Implementación de aplicación de realidad virtual para el aprendizaje del sistema locomotor a partir de imágenes de microscopía confocal.

Abstract

Estudiar el sistema locomotor implica conocer la biología que involucra la comunicación de los sistemas nervioso central y periférico con la célula blanco-ejecutora del movimiento, la fibra muscular esquelética. La unión neuromuscular (UNM) de vertebrado está formada por el axón terminal presináptico y la especialización postsináptica muscular enriquecida en receptores para el neurotransmisor acetilcolina y canales de sodio dependientes de voltaje que producirán un potencial de acción muscular para ejecutar la contracción. Comúnmente, diversas estructuras biológicas como la UNM se han estudiado a través de métodos tradicionales de imágenes bidimensionales. En consecuencia, aspectos celulares y moleculares difieren de una correcta interpretación espacial de las estructuras ivolucradas en el movimiento. Superar estas dificultades promoviendo alternativas atractivas e inclusivas en la presentación de la información, representa un continuo desafío. A este respecto, el uso de la realidad virtual (RV) ha impactado diversas áreas como la educación, donde su potencial uso en un aprendizaje interactivo y práctico abre la puerta a nuevas y significativas experiencias que fortalecen la retención de la información y permiten una comprensión más profunda de los conceptos. En búsqueda de abordar la problemática este proyecto tiene por objetivo implementar una aplicación de RV que permita adaptar contenidos educativos a recreaciones más precisas y dinámicas del comportamiento y biología del movimiento principalmente para la sinapsis neuromuscular. A partir de imágenes de tejido neuromuscular obtenidas con microscopía confocal se segmentaron los componentes de la UNM en ImageJ. Los resultados se exportaron a Ilastik para generar los mallados tridimensionales (3D) y se perfeccionaron detalles en Blender. Luego, se creó un proyecto en Unity para desarrollar la aplicación. La primera escena fue diseñada para que el usuario aprendiera a interactuar con su entorno. La segunda escena, simulando un laboratorio, presenta los dos modelos 3D generados, una UNM de morfología normal, y una de morfología fragmentada presente en patologías o daño muscular. Al mismo tiempo, el entorno virtual permitirá conocer los cambios morfológicos de esta sinapsis y su comunicación celular asociada. Finalmente, se experimentó la funcionalidad de la aplicación en los lentes Oculus Quest 2. Los resultados respaldaron su recomendación como una herramienta educativa apta para todo público. La experiencia inmersiva y educativa en la interpretación del sistema locomotor fue favorecida por el diseño atractivo, interactivo e interfaz amigable. Los modelos 3D basados en imágenes de microscopía confocal ofrecieron una representación precisa de los tejidos relacionados con el movimiento.

Studying the locomotor system involves understanding the biology behind the communication of the central and peripheral nervous systems with the target cell responsible for executing movement - the skeletal muscle fiber. The vertebrate neuromuscular junction (NMJ) consists of the presynaptic axon terminal and the muscle postsynaptic specialization enriched in receptors for the neurotransmitter acetylcholine and voltage-dependent sodium channels that produce a muscle action potential, leading to muscle contraction. However, commonly, various biological structures like the NMJ have been studied through traditional two-dimensional imaging methods, resulting in differences between cellular and molecular aspects and the correct spatial interpretation of the structures involved in movement. Overcoming these difficulties and presenting information in an engaging and inclusive manner poses a continuous challenge. In this regard, virtual reality (VR) has made a significant impact in several areas, particularly education, where its potential for interactive and hands-on learning opens the door to new and meaningful experiences, enhancing information retention and promoting a deeper understanding of concepts. To address this issue, the project aims to implement a VR application that enables the adaptation of educational content to more accurate and dynamic recreations of the behavior and biology of movement, with a primary focus on the neuromuscular synapse. From images of neuromuscular tissue obtained with confocal microscopy, UNM components were segmented in ImageJ. The results were then exported to Ilastik to generate three-dimensional meshes, and further refinements were made using Blender. Subsequently, a project was created in Unity to develop the VR application. In the first scene, users can learn to interact with their environment. The second scene simulates a laboratory setting, presenting two 3D models generated: one representing the NMJ with normal morphology and the other displaying a fragmented morphology typically present in pathologies or muscle damage. Within this virtual environment, users can explore the morphological changes of the synapse and its associated cellular communication. Finally, the functionality of the application was tested on the Oculus Quest 2. The results strongly supported its recommendation as an educational tool suitable for all audiences. The attractive, interactive design, along with the user-friendly interface, created an immersive and educational experience for interpreting the locomotor system. The 3D models, based on confocal microscopy images, provided an accurate representation of movement-related tissues.