Új távlatokat nyit az agykutatásban az egerek VR-szemüvege
Egerek számára optimalizált virtuális valóság (VR) szemüveget fejlesztett ki a BrainVisionCenter Kutatóintézet és Kompetenciaközpont (BVC) a HUN-REN Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézettel (HUN-REN KOKI) együttműködve. A közös eredmény új távlatokat nyit az agyműködés kutatásában és a látást helyreállító agy-számítógép interfészek fejlesztésében. A Moculus nevű eszköz élethűen szimulálja a természetes látást a kísérleti állatok számára, és akár százszorosára gyorsíthatja a tanulási folyamatokat.
A Moculus nevű eszközszorosan illeszkedik a Roska Botond és Rózsa Balázs által alapított BVC küldetéséhez, amely a látás helyreállítását célzó terápiák és a központi idegrendszeri betegségek kezelésének fejlesztésére összpontosít. A fejlesztés mögött Judák Linda, Szalay Gergely, Dobos Gergely és Rózsa Balázs állnak, akik az egér látókéreg gyors tanulás során tapasztalt plaszticitását vizsgálták. Kutatásuk jelentőségét jól mutatja, hogy tanulmányukat a világ egyik legnevesebb tudományos folyóirata, a NatureMethods publikálta.
A viselkedés és érzékelés agykérgi reprezentációja a tudomány egyik kiemelt kutatási területe, hiszen ez alapozza meg az agyi mechanizmusok mélyebb feltárását, valamint az ehhez kapcsolódó terápiás lehetőségek felfedezését és kidolgozását. Ezeknek a jelenségeknek egyedi sejtek szintjén történő megértéséhez a legmegfelelőbb módszer, ha az egerek agyműködését gyors 3D-s képalkotással vizsgáljuk. Az ilyen vizsgálatok során azonban különösen fontos, hogy az egér feje teljesen stabil maradjon, hiszen a mozgás ronthatja az eredmények pontosságát. Ezt a kutatók jellemzően az egér fejének rögzítése mellett, virtuális valóság rendszerek alkalmazásával oldják meg.
Az elmúlt 20-30 évben agykutatók, gyógyszergyárak és vállalatok számos virtuális valóság eszközt fejlesztettek a kísérleti állatok látásának vizsgálatára. Ezek az eszközök azonban általában kétdimenziós projekciókat használtak a virtuális tér megjelenítésére, feltételezve, hogy a kísérleti állatok, az emberekhez hasonlóan, képesek a kétdimenziós képekből, mint például egy tévéképernyő sík képéből, rekonstruálni a valóságot. A HUN-REN KOKI, a BVC, az Institute of Molecular and ClinicalOphthalmology Basel és a Pázmány Péter Egyetem kutatói azonban kimutatták, hogy ez a feltételezés hibás. Rágcsálók esetében a kétdimenziós vetítések nem nyújtanak valósághű élményt, ami torzíthatja az eredményeket. Ezt egy egyszerű, de szemléletes példával igazolták Dobos Gergelyék: az egerek gond nélkül áthaladtak a hagyományos VR kijelzőkön bemutatott virtuális szakadékon. Ezzel szemben azonnal megtorpantak, sőt, hátrafelé menekültek, ha a szakadékot a Moculus rendszerrel mutatták be nekik.
A projekt bebizonyította, hogy az egerek csak akkor érzékelik három dimenzióban a világot, ha a virtuális valóságot az ő látásukhoz igazítva, valósághűen vetítik számukra. Az egerek ugyanis nem rendelkeznek elegendő absztrakt vizuális gondolkodási kapacitással, mint az emberek, ezért számukra elengedhetetlen, hogy a látottak hűen tükrözzék a valóságot – fejtette ki Szalay Gergely, a HUN REN KOKI és a BVC vezető kutatója.
A Moculus VR rendszer egy speciális futópadból tartalmaz, amely rögzíti és továbbítja az egér mozgásának adatait, két képernyőből, valamint egy hozzájuk illeszkedő optikai leképezőrendszerből áll. Ez utóbbi biztosítja az egerek számára szükséges, 180 foknál is szélesebb látómezőt, amely lehetővé teszi, hogy természetes módon lépjenek interakcióba a virtuális környezettel. Eközben a kutatók a kétfoton mikroszkóp segítségével feltérképezhetik az egér agyi aktivitásmintázatait, melyek tanulmányozása lehetőséget ad arra, hogy jobban megértsük, hogyan tanulnak az állatok, és milyen idegi mechanizmusok szabályozzák a döntéshozatalt. E kutatások nemcsak az alapvető agyműködés megértésében nyújtanak segítséget, hanem hozzájárulhatnak a neurológiai rendellenességek, például látáskárosodás terápiás megoldásainak fejlesztéséhez.
1. ábra – Moculus mérések – a)A kísérleti elrendezés, virtuális valóság szemüveg, Moculus, a kétfoton mikroszkópiai méréssel kombinálva, miközben az egér diszkriminációs tanulási feladatot teljesít.b)A látókéregből (visual cortex) mért kaálcium jelek kontrol és averzív ingerek esetén.
A rágcsálók vizuális tanulási képességei meglepően fejlettek. A korábbi elképzelésekkel szemben akár egyetlen nap, sőt néha mindössze 30 perc alatt is képesek új vizuális információk elsajátítására. A Moculus használatával a tanulás jelentősen felgyorsul, szemben a korábbi virtuális valóság rendszerekkel, amelyekkel 5-9 napot is igényelt a folyamat. A hosszú betanításból adódó nehézségek és műtermékek csökkentésével a Moculus forradalmasítja a vizuális tanulási mechanizmusok kutatását, hiszen akár egyetlen rövid tréning során is lehetővé tesz felfedezéseket – ismerteti az eredményeket Judák Linda, a HUN REN KOKI és a BVC vezető kutatója. Az eszköz egyik legnagyobb előnye, hogy képes az összetett, a tanuláshoz kapcsolt agyi aktivitásmintázatok, köztük a már a vizuális ingerek megjelenése előtt felbukkanó úgynevezett anticipációs jelek azonosítására is.
Judák Linda ehhez azt is hozzátette, hogy a kutatások során azt tapasztalták, a neuronok fokozatosan kapcsolódnak be a tanulási folyamatba, és aktivitásuk különösen a viselkedési döntések előtti kritikus időszakban erősödik meg. Az eszköz segítségével a vizuális tanulás során létrejövő új, eddig ismeretlen idegrendszeri hálózati mechanizmusokat is felfedeztek.
A jelenlegi tudományos irodalom szerint a látókéreg idegsejtjeinek aktivitása tanulás hatására körülbelül 10%-kal emelkedik. Sőt, a legfrissebb kutatások meglepő eredményekkel szolgálnak: néhány esetben 0%-os aktivitásváltozást vagy akár aktivitáscsökkenést is tapasztaltak. Fontos kiemelni, hogy ezen korábbi vizsgálatokban az egerek tanítása 5-9 napig tartott, ami elegendő időt adott a memória-konszolidációs folyamatoknak az agyi aktivitási mintázatok átrendezésére. A Moculus által biztosított ultra gyors tanulási lehetőség révén először sikerült olyan pillanatképet rögzíteni az agyműködésről, amikor ezen átrendeződési folyamatok még nem indultak el, tehát közvetlenül meg tudták figyelni a tanulás hatását. Az eredmények alapján a látókéreg működése jelentősen eltér az eddig tankönyvinek tekintett adatoktól. Az agy képes szinte az összes idegsejtet rövid időre aktiválni a látókéregben a vizuális feladatok teljesítése érdekében, így maximalizálva számítási kapacitását a vizuális komponensek gazdagabb reprezentációja érdekében.
A tanulás lényege abban rejlik, hogy ezek a gazdag neuronális reprezentációk versengenek egymással, melynek célja, hogy a viselkedés szempontjából releváns információkat, mint a pozitív vagy negatív megerősítés, kódolják. Kimutatható, hogy az ezekből származó visszacsatolás az a kritikus információ, amely sejtszinten tanítja és átprogramozza a neuronhálózatok működését. Ez a folyamat határozza meg azt a "nyertes" reprezentációt, amely dominálja a kódolást, míg a többi információ kódolása visszatér az alap aktivitásra – ismertette a részleteket Rózsa Balázs, a BVC igazgatója, a HUN-REN KOKI és a Pázmány Péter Katolikus Egyetem csoportvezetője.
Kiemelte, hogy a projekt legfontosabb eredménye az új eszköz, amely olyan téridőbeli agyi aktivitásmintázatokat generál, amelyek nagyságrendekkel pontosabban és mélyebben kódolják környezetünk adott látványelemeit. Ez lehetővé teszi, hogy a 3D akusztooptikai mikroszkópra épülő látáshelyreállító eszközök minden eddiginél precízebben aktiválják vissza az idegsejtek aktivitását, és így sokkal pontosabb mesterséges látást hozzanak létre.
Három évvel ezelőtt, 2021 év végén, a BrainVisionCenter alapításakor Roska Botonddal a látáshelyreállítás alapkutatást, az ehhez szükséges speciális kutatóeszközök fejlesztését, valamint az agykérgi látáshelyreállításhoz kapcsolódó kutatásokat jelöltük meg fő küldetésként. A Moculus ezeknek a törekvéseknek az egyik fontos állomása, segítségével ugyanis a géntechnológai eljárások agykérgi látáshelyreállításban betöltött szerepe minden eddig módszernél hatékonyabban tesztelhető – húzta alá az igazgató.
Az eszköz nagy érdeklődésre tart számot az idegtudományi kutatóeszközök területén, hasonló ugyanis jelenleg nem elérhető a piacon. Óriási előnye többek között az is, hogy kompakt, moduláris kialakítása lehetővé teszi, hogy bármilyen elektrofiziológiai vagy képalkotó eszközhöz (például kétfoton mikroszkóphoz) könnyen illeszthető legyen.
