Kafası kısıtlanmış farelerde uzamsal öğrenmenin ölçülmesi için açık kaynaklı bir sanal gerçeklik sistemi

Özet

Burada, sanal gerçeklik (VR) kullanarak fare uzamsal öğrenimini araştırmak için basitleştirilmiş bir açık kaynaklı donanım ve yazılım kurulumu sunuyoruz. Bu sistem, bir mikrodenetleyici ağı ve kullanımı kolay bir Python grafik yazılım paketi çalıştıran tek kartlı bir bilgisayar kullanarak bir tekerlek üzerinde çalışan kafası kısıtlanmış bir fareye sanal bir doğrusal iz görüntüler.

Özet

Farelerde kafa kısıtlı davranışsal deneyler, sinirbilimcilerin yüksek çözünürlüklü elektrofizyolojik ve optik görüntüleme araçlarıyla sinir devresi aktivitesini gözlemlemelerini sağlarken, davranan bir hayvana hassas duyusal uyaranlar sağlar. Son zamanlarda, sanal gerçeklik (VR) ortamlarını kullanan insan ve kemirgen çalışmaları, VR'nin, mekansal ve bağlamsal ipuçları gibi parametreler üzerinde son derece hassas kontrol nedeniyle, hipokampus ve kortekste mekansal öğrenmenin altında yatan nöral mekanizmaları ortaya çıkarmak için önemli bir araç olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, kemirgen mekansal davranışları için sanal ortamlar kurmak maliyetli olabilir ve mühendislik ve bilgisayar programlamada kapsamlı bir arka plan gerektirir. Burada, araştırmacıların bir VR ortamı kullanarak kafası kısıtlanmış farelerde mekansal öğrenmeyi incelemelerini sağlayan ucuz, modüler, açık kaynaklı donanım ve yazılıma dayanan basit ama güçlü bir sistem sunuyoruz. Bu sistem, hareketi ölçmek ve davranışsal uyaranlar vermek için birleştirilmiş mikrodenetleyiciler kullanırken, kafası kısıtlanmış fareler, tek kartlı bir bilgisayarda çalışan bir grafik yazılım paketi tarafından oluşturulan sanal bir doğrusal iz ortamıyla uyum içinde bir tekerlek üzerinde çalışır. Dağıtılmış işlemeye yapılan vurgu, araştırmacıların memeli beynindeki nöral devre aktivitesi ile mekansal öğrenme arasındaki bağlantıyı belirlemek için farelerde karmaşık mekansal davranışları ortaya çıkarmak ve ölçmek için esnek, modüler sistemler tasarlamalarına olanak tanır.

Giriş

Mekansal navigasyon, hayvanların yeni yerlerin özelliklerini olası ödül alanlarını bulmak ve potansiyel tehlike alanlarından kaçınmak için kullanılan bilişsel bir haritaya kodladığı etolojik olarak önemli bir davranıştır. Hafıza ile ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olan uzamsal navigasyonun altında yatan bilişsel süreçler, hipokampus¹ ve kortekste bir nöral substratı paylaşır; burada bu alanlardaki nöral devreler gelen bilgileri bütünleştirir ve daha sonra hatırlamak için ortamların ve olayların bilişsel haritalarını oluşturur². Hipokampus ^3,4'teki yer hücrelerinin

Protokol

Bu protokoldeki tüm prosedürler New York Eyalet Psikiyatri Enstitüsü Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi tarafından onaylanmıştır.

NOT: Tek kartlı bir bilgisayar, kafası kısıtlanmış bir farenin tekerlek üzerinde çalışmasıyla koordine edilmiş bir VR görsel ortamını görüntülemek için kullanılır. Hareket bilgileri, tekerlek aksına bağlı döner bir kodlayıcıyı okuyan bir ESP32 mikrodenetleyicisinden seri giriş olarak alınır. VR ortamı, Raspberry Pi için pi3d Python 3D paketini kullanan Raspberry Pi GPU'daki OpenGL donanım hızlandırma kullanılarak oluşturulur. İşlenen ortam daha sonra bir projektör aracılığıyla, kafası kısıtlanm....

Sonuçlar

Bu açık kaynaklı sanal gerçeklik davranış kurulumu, yalama davranışını, kafası kısıtlanmış fareler sanal bir doğrusal iz ortamında gezinirken mekansal öğrenmenin bir okuması olarak ölçmemize izin verdi. 4 aylıkken her iki cinsiyetten yedi C57BL / 6 fare, sınırlı bir su programına yerleştirildi ve ilk önce VR olmadan rastgele mekansal ödüller ("rastgele yiyecek arama") için direksiyonda koşarken düşük seviyelerde sürekli yalamak üzere eğitildi. Performansları başlangıçta 2 m rast.......

Tartışmalar

Fareler için bu açık kaynaklı VR sistemi, yalnızca döner ve davranışlı ESP32 mikrodenetleyicileri ile IDE seri monitörü (adım 2.4.5) kullanılarak doğrulanabilen tek kartlı bilgisayar (adım 2) arasında seri bağlantılar düzgün bir şekilde yapılırsa çalışacaktır. Bu protokolden başarılı davranışsal sonuçlar elde etmek için (adım 4), fareler cihaza alışmalı ve sıvı ödüller için direksiyonda rahatça çalışmalıdır (adım 4.3-4.5). Bu, yeterli (ancak aşırı olmayan) su kısıtl.......

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4 " diam aluminum rod	McMaster-Carr	9062K26	3" in length for wheel axle
1/4"-20 cap screws, 3/4" long (x2)	Amazon.com	B09ZNMR41V	for affixing head post holders to optical posts
2"x7" T-slotted aluminum bar (x2)	8020.net	1020	wheel/animal mounting frame
6" diam, 3" wide acrylic cylinder (1/8" thick)	Canal Plastics	33210090702	Running wheel (custom width cut at canalplastics.com)
8-32 x 1/2" socket head screws	McMaster-Carr	92196A194	fastening head post holder to optical post
Adjustable arm (14")	Amazon.com	B087BZGKSL	to hold/adjust lick spout
Analysis code (MATLAB)		custom written	file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis code
Axle mounting flange, 1/4" ID	Pololu	1993	for mounting wheel to axle
Ball bearing (5/8" OD, 1/4" ID, x2)	McMaster-Carr	57155K324	for mounting wheel axle to frame
Behavior ESP32 code		custom written	file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Behavior board
Black opaque matte acrylic sheets (1/4" thick)	Canal Plastics	32918353422	laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly
Clear acrylic sheet (1/4" thick)	Canal Plastics	32920770574	laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR wheel assembly
ESP32 devKitC v4 (x2)	Amazon.com	B086YS4Z3F	microcontroller for behavior and rotary encoder
ESP32 shield	OpenMaze.org	OMwSmall	description at www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). ZIP gerber files at: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Fasteners and brackets	8020.net	4138, 3382,3280	for wheel frame mounts
goniometers	Edmund Optics	66-526, 66-527	optional for behavior. Fine tuning head for imaging
HallPassVR python code		custom written	file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
Head post holder		custom design	3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/Headpost Clamp
LED projector	Texas Instruments	DLPDLCR230NPEVM	or other small LED projector
Lick spout	VWR	20068-638	(or ~16 G metal hypodermic tubing)
M 2.5 x 6 set screws	McMaster-Carr	92015A097	securing head post
Matte white diffusion paper	Amazon.com		screen material
Metal headposts		custom design	3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/head post designs
Miscellenous tubing and tubing adapters (1/16" ID)			for constructing the water line
Optical breadboard	Thorlabs	as per user's requirements
Optical posts, 1/2" diam (2x)	Thorlabs	TR4	for head fixation setup
Processing code		custom written	file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing code
Raspberry Pi 4B	raspberry.com, adafruit.com		Single-board computer for rendering of HallPassVR envir.
Right angle clamp	Thorlabs	RA90	for head fixation setup
Rotary encoder (quadrature, 256 step)	DigiKey	ENS1J-B28-L00256L	to measure wheel rotation
Rotary encoder ESP32 code		custom written	file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Rotary encoder
SCIGRIP 10315 acrylic cement	Amazon.com
Shaft coupler	McMaster-Carr	9861T426	to couple rotary encoder shaft with axle
Silver mirror acrylic sheets	Canal Plastics	32913817934	laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly
Solenoid valve	Parker	003-0137-900	to administer water rewards