Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
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.
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.
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 ve entorinal korteks5'teki ızgara hücrelerinin keşfi, hipokampus içindeki bilişsel haritanın nasıl oluştuğuna ışık tutarken, hipokampüsün spesifik nöral alt tiplerinin, mikrodevrelerinin ve bireysel alt bölgelerinin (dentat girus ve kornu ammonis alanları, CA3-1) nasıl etkileşime girdiği ve mekansal hafıza oluşumu ve geri çağırmasına nasıl katıldığı hakkında birçok soru devam etmektedir.
İn vivo iki foton görüntüleme, duyusal nörofizyolojide hücresel ve popülasyon dinamiklerini ortaya çıkarmada yararlı bir araç olmuştur 6,7; Bununla birlikte, baş desteği için tipik gereklilik, memeli mekansal davranışını incelemek için bu yöntemin yararlılığını sınırlar. Sanal gerçekliğin (VR)8 ortaya çıkışı, hipokampus 8,9,10 ve korteks11'de uzamsal ve bağlamsal kodlamayı incelemek için kafası kısıtlanmış fareler bir top veya koşu bandı üzerinde koşarken, sürükleyici ve gerçekçi görsel uzamsal ortamlar sunarak bu eksikliği gidermiştir. Ayrıca, VR ortamlarının davranan farelerle kullanılması, sinirbilim araştırmacılarının, VR ortamının12 unsurlarını (örneğin, görsel akış, bağlamsal modülasyon) Morris su labirenti, Barnes labirenti veya delik tahtası görevleri gibi gerçek dünyadaki mekansal öğrenme deneylerinde mümkün olmayan şekillerde hassas bir şekilde kontrol ederek mekansal davranışın bileşenlerini incelemelerine izin vermiştir.
Görsel VR ortamları tipik olarak, hareketli bir 3B ortamı gerçek zamanlı olarak bir ekranda modellemek için gereken binlerce çokgeni hızlı bir şekilde hesaplama yükünü üstlenen bir bilgisayarın grafik işlem biriminde (GPU) işlenir. Büyük işleme gereksinimleri genellikle, hareket hayvanın altındaki bir koşu bandından, tekerlekten veya köpük topundan kaydedildiğinden, görsel ortamı bir monitöre, birden fazla ekrana13 veya projektör 14'e işleyen bir GPU'ya sahip ayrı bir bilgisayarın kullanılmasını gerektirir. VR ortamını kontrol etmek, işlemek ve yansıtmak için ortaya çıkan aparat, bu nedenle, nispeten pahalı, hantal ve hantaldır. Ayrıca, literatürdeki bu tür birçok ortam, hem pahalı hem de yalnızca özel bir PC'de çalıştırılabilen özel mülk yazılımlar kullanılarak uygulanmıştır.
Bu nedenlerden dolayı, Raspberry Pi tek kartlı bir bilgisayar kullanarak kafası kısıtlanmış farelerde mekansal öğrenme davranışlarını incelemek için açık kaynaklı bir VR sistemi tasarladık. Bu Linux bilgisayar hem küçük hem de ucuzdur, ancak VR ortamlarının çeşitli bireysel kurulumlarda ekran veya davranışsal aparatlarla entegrasyonuna izin veren 3D oluşturma için bir GPU çipi içerir. Ayrıca, Python ile yazılmış "HallPassVR" adlı bir grafik yazılım paketi geliştirdik, bu da grafik kullanıcı arayüzü (GUI) kullanılarak seçilen özel görsel özellikleri yeniden birleştirerek basit bir görsel uzamsal ortam, sanal bir doğrusal parça veya koridor oluşturmak için tek kartlı bilgisayarı kullanıyor. Bu, pekiştirmeli öğrenmeyi kolaylaştırmak için diğer duyusal uyaran modalitelerinin veya ödüllerin sunulması gibi hareketleri ölçmek ve davranışı koordine etmek için mikrodenetleyici alt sistemleriyle (örneğin, ESP32 veya Arduino) birleştirilir. Bu sistem, mekansal öğrenme davranışının altında yatan nöral devreleri incelemek için iki fotonlu görüntüleme (veya kafa fiksasyonu gerektiren diğer teknikler) sırasında kafa kısıtlı farelere görsel uzamsal VR ortamları sunmak için ucuz, esnek ve kullanımı kolay bir alternatif yöntem sunar.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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 kısıtlanmış farenin görme alanı15,16 üzerinde ortalanmış kompakt bir sarma parabolik ekrana çıkarılırken, davranış (örneğin, uzamsal ödüllere yanıt olarak yalama) ikinci bir davranış ESP32 mikrodenetleyicisi ile ölçülür. Grafik yazılım paketi, bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) ile sanal bir koridor veya koridor boyunca tekrarlanan görsel uyaran kalıplarından oluşan sanal doğrusal iz ortamlarının oluşturulmasını sağlar. Bu tasarım kolayca parametrelendirilir, böylece beynin mekansal öğrenme sırasında yerleri ve görsel ipuçlarını nasıl kodladığını anlamayı amaçlayan karmaşık deneylerin oluşturulmasına izin verir (bkz. bölüm 4). Bu sistem için gerekli özel donanım bileşenlerine yönelik tasarımlar (yani, koşu tekerleği, projeksiyon ekranı ve baş bağlama aparatı) genel bir GitHub deposunda (https://github.com/GergelyTuri/HallPassVR) biriktirilir. Site, sistemin gelecekteki geliştirmeleriyle güncelleneceğinden, bu deponun belgelerini bu protokolle birlikte okumanız önerilir.
1. Donanım kurulumu: Koşu tekerleğinin, projeksiyon ekranının ve kafa sabitleme aparatının yapımı
NOT: Bu kurulumlar için özel bileşenler, kullanıcının 3D baskı ve lazer kesim ekipmanlarına erişimi varsa kolayca üretilebilir veya profesyonel üretim veya 3D prototipleme hizmetlerine (örneğin, eMachinehop) dış kaynak sağlanabilir. Tüm tasarım dosyaları . STL 3D dosyaları veya . DXF AutoCAD dosyaları.
2. Elektronik donanım/yazılım kurulumu (tek kartlı bilgisayar, ESP32 mikrodenetleyicileri, Şekil 2)
3. Grafik yazılım paketinin çalıştırılması ve test edilmesi
NOT: Bir VR doğrusal parça ortamı başlatmak, VR yazılımı ve davranış ESP32 kodundaki mesafeleri kalibre etmek ve birlikte verilen İşleme dili çizimi ile farenin çalışma ve yalama davranışının edinilmesini ve çevrimiçi çizimini test etmek için grafik yazılım paketi GUI'yi çalıştırın.
4. Fare eğitimi ve mekansal öğrenme davranışı
NOT: Fareler baş sabitleme için implante edilir, baş dayanağına alıştırılır ve daha sonra direksiyonda koşmak ve kademeli olarak sıvı ödülleri için tutarlı bir şekilde yalamak üzere eğitilir ("rastgele yiyecek arama"). Tutarlı koşu ve yalama elde eden fareler daha sonra sanal doğrusal pistte görsel bir ipucunun ardından tek bir ödül bölgesinin sunulduğu VR ortamını kullanarak mekansal bir gizli ödül görevi üzerinde eğitilir. Uzamsal öğrenme daha sonra ödül bölgesinden hemen önceki pozisyonlar için artan yalama seçiciliği olarak ölçülür.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Clay Lacefield, bu protokolde kullanılan OMwSmall PCB için ücretsiz tasarımlar sağlayan OpenMaze.org'in kurucusu ve geliştiricisidir.
Harvey laboratuvarından Noah Pettit'e bu yazıdaki protokolü geliştirirken tartışma ve önerileri için teşekkür ederiz. Bu çalışma, NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) ve NIMH R01MH068542 (R.H.) 'ye ek olarak BBRF Genç Araştırmacı Ödülü ve NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.) tarafından desteklenmiştir.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır