Grâce à leur constitution génétique, à leur capacité à se frayer un chemin dans des labyrinthes et à leur volonté de travailler pour du fromage, les souris sont depuis longtemps un modèle de référence pour les études comportementales et neurologiques.

Ces dernières années, ils sont entrés dans un nouveau domaine – la réalité virtuelle – et les chercheurs de Cornell ont désormais construit des casques VR miniatures pour les immerger plus profondément dans celui-ci.

Les chercheurs de Cornell ont construit des casques de réalité virtuelle miniatures pour immerger les souris plus profondément dans des environnements virtuels qui peuvent aider à révéler l’activité neuronale qui informe la navigation spatiale et la fonction de mémoire.

Les MouseGoggles de l’équipe – oui, elles sont aussi mignonnes qu’elles le paraissent – ont été créées à l’aide de composants bon marché et disponibles dans le commerce, tels que des écrans de montres intelligentes et de minuscules lentilles, et offrent une stimulation visuelle sur un large champ de vision tout en suivant les mouvements des yeux de la souris et les changements de taille de la pupille.

Cette technologie pourrait permettre de révéler l’activité neuronale qui informe la navigation spatiale et la fonction de mémoire, offrant ainsi aux chercheurs de nouvelles perspectives sur des troubles tels que la maladie d’Alzheimer et ses traitements potentiels.

L’étude, publiée le 12 décembre dans  Nature Methods , a été menée par  Chris Schaffer , professeur d’ingénierie biomédicale à Cornell Engineering, et  Ian Ellwood , professeur adjoint en neurobiologie et comportement au College of Arts and Sciences. Les principaux auteurs de l’étude sont le chercheur postdoctoral Matthew Isaacson et l’étudiante au doctorat Hongyu Chang.

« Il est rare, lorsqu’on conçoit des outils, de pouvoir créer quelque chose qui soit expérimentalement beaucoup plus puissant que la technologie actuelle, et qui soit également plus simple et moins cher à construire », a déclaré Mathew Isaacson. « Cela apporte plus de puissance expérimentale aux neurosciences, et c’est une version beaucoup plus accessible de la technologie, qui pourrait donc être utilisée par beaucoup plus de laboratoires. »

Le laboratoire de Chris Schaffer  , qu’il dirige avec  Nozomi Nishimura , professeure agrégée de génie biomédical, développe des outils et des techniques basés sur l’optique qui peuvent être utilisés, avec d’autres méthodologies, pour étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires qui contribuent à la perte de fonction dans les maladies neurodégénératives. L’un des axes de recherche en particulier a consisté à étudier les réductions inexpliquées du flux sanguin cérébral chez les souris atteintes de la maladie d’Alzheimer. En débloquant de minuscules capillaires et en augmentant ce flux,  les chercheurs ont montré que la fonction de mémoire chez les souris s’améliore en quelques heures.

« C’était très enthousiasmant, car on pouvait peut-être faire quelque chose contre la maladie d’Alzheimer pour rétablir certaines fonctions cognitives », a déclaré Chris Schaffer. « Les prochaines étapes consistent à découvrir comment l’amélioration du flux sanguin améliore la fonction des neurones dans le cerveau. Mais pour réaliser ces expériences, nous avions besoin de nouvelles capacités par rapport à ce qui existait auparavant. »

Il y a une dizaine d’années, les chercheurs ont commencé à installer des écrans de projection encombrants – et assez coûteux – pour que les souris puissent naviguer dans des environnements de réalité virtuelle, mais ces appareils sont souvent encombrants et la pollution lumineuse et le bruit qui en résultent peuvent perturber les expériences.

« Plus nous pouvons rendre cette tâche comportementale immersive, plus la fonction cérébrale que nous allons étudier sera naturaliste », précise Chris Schaffer.

Matthew Isaacson, qui avait déjà conçu des systèmes d’affichage pour les mouches à fruits, s’est mis à assembler une configuration de réalité virtuelle stationnaire plus simple mais encore plus immersive, afin que les souris puissent apprendre plus rapidement. Il s’est avéré que de nombreux composants dont il avait besoin – de minuscules écrans, de minuscules lentilles – étaient déjà disponibles dans le commerce.

« Il a clairement bénéficié de l’esprit hacker qui consiste à prendre des pièces conçues pour autre chose et à les appliquer à un nouveau contexte », assure Chris Isaacson. « Il s’avère que l’écran de taille parfaite pour un casque VR pour souris est déjà pratiquement conçu pour les montres intelligentes. Nous avons eu la chance de ne pas avoir besoin de construire ou de concevoir quoi que ce soit de zéro, nous avons pu facilement nous procurer toutes les pièces bon marché dont nous avions besoin. »

Les lunettes ne sont pas portables au sens traditionnel du terme. Une souris se tient debout sur un tapis roulant, la tête fixée en place, tandis qu’elle regarde dans une paire d’oculaires. Les schémas d’activité neuronale de la souris peuvent alors être imagés par fluorescence.

En collaboration avec le laboratoire d’Ellwood, l’équipe a mené une batterie de tests sur des souris munies de lunettes. Sur le plan neurologique, ils ont examiné deux régions clés du cerveau de la souris : le cortex visuel primaire, pour s’assurer que les lunettes forment des images nettes et à fort contraste sur la rétine ; et l’hippocampe, pour confirmer que le cerveau de la souris cartographie avec succès son environnement virtuel. D’autres tests étaient plus axés sur la technologie, pour voir si les lunettes s’affichaient rapidement et répondaient aux mouvements de la souris.

Mais surtout, les chercheurs ont dû observer le comportement des souris avec leurs nouvelles lunettes. L’un des tests les plus efficaces consistait à faire croire à la souris qu’une tache sombre en expansion s’approchait d’elle.

« Lorsque nous avons réalisé ce type de test dans une configuration VR classique avec de grands écrans, les souris n’ont pas réagi du tout », lance Chris Isaacson. « Mais presque toutes les souris, la première fois qu’elles voient le masque avec les lunettes, sursautent. Elles ont une énorme réaction de sursaut. Elles semblaient vraiment penser qu’elles étaient attaquées par un prédateur menaçant. »

Les chercheurs ont reçu une contribution inattendue lorsqu’ils ont soumis leurs résultats à Nature Methods. Un examinateur anonyme a poussé les chercheurs à ajouter un ensemble de caméras dans chaque oculaire qui pourraient enregistrer les pupilles de la souris et vérifier l’engagement et l’excitation de l’animal.

Cette demande était à la fois une tâche difficile et une bénédiction fortuite.

« Ils nous ont mis au défi de réaliser quelque chose de vraiment difficile et de faire en sorte que tout fonctionne », a déclaré Chris Schaffer. « Au cours de l’année dernière, trois articles ont été publiés sur des lunettes de réalité virtuelle pour souris. Vous savez, le domaine était mûr pour cela. Mais nous sommes les seuls à disposer de la pupillométrie et du suivi oculaire, qui sont des capacités essentielles pour une grande partie des neurosciences. »

Les chercheurs souhaitent développer davantage ces lunettes, avec une version légère et mobile pour les rongeurs de plus grande taille, comme les musaraignes arboricoles et les rats, qui peut inclure une batterie et un traitement embarqué. Chris Schaffer voit également le potentiel d’intégrer davantage de sens, comme le goût et l’odorat, dans l’expérience de réalité virtuelle.

« Je pense que la réalité virtuelle à cinq sens pour les souris est une direction à prendre pour les expériences », a-t-il lancé, « où nous essayons de comprendre ces comportements vraiment complexes, où les souris intègrent des informations sensorielles, comparent l’opportunité avec des états de motivation internes, comme le besoin de repos et de nourriture, puis prennent des décisions sur la façon de se comporter. »

Les co-auteurs incluent l’étudiant au doctorat Rick Zirkel; la chercheuse postdoctorale Laura Berkowitz; et Yusol Park ’22 et Danyu Hu ’22. 

La recherche a été soutenue par le programme Cornell Neurotech Mong Family Fellowship, le programme de bourses sur la maladie d’Alzheimer de la BrightFocus Foundation, la Brain and Behavior Research Foundation et les National Institutes of Health.

https://news.cornell.edu/stories/2024/12/mousegoggles-offer-immersive-look-neural-activity