إجراءات التدريب السلوكي للواقع الافتراضي الثابت في الفئران

Summary

تصف المقالة الإجراءات التجريبية لنموذج الواقع الافتراضي للمسار الخطي (VR) شائع الاستخدام في الفئران بالإضافة إلى تحديد جدوى تشغيل مهام الواقع الافتراضي المعقدة عن طريق اختبار مهمة تمييز الإشارة على شكل حرف Y.

Abstract

يتم استخدام الواقع الافتراضي (VR) جنبا إلى جنب مع تثبيت الرأس بشكل متزايد في دراسات علم الأعصاب السلوكي لأنه يسمح بإجراء فحوصات سلوكية معقدة في الفئران الثابتة بالرأس. يتيح ذلك تسجيلات سلوكية دقيقة مع دمج العديد من تقنيات الفيزيولوجيا العصبية التي تتطلب تثبيت الرأس لتقليل ضوضاء الإشارة المتعلقة بالحركة أثناء التسجيلات العصبية. ومع ذلك ، على الرغم من الاستخدام المتزايد للواقع الافتراضي ، هناك القليل من البيانات المنشورة حول المنهجية التفصيلية لكيفية تنفيذها. في هذه الدراسة ، تم تطوير بروتوكول تدريب يتم بموجبه تدريب الفئران من الذكور والإناث C57B16 / J على الركض في ممر خطي افتراضي ، يزداد طوله من 1-3 أمتار خلال جلسات تدريبية متعددة. بناء على هذا الأساس ، بحثت هذه الدراسة في جدوى أداء الفئران لسلوكيات معقدة داخل الواقع الافتراضي باستخدام نموذج المتاهة Y. تطلبت المهمة الانتقال إلى الذراع ذات الجدران السوداء من نقطة الاختيار في متاهة Y. بعد الوصول إلى معيار يومين متتاليين يساوي أو يزيد عن 70٪ صحيح ، تقدمت الفئران إلى تمييز حسي متزايد الصعوبة. توفر النتائج تفاصيل مهمة حول المنهجيات المفيدة للتدريب الناجح للفئران في الواقع الافتراضي وتوضح أن الفئران تظهر قدرات تعليمية في التنقل في متاهة Y. لا تقدم المنهجية المقدمة رؤى حول مدة التدريب في المقايسات المستندة إلى الواقع الافتراضي فحسب ، بل تؤكد أيضا على إمكانية التحقيق في السلوكيات المعقدة في الفئران ، مما يفتح طرقا لتحقيقات أكثر شمولا في علم الأعصاب.

Introduction

ظهرت مهام الواقع الافتراضي كطريقة قوية للتقييم السلوكي في الفئران بسبب تثبيت الرأس ، مما يسمح بالاستقرار الميكانيكي الذي يمكن أن يتعرض للخطر في الفئران التي تتصرف بحرية¹. تتيح هذه الطريقة تقليل القطع الأثرية للحركة في التسجيلات الفيزيولوجية^{الكهربية 2،3} والتصوير البصري^4،5،6،7. كما أنه يسهل السلوكيات القابلة للتكرار⁸ وتتبع العين الدقيق⁹. في الإعداد التجريبي ، يتم تثبيت الماوس في مكانه ووضعه فوق جهاز المشي الكروي المدعوم بالهواء. يسمح هذا الجهاز بالاستكشاف المعقد للسلوك الموجه بصريا داخل بيئة الواقع الافتراضي. عندما يتحرك الماوس على جهاز المشي ، تتزامن حركته بسلاسة مع تنقله داخل المشهد الافتراضي ، والذي يتم تصويره بصريا على الشاشة المحيطة بالماوس.

الهدف من هذه الدراسة ذو شقين: معالجة التحديات الرئيسية في علم الأعصاب السلوكي التجريبي والمساهمة في تطوير المنهجيات في هذا المجال. أولا ، على الرغم من زيادة استخدام الواقع الافتراضي في البحث الأكاديمي^10،11،12 ، لا يزال هناك غياب ملحوظ للمنهجيات الشاملة وبروتوكولات التدريب ، مما يعيق اعتماد هذه التكنولوجيا من قبل الباحثين الجدد. كان الهدف الأساسي هو سد هذه الفجوة من خلال تحديد نظام تدريب مفصل لنموذج المسار الخطي ، كما هو موضح في الدراسات السابقة^{13 ، 14 ، 15}. ويستخدم نظام متاح تجاريا لوصف هذه الإجراءات التشغيلية. كإخلاء مسؤولية ، تحتوي هذه المبادئ التوجيهية الإجرائية على مكونات خاصة بهذا النظام. ومع ذلك، للاطلاع على مناقشة قابلية تعميم هذا البروتوكول، انظر المناقشة. كان الهدف هو تحديد الإجراءات السلوكية ، والجدول الزمني النموذجي لتنفيذ هذه الإجراءات ، ومعدل نجاح تدريب الفئران على الركض على مسار خطي بسيط.

ثانيا ، لا يزال هناك نقص في الوثائق حول تنفيذ مهام المتاهة المعقدة ضمن هذا النموذج في الفئران. تم تطوير فحوصات افتراضية معقدة في الفئران¹¹. ومع ذلك ، فقد انخفضت الفئران حدة البصر بالمقارنة¹⁶ وغالبا ما يكون أداؤها أسوأ في المهام^{المعقدة 17}. بينما ركزت بعض التحقيقات على مهام محددة مثل تراكم الأدلة أو الحداثة المكانية¹⁸ ، كان التركيز هنا على توضيح منهجيات التدريب المطلوبة للفئران للانخراط في نماذج صنع القرار داخل بيئات الواقع الافتراضي. لمواجهة هذا التحدي ، تم تصميم مهمة تمييز الإشارة حيث تم تكليف الفئران فقط بتعلم ربط اللون / الإنارة (أسود مقابل أبيض) للذراع المكافأة بالمكافأة ، والتي تم تحقيقها عن طريق اختيار الذراع السوداء عند نقطة اختيار المتاهة Y ، مع الذراع الصحيحة المعشونة في كل تجربة. تم تصميم هذه المهمة لتتطلب التفاعل مع الإشارات الافتراضية وتوفير نظرة ثاقبة لقدرات التمييز الإدراكي للفئران.

باختصار ، تتناول هذه الدراسة الفجوات الحرجة في مجال علم الأعصاب السلوكي التجريبي من خلال توفير بروتوكولات تدريب شاملة لاستخدام نماذج الواقع الافتراضي في الفئران وتوضيح المنهجيات لمهام صنع القرار المعقدة ضمن هذا الإطار. من خلال الاستفادة من الرؤى من الأبحاث السابقة والتصاميم التجريبية المبتكرة ، تهدف هذه الدراسة إلى تبسيط ممارسات البحث وتعزيز فهم الآليات العصبية الكامنة وراء السلوك. ستتعمق الأقسام التالية في الإجراءات والنتائج التجريبية وتناقش النتائج.

Protocol

تم إجراء جميع الإجراءات المتعلقة بالحيوانات في الالتزام الصارم بالبروتوكولات التي وضعتها لجنة رعاية واستخدامه في NIEHS ، مما يضمن الامتثال للمعايير الأخلاقية وإرشادات الرفاهية. تم استخدام الفئران C57BL / 6Tac ، التي يبلغ عمرها حوالي 8 أسابيع ، للدراسة.

1. جراحة زرع قضيب الرأس

1. التحضير للجراحة
   1. احصل على الكمية المطلوبة من الفئران لمجموعة المرء ، وقم بإوائيتها بشكل فردي بشكل مثالي لتقليل التداخل مع غرسة قضيب الرأس ، على الرغم من أن هذا اختياري¹⁹. استخدمت هذه الدراسة حجم عينة من ثلاثة ذكور وثلاث إناث من الفئران (متوازنة في البداية ، ولكن تم استبعاد ذكر واحد في وقت مبكر من التدريب بعد فشله في الركض على الكرة)
   2. الحصول على المواد المحددة في جدول المواد ، مع تعديلها وفقا لتفاصيل تصميم الدراسة.
   3. عند الحصول على الفئران ، قم بتعيين المعرفات الفردية وقم بتطبيق وشم الذيل أو لكمات ثقب الأذن لضمان تحديد لا لبس فيه. إنشاء سجل شامل لتسجيل أوزانهم بشكل منهجي كما هو مطلوب لإجراء تقييد المياه.
2. إدارة التخدير
   1. تأكد من توفر جميع الأدوات الجراحية بسهولة ، بما في ذلك المحاقن المناسبة ، وسادة التدفئة ، والأدوات المعدنية (مثل الملقط ، والمقص الدقيق ، ومرقئ) ، ومحلول اليود ، وزيوت تشحيم العين ، وأكواب المحلول الملحي وبيروكسيد الهيدروجين. لضمان ظروف معقمة ، قم بتعقيم جميع المعدات الجراحية وتعقيم جميع الأدوات الجراحية باستخدام الأوتوكلاف.
   2. قبل الشروع في الجراحة ، قم بإجراء قياسات دقيقة لوزن الفئران وتنشيط وسادة التسخين إلى 34 درجة مئوية. سجل جميع المعلومات الضرورية في مختبر المؤسسة / دفتر الملاحظات الجراحي. التحقق من كفاية مستويات خزان الأكسجين والأيزوفلوران والتأكد من توافر جميع المواد الأساسية لتسهيل العمليات الجراحية دون انقطاع.
   3. قم بتقطيع الفأر وضعه في مخروط أنف متصل بمبخر مصمم للحيوانات الصغيرة التي تتلقى 4٪ من الأيزوفلوران ومعدل تدفق الأكسجين 3 لتر / دقيقة للحث على التخدير. استخدم زبال لالتقاط أي غازات نفايات يحتمل أن تكون ضارة (موصى به).
   4. قم بإعطاء مرهم بيطري بترولي للعيون لعيون الفأر أثناء وجوده تحت مخروط الأنف لمنع جفاف العين. ضعي قطرة واحدة على كل عين في البداية وأعد وضعيها حسب الضرورة. تأكد من الحماية المستمرة للعينين من خلال الحفاظ دائما على طبقة من مادة التشحيم هذه مع الفحص الدوري.
   5. قم بإعداد الموقع الجراحي (الشكل 1 أ) على رأس الفأر عن طريق حلق المنطقة التي سيتم فيها لصق الجمجمة على قضيب الرأس.
   6. ضع قواطع الماوس داخل الجهاز التجسيمي أسفل مخروط الأنف ، واضبط معدل تدفق الأكسجين على 1 لتر / دقيقة وإعطاء 1٪ -2٪ إيزوفلوران من المرذاذ. تأكد من تدفق التخدير المناسب عن طريق ضبط الصمامات والتبديل بين مخروط الأنف التعريفي والجهاز التجسيمي وفقا لذلك. مد الساق الخلفية للفأر واضغط بقوة على إصبع القدم. إذا لم تظهر القدم استجابة انسحابية انعكاسية ، فهذا يشير إلى أن التخدير فعال. كرر كل 15 دقيقة ، جنبا إلى جنب مع فحص التنفس.
   7. قم بتثبيت رأس الفأر في مكانه عن طريق ربط قضبان الثبات الجراحية داخل قنوات الأذن ، مما يقلل من أي حركة محتملة للرأس أثناء الجراحة.
   8. قبل عمل شقوق أو حقن ، قم بتعقيم المنطقة الجراحية المحلوقة في الجزء العلوي من الرأس عن طريق فركها بمسحة مغموسة في مطهر اليود. من هذه المرحلة فصاعدا ، استخدم قفازات معقمة للحفاظ على الظروف المعقمة.
3. إعطاء الحقن
   1. حقن 0.05 مل من بوبيفاكائين (تسكين الألم الموضعي) تحت الجلد بإبرة 25G في موقع الشق الجراحي في فروة الرأس.
   2. حقن تحت الجلد 1 مل من المحلول الملحي (الترطيب) بإبرة 25G في جانب واحد من المنطقة بين الكتف.
   3. حقن 0.05 مل من البوبرينورفين (تسكين لكامل الجسم) تحت الجلد بإبرة 25G في الجانب الآخر من المنطقة بين الكتف.
4. تعريض الجمجمة
   1. استخدم مقصا دقيقا لإنشاء شق في الجلد فوق الغرز الأمامية والأنفية للجمجمة ، بدءا من أعلى حافة الحاجب مباشرة ويمتد إلى خلف الشق القذالي (الشكل 1 أ).
   2. استخدم المرقئ للضغط باستمرار على اللوحات اليمنى واليسرى من الجلد ، مما يؤدي إلى تعريض الجمجمة.
   3. استخدم قطعة قطن جافة لإزالة النسيج الضام من فروة الرأس بين طيات الجلد المثبتة من الخلف.
   4. استخدم قطعة قطن مبللة (ولكن غير مشبعة) ببيروكسيد الهيدروجين لفرك فروة الرأس ، وضمان رؤية الغرز والحرص على عدم الحصول على بيروكسيد الهيدروجين على الأنسجة المحيطة.
   5. كرر الخطوتين 1.4.3 و 1.4.4 ، 2x-3x ، حتى يظهر كل من بريغما ولادا بوضوح ، ويتم تنظيف فروة الرأس جيدا.
5. زرع المسمار الجراحي
   1. قم بتوصيل اثنين من المسمارين بالجمجمة ، ووضع أحد المسمارين الخلفي إلى بريجما والآخر أمام لامدا (الشكل 1 ب) لزيادة مساحة السطح للاصق الأسنان وزيادة ثبات قضيب الرأس. ضع موقع البراغي عند أهداف على مسافة محددة من البرجما. تأكد من وضع أحد المسمارات على اليسار والآخر على اليمين (على سبيل المثال ، الأمامي الخلفي (AP) +1.00 ، الإنسي الجانبي (ML) -1.00 و AP -3.00 ، ML +3.00) ، تأكد من وجود مسافة كافية بين البراغي لاستيعاب وضع قضيب الرأس وضبط الإحداثيات والمطلوبة.
   2. حفر المواضع المستهدفة ، مع التأكد من أن الحفر يقتصر على عظم الجمجمة ولا يخترق أنسجة المخ.
   3. باستخدام مفك البراغي ، قم بربط نصف المسمار تقريبا في مكانه. كرر مع المسمار الثاني.
6. تركيب غرسة قضيب الرأس
   1. امزج أسمنت الأسنان وقم بإدارته على الجانب السفلي من قضيب الرأس ، مع التركيز على السطح المقعر ، وتطبيقه على طول الخيط الجبهي للجمجمة.
   2. ضع قضيب الرأس فوق الخيط الجبهي لتسهيل الترابط بين الأسمنت السني على قضيب الرأس وتلك الموجودة على الخياطة. أمسكها بإحكام في مكانها يدويا بالزاوية المرغوبة لمدة 5 دقائق تقريبا حتى تتماسك. ضع أسمنت أسنان إضافي حسب الحاجة. (الشكل 1C-E)
7. إعادة ربط الجلد فوق قضيب الرأس
   1. حرر المرقئ واستخدم الملقط لإعادة توحيد سدائل الجلد فوق قضيب الرأس المجفف المثبت بالأسمنت للأسنان. استخدم لاصق الأنسجة الموضعية لتأمين الجلد معا بدقة عن طريق الالتصاق ببطء بالجزأين الأيسر والأيمن من فروة الرأس معا فوق قضيب الرأس ، بدءا من موقع الشق الأمامي وينتهي في موقع الشق الخلفي.
   2. اسمح للنسيج اللاصق الموضعي بالتصلب للتأكد من إعادة إغلاق المنطقة الجراحية قبل تحرير الفأر من قضبان الثبات الجراحية ومخروط الأنف.
   3. انقل الماوس إلى قفص منفردة وضعه على وسادة تسخين عند 37.5 درجة مئوية.
   4. راقب الماوس بعناية بحثا عن أي علامات على الانزعاج أو عدم انتظام التنفس حتى يستعيد وعيه. لا تترك الفأر دون رقابة حتى يستعيد الاستلقاء القصي ، ويظهر اليقظة ، ويكون متنقلا.
   5. بعد العمليات الجراحية ، اسمح للفئران بالخضوع لفترة راحة لمدة أسبوع واحد. راقب الفئران يوميا لاكتشاف ومعالجة أي تقلبات ملحوظة في الوزن. توفير الهريس للفئران بعد 3 أيام من الجراحة للمساعدة في الشفاء. لمنع التداخل مع شريط الرأس ، قم بتخزين هذه الفئران بشكل فردي.

2. تقييد السوائل

ملاحظة: يؤدي تقييد الماء إلى حالة من العطش لدى الفئران ، مما يزيد من دافعها للحصول على مكافآت السوائل. ومع ذلك ، فإن التنفيذ الدقيق ضروري لضمان الحفاظ على رفاهية الفأر²⁰.

1. في أسبوع واحد من يوم الجراحة ، حدد أوزان خط الأساس للفئران.
2. قم بلصق جزء واحد من طبق بتري صغير (60 مم × 15 مم) مقعر لأسفل على أرضية القفص ، مع لصق طبق بتري أصغر (35 مم × 10 مم) مقعر لأسفل إلى وسط السطح المسطح لطبق بتري الملصق على الأرض ، مع طبق بتري صغير آخر (60 مم × 15 مم) مقعر مسجل فوق السطح المسطح للطبق الأوسط ليكون بمثابة خزان للمياه (الشكل 2).
3. تأكد من أن ارتفاع الطبق العلوي يمنع التلوث من مواد الفراش مع السماح للفئران بسهولة الوصول إلى الماء. أضف حجم الماء اليومي المسموح به إلى الخزان باستخدام ماصة.
4. في اليوم 1 ، زود الفئران بجرعة 15 مل من الماء لكل 100 غرام من كتلة الجسم.
5. في اليوم 2 ، زود الفئران بجرعة 10 مل من الماء لكل 100 غرام من كتلة الجسم.
6. في اليوم 3 ، زود الفئران بجرعة 5 مل من الماء لكل 100 غرام من كتلة الجسم. يجب أن تتلقى الفئران كمية لا تقل عن 1 مل من الماء يوميا طوال الدراسة ، بغض النظر عن وزن الجسم.
   ملاحظة: قد يختار الباحثون إدارة الحد الأدنى من الحجم بشكل موحد في جميع الموضوعات ، على الرغم من أن هذه التعديلات يجب أن تتم بعناية.
7. حافظ على جرعة ثابتة طوال مدة الدراسة لتخصيص المياه عند 5 مل لكل 100 غرام من وزن الجسم (أو تخصيص موحد للمياه 1 مل إذا كنت تفضل ذلك)
   ملاحظة: يجب تزويد الفئران بإمكانية الوصول إلى الماء لمدة 1-2 أيام في الأسبوع عندما لا تقوم الفئران بتجربة الواقع الافتراضي (أي خلال عطلة نهاية الأسبوع). سيسهل ذلك استعادة مستويات الترطيب الطبيعية. في الحالات التي تقل فيها الفئران عن 90٪ من أوزانها الأساسية المسجلة ، يجب نقلها إلى الوصول إلى المياه حتى تصل إلى 90٪ من وزنها الأساسي. يجب القتل الرحيم الأخلاقي للفئران التي تقل عن 80٪ من أوزانها الأساسية المسجلة.
8. تأخير إعطاء جرعة الماء اليومية لمدة 30 دقيقة على الأقل بعد التقييم السلوكي للتخفيف من التداخل المحتمل مع سلوكيات العطش الطبيعية الضرورية لإجراء التجربة بدقة.
   ملاحظة: قد يؤثر توفير مكافآت سائلة مباشرة بعد التجربة عن غير قصد على أداء الفئران ، حيث قد يتوقعون تلقي مكافأة فورية ، مما قد يضر بمشاركة المهمة. لذلك ، فإن تأخير الوصول إلى المياه بعد التجربة يمنع التعود على تسليم المكافأة الفوري ويحافظ على سلامة الإعداد التجريبي.

3. إعداد النظام

1. التعرف على المعدات: للحصول على مكونات الأجهزة والاعتبارات الأخرى للأنظمة السلوكية للواقع الافتراضي ، راجع الخطوات أدناه.
   راجع قسم المناقشة لفحص قابلية تعميم البروتوكول على إعدادات النظام المماثلة.
   1. شاشة أو قبة افتراضية غامرة بالكامل: توفر هذه الشاشة الافتراضية الانغماس الكامل للحيوان في بيئة افتراضية قابلة للتخصيص. تتم مزامنة الحركة داخل البيئة الافتراضية مع الحركة على جهاز المشي الكروي.
   2. نظام المكافأة السائلة: يعمل نظام المكافأة السائلة من خلال توصيل التسليح السائل (الماء أو ماء السكر) باستخدام مضخة تمعجية ، والتي توجه محلول المكافأة من خلال أنبوب معدني مطلي بالبلاستيك يمتد إلى الماوس عند تنفيذ المهمة بنجاح. يحتوي على أجهزة استشعار تراقب كمية المكافآت التي يحصل عليها الماوس أثناء التجربة.
      1. قم بتنظيف أنبوب المكافأة أسبوعيا باستخدام الكحول الإيثيلي أو عامل تنظيف بديل. للقيام بذلك ، قم بغسل 2-5 مل من عامل التنظيف عبر الأنبوب ، على غرار توصيل مكافأة السائل ، متبوعا بتدفق مماثل بحجم متساو من الماء.
      2. عند بدء التجربة ، حدد معدل توزيع مكافأة السائل من أنبوب المكافأة عن طريق تنشيطه لمدة محددة وقياس حجم السائل الذي تم توزيعه. يسمح هذا الإجراء بتحديد معدل توصيل السائل للمضخة التمعجية. في هذا التحقيق ، تم استخدام معدل توزيع يبلغ حوالي 0.0083 مل / ثانية.
         ملاحظة: توفر معظم الأنظمة إعدادات قابلة للبرمجة للمدة بين تنفيذ السلوك وإصدار المكافأة، مما يتيح التخطيط الدقيق لبروتوكول الدراسة استنادا إلى حجم المكافأة المقصود لكل إصدار تجريبي. تم تحديد الكمية المستخدمة لتكون كافية لأنها سمحت بالوقت الكافي للفأر لاستهلاك المكافأة ، ويبدو أن حجمها محفز.
      3. قد تتطلب بعض البروتوكولات من الماوس لعق صنبور المكافأة من أجل بدء تسليم المكافأة. بالنسبة لنوع المهام المستخدمة هنا ، لم يتم استخدام هذه الوظيفة ، وتقديم مكافآت تتوقف فقط على التنفيذ الناجح للسلوك المطلوب (أي اختيار الذراع الصحيح في متاهة y). يساعد هذا على تجنب الفشل في وقت مبكر من التدريب حيث لم يتم إثبات الميل إلى اللعق بشكل كاف ، وتقل احتمالية حدوث اللعق الأولي. كما يمكن أن يسمح بقياس توقع المكافأة ، والذي يمكن فصله عن الأداء الملاحي في بعض الظروف¹¹.
      4. في حين أن بعض التجارب التي تستخدم تقييد السوائل تختار استخدام الماء القياسي من خلال أنبوب المكافأة ، استخدم هنا ماء السكر (10٪ سكروز v / v) كمحفز تحفيزي إضافي ضمن النموذج الفعال. والجدير بالذكر أنه لوحظ تحسين الأداء عبر مجموعات تجريبية متعددة مع إدخال ماء السكر.
   3. كرة الستايروفوم: تعمل هذه الكرة كجهاز مشي كروي. عندما تكون مبطنة بالهواء من الأسفل ، قم بتدريب الفئران على الجري أو المشي بشكل مريح على الكرة. ضعه فوق حامل كرة مزود بمستشعرات تتبع الحركة التي تجمع البيانات عن المسافة والسرعة.
   4. حامل الرأس: ضع الجهاز خلف الماوس ، مما يضمن المحاذاة البصرية مع شاشة VR عند توصيل قضيب الرأس بالحامل. يعد هذا الجهاز أمرا بالغ الأهمية للحفاظ على الماوس في وضع ثابت للرأس ، وبالتالي التخفيف من القطع الأثرية للحركة ، خاصة عند استخدام النظام جنبا إلى جنب مع التصوير البصري أو تقنيات الفيزيولوجيا الكهربية.
   5. أجهزة تدفق الهواء: قم بتكوين تدفق الهواء من مصدر الهواء المضغوط إلى الكرة لإنشاء بيئة عديمة الوزن مواتية للفئران التي تعمل على الكرة. يتطلب هذا الإعداد منظم تدفق لضمان التحكم الدقيق في ضغط الهواء المطبق على الكرة. تعمل الكرة بكفاءة في بيئة عديمة الوزن مع الحد الأدنى من إمداد الهواء. لذلك ، أثناء إعداد النظام ، تأكد من الحد الأدنى لكمية الهواء اللازمة لتسهيل الحركة السلسة ودون عوائق للكرة داخل الحامل. يوصى بتدفق بين 10-20 لتر / دقيقة.
2. إعداد البرنامج: للحصول على تفاصيل محددة لتشغيل النظام ، انظر أدناه.
   ملاحظة: يشبه إلى حد كبير تصميم ألعاب الفيديو²¹ ، تدمج بنية العوالم الافتراضية العناصر الرئيسية مثل وحدة تحكم خارجية ، وبيئة قابلة للبرمجة ، وملف جدول يحتوي على مخطط حالة يحدد الوظائف الديناميكية. تتلاقى هذه المكونات بشكل تآزري لصياغة تجربة تفاعلية متماسكة للموضوعات المشاركة في الدراسات البحثية. تعتمد الفعالية التشغيلية للبرنامج على تنظيم الملفات بدقة داخل المجلدات المحددة. سيحدد هذا التفسير الخطوات الرئيسية اللازمة لملء القوالب المعدة مسبقا ، مما يسمح بإجراء تعديلات سهلة على الملفات الموجودة وحفظها كإصدارات جديدة. ستشكل هذه الإصدارات الجديدة بعد ذلك أساس الدراسة.
   1. استخدم الملفات الثلاثة التالية معا لتكوين مشهد ظاهري تشغيلي.
      1. ملفات XML: يوفر تنسيق الملف هذا للمستخدمين القدرة على معالجة نسيج الصورة لعناصر مختلفة مثل السماء والأرضية والجدران. ضع الملفات المستخدمة للصور في المجلد الفرعي البيانات في مجلد الواقع الافتراضي. باستخدام هذه ، حدد أبعاد المتاهة وحدد الموضع الأولي للماوس داخل المتاهة. حدد كائنات ثلاثية الأبعاد (إشارات مرئية) في عقد معينة داخل المتاهة باستخدام هذه الملفات. قم بتعديل هذه الملفات باستخدام محرر نصوص.
      2. ملفات XLSX: تعمل هذه كملفات أوامر تقوم بتكوين جميع أنواع الملفات الثلاثة (XML و XLSX و XAML) معا لتشكيل عرض تقديمي افتراضي متماسك وتفاعلي. استخدم هذه الملفات لتحديد الإجراءات الروتينية التجريبية التي تقوم بتشغيل الواقع الافتراضي وملحقاته، مثل حساسية الكسب والبيانات التي يتم استخراجها والملفات التي يتم تجميعها معا لإجراء تجربة.
      3. ملفات XAML: يوفر تطبيق البرنامج واجهة رسومية لإنشاء جداول تجريبية من خلال استخدام المخططات الانسيابية. وهو يسهل تحديد المعلمات الزمنية للتجربة ، وضوابط النقل الآني بعد اكتمال التجربة ، وتوقيت تنشيط المخرجات الرقمية ضمن إطار التجربة.
   2. استخدم التطبيقات التالية للحصول على البيانات وتحكم المستخدم في النظام أثناء تشغيله.
      1. [تطبيق] VR: مقترن بملف .XML الذي يعرض المشهد التمثيلي، افتح الملف لمعاينة المشهد الظاهري على الشاشات في الوضع الثابت. للتفاعل الديناميكي، افتح التكوين المقترن. XLSX في تطبيق التحكم.
      2. عنصر تحكم [التطبيق]: مقترن بملف .XSLX، افتح هذا التطبيق لرؤية أجهزة الملحقات المقترنة بالنظام. يمكن للمرء تمديد وسحب أنبوب المكافأة يدويا ، وتوزيع مكافأة السائل ، وعرض الحصول على البيانات في الوقت الفعلي من هنا.
      3. مصمم الجدول الزمني [التطبيق]: يوفر هذا التطبيق القدرة على ضبط ملفات XAML لإنشاء جدول زمني لتشغيل الحدث داخل التجربة. على سبيل المثال ، صمم مشغلا قابلا للتخصيص لتحديد مدة صرف المكافآت وتحديد مدة فترات الراحة بين التجارب للفئران.
3. مثال على بدء التشغيل: ابدأ بتحديد الشكل الذي سيبدو عليه بروتوكول الدراسة بناء على المكونات القابلة للتعديل من الخطوات 3.2.1.1-3.2.1.3. بعد تحديد بروتوكول التشغيل بوضوح، افتح إحدى تجارب القوالب التي تم إعدادها مسبقا مع نظام الواقع الافتراضي باتباع الخطوات أدناه.
   1. افتح تطبيق الواقع الافتراضي، الذي يفتح على المجلد الفرعي البيانات. احفظ المشهد الظاهري الذي تم إنشاؤه كملف XML. افتح هذا الملف، ويجب أن يظهر المشهد الظاهري على شاشات الواقع الافتراضي.
   2. افتح تطبيق Control وانتقل إلى أيقونة فتح المجلد في الجزء العلوي الأيمن من الشاشة. انقر فوق الرمز ، الذي يجب أن يظهر مجلد التكوينات ، حيث المقابل . يوجد التكوين التجريبي XLSX. افتح ملف . XLSX بنفس اسم ملف .XML المفتوح في تطبيق الواقع الافتراضي. أصبحت ملحقات النظام المحددة ، مثل المضخة والمحرك لجهاز المكافأة القابل للتمديد ، مرئية الآن ضمن علامة تبويب التحكم داخل التطبيق.
   3. ابدأ التجربة التجريبية ، حيث يتيح التنسيق بين هذين التطبيقين إنشاء مشهد افتراضي تفاعلي. في النهاية ، يسهل هذا التكامل مراقبة البيانات الأساسية ، بما في ذلك المسافة في المستوى XY وجمع المكافآت مع الطوابع الزمنية.
4. الحصول على البيانات: استخراج البيانات السلوكية الأكثر قيمة من النظام ، وهي بيانات موضعية ومكافآت مختومة زمنيا. يتم حفظ هذه البيانات بشكل منفصل كملفات سجل.
   1. بيانات المركز: للحصول على هذا ، اتبع الخطوات الموضحة أدناه.
      1. للحصول على بيانات موضعية XY مختومة زمنيا للفئران ، افتح أولا ملف جدول البيانات الخاص بمتاهة الحصول على البيانات المطلوبة. في الجدول 1 ، ضع الأمر WriteVRAndCamInfoToFile في إحدى الخلايا الموجودة أسفل الخلايا الأخرى في العمود A. الآن ، سيتم حفظ البيانات الموضعية كملف CSV مؤرخ (يسمى Log files-MM.DD.YYYY_VRandPathPos.csv) تلقائيا في مجلد التكوينات بعد الإصدار التجريبي.
      2. لتصدير بيانات الموضع بعد الإصدار التجريبي، أغلق تطبيق التحكم، وسيتم حفظ البيانات في ملف CSV مؤرخ. سيحتوي هذا الملف على جميع البيانات المحددة ليوم معين ، لذا احرص على ملاحظة وقت وضع كل موضوع على الكرة وإزالتها يدويا. افتح الملف واستوردره باستخدام مجموعة أحرف Unicode UTF-8. العمود A يسمى التاريخ والوقت ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق علامة التبويب A وانقر فوق تنسيق الخلايا. انتقل إلى الوقت وانقر فوق خيار MM / DD / YYYY HH: MM: SS . الآن ، سيتم فهرسة كل حدث من أحداث النظام ترتيبا زمنيا لمزيد من تحليل البيانات.
   2. بيانات المكافآت: للحصول على هذه البيانات، اتبع الخطوات الموضحة أدناه.
      1. يتم حفظ البيانات المتعلقة بتنشيط المضخة (توزيع المكافأة) تلقائيا كملفات سجل مؤرخة في النظام ، لذلك ليست هناك حاجة لوضع أمر مثل بيانات الموقف. للوصول إلى هذه ، انتقل إلى المجلد الفرعي ملفات السجل في مجلد التكوينات.
      2. كرر الخطوة 3.4.1 لبيانات الموضع لبيانات المكافأة لتصدير البيانات كملف جدول بيانات. افتح مجلد التكوينات وحدد ملف المكافأة المؤرخ (المسمى Corridor- MM.DD.YYYY أو Corridor_Linear_Run- MM.DD.YYYYY) عند عرضه في المجلد. سيوفر هذا التاريخ والوقت الذي حصلت فيه الفئران على المكافآت ، ويمكن للمرء استخدام ذلك في مزيد من تحليل البيانات اعتمادا على النموذج الذي استخدموه.

4. المهام السلوكية

ملاحظة: وفقا للمنهجيات المعمول بها في علم الأعصاب السلوكي ، تستخدم المهام المصاغة تقنية التعلم الترابطي القائمة على المكافأة. من خلال استخدام المكافآت الفورية لتعزيز سلوكيات محددة ، يتم تدريب بشكل فعال على تنفيذ المهام المتكررة ، والتي تسهلها قدرة النقل الآني للواقع الافتراضي. ضمن إطار سلوكي افتراضي ، تتيح وظيفة النقل الآني للفئران القدرة على الانخراط في المهام دون الضغط المرتبط بالتلاعب المادي ، مما يقلل في نفس الوقت من مدة الإعداد اللازمة لمهام العالم الحقيقي المماثلة. أثناء الجلسات التدريبية ، استخدم الإضاءة العلوية الحمراء الخافتة داخل الإعداد التجريبي. يوصى بهذا الاحتياط بسبب تناقص الحساسية الإدراكية البصرية لدى الفئران للضوء الأحمر ، مما يخفف من التداخل المحتمل في إدراكهم لشاشات الواقع الافتراضي (VR) ، بدلا من استخدام الضوء^{الأبيض 22}.

1. التعود
   1. ابدأ التعود على جهاز المشي الكروي في نفس الوقت الذي تعويدهم فيه على تنظيم السوائل لربط أنبوب اللعق بالمكافأة باستخدام الدافع الفسيولوجي المحدد في الوقت الصحيح. يوصى بفترة تعويد مدتها ثلاثة أيام قبل بدء تدريب المسار الخطي.
   2. في^{اليوم الأول} ، تعامل مع الفئران لمدة 5 دقائق بعد الوزن. خلال هذا التفاعل ، ينصح بإمساك غرسة قضيب الرأس برفق أثناء وجود الفئران في قفصها ، مما يخلق الإلمام بهذا التلاعب. عرفهم على المنطقة التي يوجد فيها الواقع الافتراضي في هذا اليوم للسماح لهم بتوقع البيئة المكانية التي ستجري فيها التجارب التجريبية. يتزامن هذا اليوم الأول من التعود مع بدء تنظيم السوائل بمقدار 15 مل لكل 100 مجم من كتلة الجسم.
   3. في^{اليوم الثاني} ، والذي يتماشى مع الانتقال إلى 10 مل لكل 100 مجم من خطوة تنظيم سوائل كتلة الجسم ، تعامل مرة أخرى مع الفئران لمدة 5 دقائق. استمر في الإمساك اللطيف المتكرر بقضيب الرأس أثناء وجودك في القفص. قم بلصق قضيب الرأس على الحامل مع السماح للفئران بالتعرف على جهاز المشي الكروي لمدة 5-20 دقيقة ، إما على مسار متكرر بلا حدود أو بدون تنشيط البرنامج. هذا يسهل تكيفهم مع حالة الرأس الثابتة. يجب أن يكون من المتوقع أن تفرز الفئران النفايات خلال هذه الفترة ، والتي تتضاءل عادة خلال الجلسات المتتالية.
   4. في^{اليوم الثالث} ، الذي يتوافق مع اليوم الأخير من نموذج تنظيم السوائل (5 مل لكل 100 مجم من كتلة الجسم) ، تعامل مع الفئران لمدة 5 دقائق. بعد ذلك ، قم بتوصيلها بإحكام بجهاز المشي الكروي المبطن بالهواء وقم بتعريفها بمكافآت سائلة من خلال أنبوب المكافأة.
      1. سيؤدي إدخال صنبور اللعق إلى الفئران الساذجة إلى إرباكهم في البداية ، لذا تأكد من أن الفأر يدرك أنه من المفترض أن يشرب من الأنبوب.
   5. دون أن تكون قويا جدا ، قم بتطبيق وضع إرشادات الماوس أدناه وقم بإضفاء الطابع الشخصي على وضع الماوس على الكرة فيما يتعلق بالأنبوب بطريقة تقدم لهم المكافأة بطريقة مريحة. عند البدء ، تأكد من أن الفئران تشرب من الأنبوب. سيحدث هذا في معظم الفئران بشكل طبيعي في ظل ظروف مقيدة بالماء عند تقديمها مع سائل للشرب.
2. وضع الفئران
   1. تحديد المواقع المسبقة: قبل وضع الماوس على الكرة ، قم بتمديد أنبوب المكافأة المركزي بقطرة صغيرة من المكافأة عند الحافة. قم بتمديد أنبوب المكافأة قبل وضع الماوس على الكرة لمنع أي إصابة محتملة ناتجة عن تمديد الأنبوب عن غير قصد إلى الأمام بمجرد تثبيت رأس الماوس. ارفع أنبوب المكافأة 5-15 مم فوق جهاز المشي الكروي بحيث يتطلب لعق الفوهة وضعية طبيعية للرأس متجها للأمام.
   2. تثبيت الرأس: لإصلاح رأس الماوس ، ضع الماوس على الجانب المهيمن للمعالج من جهاز المشي الكروي. بعد ذلك ، باستخدام اليد المهيمنة للمعالج ، اسحب الماوس من شريط الرأس باتجاه منصة تثبيت الرأس. ضع شريط الرأس في الفتحة المخصصة للتثبيت ، وبعد ذلك باستخدام اليد غير المهيمنة للمعالج ، انقر فوق شريط الرأس في مكانه.
   3. الموقع على الكرة: قم بتخصيص الوضع على جهاز المشي الكروي لكل فأر ولكن تأكد من استيفائه للمتطلبات التالية لضمان الدافع لتذوق المكافأة وتقليل المستويات الإجمالية للتوتر.
      1. قم بتبطين المستوى المتوسط السهمي للفأر بمركز جهاز المشي الكروي. في الحالات التي لا يكون فيها شريط الرأس مستقيما ، تأكد من أن المستوى المتوسط السهمي للماوس ، بدلا من قضيب الرأس ، يتماشى مع مركز الموضع. للحصول على وضوح بصري ، انظر الشكل 3C.
      2. تأكد من أن الكفوف الخلفية للفأر لا تزيد عن 11 سم من قمة جهاز المشي الكروي وأن الرأس خلف القمة. تأكد من أن جميع الكفوف الأربعة تلامس جهاز المشي وأن البطن يمكن أن يلمس جهاز المشي عندما يكون الماوس في حالة راحة ؛ سيدعم هذا المشية المناسبة والاستقرار على الكرة للجري.
      3. عندما لا تجري الفئران ، فإن هذا يسمى رفض الكرة. إذا استمرت الفئران في التجمد ولم تحاول الجري ، فمن المحتمل أنها تعاني من قلق مفرط ، وكما اختار المحقق استبعادها من التجربة. في هذه الدراسة ، تم استخدام عتبة كمية مدتها 5 أيام من رفض الكرة لتحديد الاستبعاد من البيانات.
   4. التحيز الجانبي: عندما تبدأ الفئران في التعود على روتين التدريب لأول مرة ، فإنها ستفضل جانبا على الآخر. يمكن أن يتداخل هذا مع أداء المهمة ، لذا احرص على التأكد من أن أي تفضيل جانبي لا يرجع إلى عدم التناسق في كيفية تركيب على الكرة. تتطلب مهمة المتاهة y المستخدمة هنا على وجه التحديد من اتخاذ خيارات اليمين واليسرى لتحسين تسليم المكافأة ، مما يسهل التغلب على التفضيلات الجانبية.
   5. صنبور المكافأة: يتضمن هذا النهج مناورة لطيفة يشار إليها باسم طريقة القبلة ، حيث يتم توجيه الماوس نحو أنبوب اللعق الممتد حتى يلامس فمه تقريبا طرف الفوهة ، مما يضمن التسليم الدقيق للمكافأة. اضبط مدة أنبوب المكافأة الممتد على 1 ثانية عندما تتلقى الفئران مكافآت ، مما يتيح للفأر وقتا كافيا لاستهلاك القطرة بالكامل. قم بتخصيص موضع صنبور اللعق لكل ماوس ، حيث قد يختلف الحجم والوضع المفضل لكل ماوس على حدة. تأكد من بقاء أنبوب المكافأة متمركزا خلال جميع التجارب لتوحيد اللعق ؛ يجب أن يتوقع الماوس دائما تلقي المكافأة في نفس الموقع الفعلي بغض النظر عن تصميم المتاهة الافتراضية.
      ملاحظة: في حين أن تحديد هذه المدة يخضع لتقدير المحقق ، فإن هذه النتائج تشير إلى أن هذا الإطار الزمني كان فعالا في تسهيل تناول الماوس الكامل للمكافأة قبل سحب الأنبوب. يعرض الشكل 3 ب مثالا على تحديد المواقع المفضل للتنسيب.
   6. المسار الخطي: تماشيا مع الدراسات السابقة التي تستخدم منهجيات مماثلة ، استخدم مهمة المسار الخطي للتحقيق في استفسارين رئيسيين: الوقت اللازم لتدريب الفئران على اجتياز ممر مستقيم ومعدل النجاح المتوقع لاكتساب الفئران للحصول على المكافآت.
      1. تأكد من أن الفئران قد تأقلمت مع كل من نموذج تقييد السوائل والأجهزة التجريبية.
      2. قم بإجراء جلسة يومية مدتها 30 دقيقة للتحرك على طول ممر افتراضي خطي يبدأ بطول 1 متر. عند الوصول إلى نهاية الممر وتلقي مكافأة قطرة السكر ، قم بنقل الفئران إلى نقطة البداية.
      3. حدد تقدما قائما على المعايير إلى متاهات أطول (على سبيل المثال ، 1 م ، 2 م ، 3 م). تقدم الفئران إلى طول المتاهة التالية بعد تحقيق يومين متتاليين من تلقي ما معدله مكافأتان في الدقيقة (الشكل 4 أ).
      4. قم بتوثيق التسجيلات اليومية للبيانات ذات الطابع الزمني المتعلقة باسترداد المكافآت ، والمسافة التي تقطعها الفئران على جهاز المشي الكروي لمزيد من التحليل (الشكل 4B-D).
      5. بالنسبة للفئران التي تتلقى ما معدله مكافآت في الدقيقة على المسارات الخطية التي يبلغ طولها 3 أمتار ، ضع علامة عليها على أنها بارعة في نموذج المسار الخطي. يوصى بأن تصل الفئران إلى هذه المرحلة قبل التقدم إلى مهام سلوكية أكثر تعقيدا تتطلب اتخاذ القرار.
   7. المهام السلوكية المعقدة التي تتطلب اتخاذ القرار (Y-Maze): تستكشف هذه المرحلة جدوى التقدم من مهمة سلوكية بسيطة إلى مهمة سلوكية أكثر تعقيدا تتطلب اتخاذ القرار. لتحقيق ذلك ، قم بإنشاء مهمة Y-Maze لتمييز الإشارة المبدأة.
      1. في نموذج المتاهة Y^23،24 هذا ، تأكد من أن الفئران تتنقل نحو نقطة اختيار حيث يمتد ذراعان 45 درجة في أي من الاتجاهين مثل شكل Y. قم بإلغاء تنشيط الدوران من نقطة بداية المتاهة حتى الوصول إلى نقطة الاختيار ، وذراعان مختلفان بالألوان ، ثم قم بتنشيطها داخل منطقة القرار للسماح للماوس بالدوران نحو الاتجاه المطلوب.
      2. عند الدخول إلى الذراع المؤدي إلى منطقة المكافأة ، قم بإلغاء تنشيط الدوران مرة أخرى. يمثل الذراع الأسود المسار الصحيح ، بينما يمثل الذراع الأبيض المسار غير الصحيح. استخدم الذراع السوداء والذراع البيضاء كإشارات لاستيعاب القيود المحتملة في حدة البصر للفأر حيث يمكن تمييزهما بسهولة ، مما يسهل فحص استخدامهم للمعلومات المرئية في أبسط أشكالهم.
      3. قم بتدريب الفئران على التنقل نحو الذراع السوداء للحصول على مكافأة من السكر ، مع انتهاء كل تجربة بإعادة الفئران إلى موقع البداية. قم بدمج خلط عشوائي لموقع المكافأة بين الجانبين الأيسر والأيمن في التصميم التجريبي ، مما يضمن أن الفئران تربط المكافأة بالإشارات المرئية بدلا من الجانب المحدد.
      4. استخدم نفس الخطوات لإعداد المتاهة Y مثل الممر الخطي. اعكس معايير التقدم في نموذج المتاهة Y لتلك الخاصة بالممر الخطي: تستغرق كل تجربة 30 دقيقة ، وتحتاج الفئران إلى الوصول إلى عتبة مكافأة محددة مسبقا لمدة يومين متتاليين. يوصى بعتبة 70٪ من المكافآت المكتسبة بشكل صحيح بناء على متوسط أداء الأفواج التجريبية السابقة في المتاهة Y. إنه أعلى من عتبة الفرصة (50٪) ، ويمثل نسبة مئوية يمكن تحقيقها بشكل معقول تشير إلى فهم الفئران للمهمة (الشكل 5 أ).
      5. عند الوصول إلى نقطة الاختيار ، تأكد من أن الماوس يختار أحد الأذرع الصحيحة أو غير الصحيحة. في نهاية الذراع ، قم بنقله فوريا إلى نقطة البداية لتكرار المتاهة في غضون إطار زمني مدته 30 دقيقة.
      6. استخدم هذا النهج نهجا مستوحى من الفيزياء النفسية البصرية حيث أصبح تمييز المتاهات أكثر صعوبة بشكل تدريجي. اتبع الوصف أدناه للتقدم في نموذج المتاهة Y.
         1. في المتاهة Y الأولية ، قدم أذرع صلبة بالأبيض والأسود عند نقطة اختيار المتاهة. إذا اختار الفأر بشكل صحيح الذراع السوداء ل 70٪ من التجارب لمدة يومين متتاليين ، فقم بتقدمه إلى مستوى لاحق مع مهام تمييز صعبة بشكل متزايد. لتحقيق ذلك ، أدخل تدريجيا 10٪ إضافية من اللون المتباين لكل ذراع في كل مستوى من مستويات التقدم. على سبيل المثال ، قم بتحويل الذراع البيضاء إلى أن تتكون من 90٪ أبيض و 10٪ أسود ، والعكس صحيح ، مما يجعل التمييز أكثر تطلبا مع كل تقدم.
            ملاحظة: فكرة الزيادة هي أنه إذا كان من الممكن الوصول إلى 50٪ أبيض / أسود ، فسيكون ذلك سيطرة فعالة لأن الأسلحة لن تكون قابلة للتمييز. ومع ذلك ، فإن أبعد ما تمكنت الفئران من التمييز بصريا كان 80٪: 20٪ (الشكل 5 ب).

النتائج

تهدف هذه الدراسة التجريبية إلى تحديد منهجيات التدريب الفعال للفئران في مهمتين متميزتين: ممر بسيط ومهمة معقدة لاتخاذ القرار (مهمة التمييز البصري Y-maze). كانت هذه البيانات بمثابة أساس لوضع إرشادات زمنية للتدريب السلوكي في الواقع الافتراضي.

تبدأ الخطوات الإجرائية بتحديد الزرع الجراحي لقضيب الرأس في الشكل 1. تعمل هذه الغرسة على تثبيت جمجمة الفأر أثناء التقييمات السلوكية ، وبالتالي تعزيز دقة التسجيلات العصبية ، خاصة عند استخدامها جنبا إلى جنب مع الفيزيولوجيا الكهربية أو تقنيات التصوير.

يوضح الشكل 2 والشكل 3 مكونات الأجهزة وإعداد النظام التجريبي. يوضح الشكل 2 تفاصيل نظام توصيل المياه ، والذي استخدم طريقة نافورة طبق بتري. تضمن ذلك لصق طبق بتري مقعر مقاس 60 مم × 15 مم لأسفل على أرضية القفص ، وتأمين جانب مقعر أصغر 35 مم × 10 مم من طبق بتري لأسفل في وسط الطبق الأكبر ، ووضع طبق بتري مقعر آخر مقعر 60 مم × 15 مم لأعلى فوق الطبق الأصغر ليكون بمثابة خزان مياه. تم تعديل ارتفاع الطبق العلوي بعناية لمنع التلوث بمواد الفراش مع ضمان سهولة وصول الفئران إلى الماء.

يعرض الشكل 3 إرشادات تحديد موضع أجهزة النظام والماوس. يصور الشكل 3A إعداد الواقع الافتراضي ، والذي يتميز بمجموعة من ست شاشات مع جهاز مشي كروي موضوعة في المركز. يوضح الشكل 3 ب الوضع الأمثل للفأر على جهاز المشي ، مع محاذاة الرأس في وضع طبيعي وجميع الكفوف الأربعة على اتصال بالسطح. يقارن الشكل 3C موضع الماوس الصحيح وغير الصحيح بالنسبة لشريط الرأس ، مع التأكيد على أن المستوى المتوسط السهمي للماوس يجب أن يكون في المنتصف ، بدلا من المحاذاة مع شريط الرأس نفسه.

يعرض الشكل 4 منحنيات اكتساب المكافآت على رسم بياني خطي ، يوضح فترات التعلم المتوقعة للممرات الضيقة 1 متر و 2 م و 3 أمتار في الواقع الافتراضي بناء على معلمات محددة مسبقا للتقدم. يصور متوسط سرعات الفئران عبر أطوال المسار المعنية ، مما يدل على زيادة تدريجية في السرعة كدليل على تعلم المهام وتحسينها بما يتناسب مع الصعوبة المتزايدة. يظهر أيضا رسم بياني شريطي يوضح متوسط عدد الأيام المطلوبة للفئران للوصول إلى معيار المسارات الخطية ، بالإضافة إلى رسم بياني شريطي يعرض متوسط السرعات لكل طول مسار. بعد ذلك ، يتم أيضا توضيح المراحل التقدمية لمهمة المسار الخطي التي تعلمتها الفئران. تم تصميم هذه المهام لتكرار المنهجيات المعمول بها في الأدبيات الأكاديمية مع ضمان منحنى تعليمي ممكن للفئران ، مما يسهل تقدمها عبر المستويات.

أخيرا ، يوفر الشكل 5 بيانات تتعلق بمهمة Y-Maze. يوضح الشكل الطبيعة التقدمية للمهمة ، بدءا من التمييز المباشر بين الأذرع الصلبة السوداء والبيضاء. تعمل هذه المرحلة الأولية كخطوة تأسيسية ، حيث تؤسس قدرة الفئران على التمييز بين الإشارات البصرية المتناقضة. تقدم المستويات اللاحقة من المهمة تعقيدا متزايدا من خلال دمج نسب إضافية من اللون المتباين لكل ذراع ، وبالتالي تحدي قدرات الفئران على التمييز بشكل أكبر. يتجلى الزيادة التدريجية لصعوبة المهمة من خلال الانتقال من أذرع صلبة بالأبيض والأسود إلى أذرع مكونة من 90٪ من لون واحد و 10٪ من الآخر. والجدير بالذكر أن البيانات المقدمة في الشكل 5 تشير إلى أنه بينما تتحسن دقة التمييز مع كل مستوى من مستويات التقدم ، تظهر بعض الفئران باستمرار عتبة من القدرة على التمييز البصري ، حيث تصل إلى 80٪ / 20٪ كحد أقصى للتمييز الأبيض / الأسود. تؤكد هذه الملاحظة على القيود الكامنة في قدرات التمييز البصري للفئران في سياق مهمة Y-Maze ، مما يوفر رؤى قيمة حول جدوى المهمة والقدرات المعرفية للأشخاص. بعد ذلك ، تم تفصيل المراحل التقدمية لمهمة مسار المتاهة Y ، والتي تم تصميمها لتتماشى مع المنهجيات المعمول بها في الأدبيات. ضمنت هذه المراحل منحنى تعليمي ممكن للفئران ، مما دعم تقدمها التدريجي عبر المستويات.

الشكل 1: التعليمات الجراحية لزرع قضيب الرأس. (أ) يتم وضع علامة على موقع الشق على جمجمة الفأر. (ب) يجب زرع البراغي 1 مم على يسار الخيط الجبهي أسفل بريجما بقليل و 3 مم على يمين الخيط الجبهي فوق لامدا بقليل. (ج) يجب وضع قضيب الرأس على طول الخيط بين الجبهات. (د) ضع أسمنت الأسنان على غرسة قضيب الرأس. (ه) التصور الفعلي لقضيب الرأس بعد وضع الأسمنت الأسنان. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: نظام توصيل المياه باستخدام طريقة نافورة طبق بتري. تم تثبيت طبق بتري مقاس 60 مم × 15 مم على الجانب المقعر لأسفل على أرضية القفص. تم وضع طبق بتري أصغر مقاس 35 مم × 10 مم على الطبق الأكبر ، مع طبق بتري آخر مقاس 60 مم × 15 مم يوضع في الأعلى ليكون بمثابة خزان. يضمن هذا الإعداد بقاء المياه غير ملوثة بالفراش ويمكن الوصول إليها من قبل الفئران. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: أجهزة النظام وتحديد موضع إرشادات الماوس. (أ) يعرض هذا إعداد الواقع الافتراضي المستخدم. تم استخدام إعداد من ست شاشات ، مع وضع جهاز المشي الكروي في المنتصف. (ب) منظر جانبي لوضع الماوس الأمثل على جهاز المشي الكروي. رأس الفأر في وضع طبيعي ، بينما توجد جميع الكفوف الأربعة على جهاز المشي الكروي. (ج) المنظر العلوي لوضع الماوس الصحيح مقابل غير الصحيح فيما يتعلق بشريط الرأس. من أجل الموضع الصحيح ، يجب أن يكون المستوى المتوسط السهمي للماوس في المنتصف بدلا من شريط الرأس نفسه. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: بيانات المسار الخطي. (أ) تصور البيانات المقدمة المكافآت اليومية التي تم جمعها خلال كل فترة تجريبية مدتها 30 دقيقة. تقدمت الفئران إلى أطوال مسار أطول بمجرد تحقيق متوسط مكافآتين في الدقيقة على مدار يومين متتاليين ، بإجمالي 60 مكافأة (عتبة). (ب) عندما اكتسبت الفئران الكفاءة في المهمة ، أظهرت سرعاتها زيادة تدريجية ، مما يدل على فعالية تعزيز المكافأة. يوضح الرسم البياني متوسط السرعة اليومية لكل فأر على المسار بسم / ثانية ، ويصور تقدما خطيا في السلوك المكتسب. (ج) يوضح هذا الرسم البياني الشريطي المدة التي يستغرقها كل فأر لاكتساب الكفاءة في أطوال المسار الفردية ، مع الوسائل ذات الصلة والخطأ المعياري المبين المبين لكل طول مسار. (د) يوضح هذا الرسم البياني الشريطي متوسط الخطأ القياسي لمتوسط السرعات اليومية التي حققها كل فأرة عبر أطوال مسارات مختلفة. يشير التقدم الخطي تقريبا إلى تحسين مكتسب في سرعة الجري. (ه) يوضح هذا تقدم مهمة المسار الخطي ، والتي تتطلب يومين تجريبيين متتاليين من 60 مكافأة قبل التقدم إلى نسخة أطول من المتاهة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: بيانات Y-Maze. (أ) يوضح هذا توزيع المكافآت المكتسبة في مراحل مختلفة من تقدم متاهة Y. ركز هذا التحليل حصريا على مجموعة فرعية من أربعة فئران أكملت جميع مراحل المسار الخطي ، وبالتالي ضمان تمثيل عادل لكل من المشاركين من الذكور والإناث. (ب) يوضح هذا التمثيل المرئي مراحل مهمة Y-Maze ، حيث تتقدم الفئران عند تحقيق يومين متتاليين من الخيارات الصحيحة بنسبة 70٪. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

استخدمت هذه الدراسة نهجا شاملا للتحقيق في الاستجابات السلوكية للفئران في بيئات الواقع الافتراضي ، مع التركيز على تنفيذ الإجراءات الجراحية ، وبروتوكولات تقييد السوائل ، وإعداد النظام ، والمهام السلوكية. تساهم هذه النتائج في المجال من خلال توفير التفاصيل الإجرائية والأطر الزمنية للتدريب ومعدلات النجاح. سيمكن ذلك من اعتماد إجراءات الواقع الافتراضي بشكل أكثر فعالية في الفئران ويسهل التخطيط والتنفيذ للمختبرات المهتمة باستخدام هذا الإجراء في أبحاثها.

كان الزرع الجراحي لقضبان الرأس ضروريا لتسهيل التجارب السلوكية الثابتة بالرأس في بيئات الواقع الافتراضي. من خلال اتباع البروتوكولات المعمول بها بعناية وتوفير الرعاية المناسبة بعد الجراحة ، تم ضمان التكامل الناجح لقضبان الرأس مع تقليل الآثار الضارة على صحة وسلوكها. بالإضافة إلى ذلك ، تم تنفيذ بروتوكولات تقييد السوائل لتنظيم تناول الماء والحفاظ على مستويات الترطيب والعطش بين الفئران. كانت عملية التأقلم التدريجي والوصول الدوري إلى المياه أمرا بالغ الأهمية لضمان رفاهية مع تسهيل تنفيذ المهام السلوكية.

تضمن إعداد النظام السلوكي VR دمج مكونات الأجهزة والبرامج لإنشاء بيئات افتراضية غامرة للفئران. أتاح استخدام شاشات العرض الافتراضية الغامرة بالكامل وأنظمة المكافآت السائلة وكرات الستايروفوم كأجهزة المشي الكروية وحاملات الرأس التحكم الدقيق في الظروف التجريبية والحصول على البيانات. تم تصميم المهام السلوكية ، بما في ذلك المسار الخطي ونماذج المتاهة Y ، بعناية للتحقيق في الجوانب الرئيسية لسلوك الماوس ، مثل الحركة واتخاذ القرار ومعالجة المكافآت.

على الرغم من بذل قصارى جهدها لتحسين الإجراءات التجريبية ، تمت مواجهة العديد من التحديات أثناء الدراسة. شكل التباين في استجابات الماوس الفردية والقضايا التقنية المتعلقة بتكامل الأجهزة والبرامج تحديات لجمع البيانات وتحليلها. بالإضافة إلى ذلك ، استلزم الاعتماد على بروتوكولات تقييد السوائل مراقبة دقيقة لحالة ترطيب وتعديل الإجراءات التجريبية وفقا لذلك. في بعض الأحيان ، تكافح الفئران عند وضعها على الكرة ، ولا تشرب من صنبور المكافأة ، أو تتجمد وتفشل في الركض على الكرة. على الرغم من أن بعض هذه التحديات قد تكون مؤقتة ، إلا أنه من الأهمية بمكان مراقبة الفئران للتأكد من أنها لا تواجه عوائق في تقدمها. يجب سحب الفئران التي تفشل في إظهار التقدم مقارنة بأقرانها من الدراسة. تمت إزالة 4 من 55 فأرا في إحدى التجارب المماثلة بسبب عدم قدرتها على تعلم النموذج²⁵. تم استبعاد الفئران التي تظهر جمودا ثابتا على الكرة لمدة 5 أيام متتالية من الدراسة بعد تقييمات شاملة لوزنها ، والقدرة على الوصول إلى صنبور المكافأة للشرب ، والوضع على الكرة لضمان عدم وجود مشكلات أساسية. في هذه الحالات ، الأمر متروك لتقدير الباحث لتحديد الإستراتيجية التي يجب اتخاذها لاستئناف الدراسة بكفاءة.

تم تصميم بروتوكولات التدريب هذه لتحدي الفئران تدريجيا مع ضمان كفاءتها في تنفيذ المهام السلوكية. استندت معايير التقدم من المسار الخطي إلى نموذج المتاهة Y على قدرة الفئران على تلبية عتبات الأداء المحددة مسبقا ، مثل تحقيق أيام متتالية من التجارب الناجحة واكتساب المكافآت. سمح لنا تنفيذ بروتوكولات التدريب الصارمة بتقييم القدرات السلوكية للفئران وقدرتها على التكيف مع المهام المعقدة بشكل متزايد. توفر هذه البروتوكولات المنظمة بعناية إطارا قويا للباحثين في مجال علم الأعصاب السلوكي ، حيث تقدم نهجا منهجيا لتقييم وتدريبها على النماذج التجريبية المتنوعة. من خلال تحديد معايير واضحة للتقدم ، يمكن للباحثين قياس منحنى التعلم للموضوعات التجريبية بكفاءة وتنظيم نماذج التدريب وفقا لذلك. علاوة على ذلك ، يعزز هذا النهج المنهجي قابلية التكاثر والتوحيد القياسي عبر التجارب ، مما يسهل التحليلات المقارنة ويعزز فهم العمليات المعرفية وآليات التعلم في النماذج الحيوانية.

عند تصميم نموذج الواقع الافتراضي للفئران ، من الأهمية بمكان التعرف على مجموعة الأساليب المتاحة فيما يتعلق بتعقيد المهمة وتقدم التدريب. يوفر هذا البروتوكول إطارا واسعا لبناء تصميم تجريبي ، ومع ذلك يظل الأمر متروكا للباحث لتصميم جوانب محددة مثل تقديم المكافأة ، والتحكم في التحيز ، ونوع التحفيز ، وتقدم المهمة ، ومعلمات النظام وفقا لاحتياجات الدراسة. على سبيل المثال ، تختار بعض الدراسات نهجا أكثر انسيابية ، مع التركيز على المشاركة الفورية في المهام. مثال على ذلك هو Krumin et al. الذي نفذ مهمة متاهة T واحدة متسقة بدلا من استخدام نظام تعليمي تدريجي بين المهام المختلفة. في المقابل ، تقدم دراسات أخرى مكونات تصميم تجربة متنوعة ، مثل استراتيجيات تعزيز التحفيز والإشارات السمعية. استخدمت الدراسة التغذية الراجعة السمعية كعقاب على التجارب غير الصحيحة وقدمت الماء فقط كمكافأة للتجارب الصحيحة²⁶. على العكس من ذلك ، استخدم Zhao et al. محلول السكروز بنسبة 10٪ كمكافأة على التجارب الصحيحة ولم يتضمن أي شكل من أشكال العقاب على التجارب غير الصحيحة²⁷. بدلا من ذلك ، ركزوا على التخفيف من الاستجابات غير الصحيحة من خلال طرق مثل التدريب المضاد للتحيز ، والذي تضمن زيادة احتمالية تبديل اتجاه الإشارة من الاختيار السابق للحيوان وتعديل بدل الماء اليومي لتعزيز الدافع. يمكن أن تؤدي الاختلافات في التصميم التجريبي ، مثل وجود الإشارات المكانية طوال المهمة ، إلى تفسيرات متفاوتة للترميز العصبي ، كما يتضح من Zhao et al. العثور على انتقائية خلية القشرة الجدارية الخلفية التي تفسرها المسارات والتفضيلات المكانية ، على عكس تسلسلات التنشيط المعتمدة على الاختيار التي لاحظتها Harvey et al.^27،28. من المهم ملاحظة أن الأجهزة المحددة المستخدمة تضمنت ست شاشات LCD ، وصنبور لعق قابل للتمديد ، وجهاز مشي كروي من الستايروفوم مبطن بالهواء. هناك عدد من الاختلافات عبر أنظمة الواقع الافتراضي عبر المختبرات ، بما في ذلك استخدام أجهزة العرض²⁹ مقابل شاشات الكمبيوتر ، وأجهزة المشي غير الكروية³⁰ ، و¹⁰ مقابل صنبور اللعق القابل للتمديد.

في الختام ، تقدم هذه الدراسة رؤى قيمة حول الاستجابات السلوكية للفئران في بيئات الواقع الافتراضي وتوضح جدوى استخدام التكنولوجيا الغامرة للتحقيق في السلوكيات المعقدة. قد تركز المساعي البحثية المستقبلية على تحسين البروتوكولات التجريبية ، واستكشاف الآليات العصبية الكامنة وراء عمليات صنع القرار ، وترجمة النتائج إلى التطبيقات السريرية. من خلال الاستمرار في تعزيز فهم سلوك الفأر ، يمكن للعلماء توضيح الدوائر العصبية والعمليات المعرفية الكامنة وراء السلوكيات المعقدة في كل من الصحة والمرض.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
2.4 mm Screws (00-96 X 3/32)	Protech International	8L0X3905202F	For Added Headbar Stability
Bupivocaine	Hospira	NDC:0409-1162-19	Local Anesthetic
Buprenorphine	Wedgewood Pharmaceuticals	SKU: BUPREN-INJ010VC	Analgesia
Buzzers	Wahl	1565q	For Shaving Surgical Region
Drill and microinjection robot	Neurostar	17129-IDA	Stereotaxis
GLUture	Zoetis	32046	Surgical Adhesive
Head-bar Implant	Luigs-Neumann	130060	Mouse Head Implant
Heating Pad (Lectro-Kennel)	K&H Manufacturing	100212933	Post-operative
Hemostats	World Precision Instruments	501291	Surgical Tool
Hydrogen Peroxide	Swam	L0003648FB	Cleaning Agent
Isoflurane	Dechra	B230008	Surgical Inhalation Anesthetic
Isoflurane/O2 Delivery device w Nosecomb attachments	Eagle Eye Anesthesia Inc.	Model 50 Anesthesia	Surgical Device
Metabond	Parkell	CB-S380	Adhesive Cement
Microscissors	Fine Science Tools	15000-08	Surgical Tool
Oxygen	Praxair	UN1072	Surgical Oxygen
Povidone-Iodine Swabstick	Dynarex	g172095-05	Surgical Tool
Saline	Hospira	NDC:0409-1966-02	Hydration Agent
Sterile Cotton Tipped Applicator (Q-tips)	Puritan	25-806 2WC	Surgical Tool
Sucrose	Fisher Chemical	CAS 57-50-1	Primary Reinforcer/Motivator/Reward
Tweezers	World Precision Instruments	504505	Surgical Tool
Virtual Reality System	PhenoSys	JetBall-TFT	The JetBall, an air cushioned spherical treadmill allows an animal to navigate effortlessly in a virtual world projected on 6 surrounding monitors.
White petrolatum lubricant eye ointment ointment	AACE Pharmaceuticals	NDC:71406-124-35	Eyelube