬エリアを舐めることを明らかに好むようになりました。

これは、VR での空間学習がマウスにとって効果的であることを示しています。

さらに、VR ヘッドセットは、無関係で矛盾する視覚刺激を効果的に遮断できるため、パノラマ ディスプレイよりもマウスを仮想環境に没入させることができるという利点があります。

このより没入感のある VR ヘッドセットがマウスの生来の行動反応を引き出すことができるかどうかを調べるために、研究者らはヘッドセットを装着したことのないマウスに大きな視覚刺激を提示しました (図 3e)。

ヘッドセットを装着したマウスのほぼすべてが驚愕反応（急激なジャンプ、脚の蹴り、背中の反り、尻尾の巻き込み）を示しました。

従来のプロジェクターベースの VR システムでほぼ同じ実験を行ったところ、マウスはすぐには恐怖を感じませんでした。

要約すると、パノラマ ディスプレイ システムと比較して、この VR ヘッドセットは、従来のマウス神経科学および行動実験を可能にするだけでなく、頭部固定による生来の行動に関する新しい実験への扉を開きます。

次に、マルチ感覚 VR、瞳孔追跡、自由歩行 VR などのマウス VR 技術をさらに向上させ、ヘッドセットをますます小型化することができます。

VRを着用したいなら、まず頭蓋骨を開く必要がある

しかし、実験用ラットになるのはそれほど簡単ではありません。上記の実験を行うには、マウスに何らかの「変化」を起こさなければなりません。

頭部を固定するために、まずマウスをイソフルランで麻酔しました。

鎮痛剤を注射した後、頭皮を消毒し、研究者らは頭蓋骨の矢状線に沿って12～15ミリの小さな切開を加え、頭蓋骨を十分に露出させる。

次にメスを頭蓋骨の表面に沿って動かし、骨膜を除去します。頭蓋骨が完全に乾燥したら、研究者は厚い層の接着剤を塗布します。

この接着剤の上に特注のチタン製ヘッドプレートを載せます。

その後、マウスはケージに戻され、加熱パッドの上に置かれ、VR実験に参加する前に少なくとも1週間は回復しました。

つまり、VR を装着したい場合は、まず頭蓋骨を切開する手術を受けなければなりませんが、これはマウスにとって容易なことではありません。