Name: an open-source virtual reality system for the measurement of spatial learning in head-restrained mice
Uploaded: 2023-03-03T13:33:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Open-Source Virtual Reality System for the Measurement of Spatial Learning in Head-Restrained Mice Video at JoVE.com

نود أن نشكر نوح بيتيت من مختبر هارفي على المناقشة والاقتراحات أثناء تطوير البروتوكول في هذه المخطوطة. تم دعم هذا العمل من خلال جائزة BBRF للمحققين الشباب و NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.) ، بالإضافة إلى NINDS R56NS128177 (R.H. ، C.L.) و NIMH R01MH068542 (RH).

تمت الموافقة على جميع الإجراءات في هذا البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوان التابعة لمعهد ولاية نيويورك للطب النفسي.
ملاحظة: يتم استخدام كمبيوتر أحادي اللوحة لعرض بيئة مرئية للواقع الافتراضي منسقة مع تشغيل ماوس مثبت الرأس على عجلة. يتم تلقي معلومات ال...

<ol>
	<li>Lisman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viewpoints:+How+the+hippocampus+contributes+to+memory,+navigation+and+cognition.">Viewpoints: How the hippocampus contributes to memory, navigation and cognition.</a> Nature Neuroscience. 20 (11), 1434-1447 (2017).</li><li>Buzsaki, G., Moser, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memory,+navigation+and+theta+rhythm+in+the+hippocampal-entorhinal+system.">Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system.</a> Nature Neuroscience. 16 (2), 130-138 (2013).</li><li>O'Keefe, J., Dostrovsky, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hippocampus+as+a+spatial+map.+Preliminary+evidence+from+unit+activity+in+the+freely-moving+rat.">The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat.</a> Brain Research. 34 (1), 171-175 (1971).</li><li>O'Keefe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Place+units+in+the+hippocampus+of+the+freely+moving+rat.">Place units in the hippocampus of the freely moving rat.</a> Experimental Neurology. 51 (1), 78-109 (1976).</li><li>Fyhn, M., Molden, S., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+representation+in+the+entorhinal+cortex.">Spatial representation in the entorhinal cortex.</a> Science. 305 (5688), 1258-1264 (2004).</li><li>Letzkus, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+disinhibitory+microcircuit+for+associative+fear+learning+in+the+auditory+cortex.">A disinhibitory microcircuit for associative fear learning in the auditory cortex.</a> Nature. 480 (7377), 331-335 (2011).</li><li>Lacefield, C. O., Pnevmatikakis, E. A., Paninski, L., Bruno, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reinforcement+learning+recruits+somata+and+apical+dendrites+across+layers+of+primary+sensory+cortex.">Reinforcement learning recruits somata and apical dendrites across layers of primary sensory cortex.</a> Cell Reports. 26 (8), 2000-2008 (2019).</li><li>Dombeck, D. A., Harvey, C. D., Tian, L., Looger, L. L., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+imaging+of+hippocampal+place+cells+at+cellular+resolution+during+virtual+navigation.">Functional imaging of hippocampal place cells at cellular resolution during virtual navigation.</a> Nature Neuroscience. 13 (11), 1433-1440 (2010).</li><li>Gauthier, J. L., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dedicated+population+for+reward+coding+in+the+hippocampus.">A dedicated population for reward coding in the hippocampus.</a> Neuron. 99 (1), 179-193 (2018).</li><li>Rickgauer, J. P., Deisseroth, K., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+cellular-resolution+optical+perturbation+and+imaging+of+place+cell+firing+fields.">Simultaneous cellular-resolution optical perturbation and imaging of place cell firing fields.</a> Nature Neuroscience. 17 (12), 1816-1824 (2014).</li><li>Yadav, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prefrontal+feature+representations+drive+memory+recall.">Prefrontal feature representations drive memory recall.</a> Nature. 608 (7921), 153-160 (2022).</li><li>Priestley, J. B., Bowler, J. C., Rolotti, S. V., Fusi, S., Losonczy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signatures+of+rapid+plasticity+in+hippocampal+CA1+representations+during+novel+experiences.">Signatures of rapid plasticity in hippocampal CA1 representations during novel experiences.</a> Neuron. 110 (12), 1978-1992 (2022).</li><li>Heys, J. G., Rangarajan, K. V., Dombeck, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+functional+micro-organization+of+grid+cells+revealed+by+cellular-resolution+imaging.">The functional micro-organization of grid cells revealed by cellular-resolution imaging.</a> Neuron. 84 (5), 1079-1090 (2014).</li><li>Harvey, C. D., Collman, F., Dombeck, D. A., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intracellular+dynamics+of+hippocampal+place+cells+during+virtual+navigation.">Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation.</a> Nature. 461 (7266), 941-946 (2009).</li><li>. Harvey Lab Mouse VR Available from: <a target="_blank" href="https://github.com/Harvey/Lab/mouseVR">https://github.com/Harvey/Lab/mouseVR</a> (2021)</li><li>Pettit, N. L., Yap, E. L., Greenberg, M. E., Harvey, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fos+ensembles+encode+and+shape+stable+spatial+maps+in+the+hippocampus.">Fos ensembles encode and shape stable spatial maps in the hippocampus.</a> Nature. 609 (7926), 327-334 (2022).</li><li>Turi, G. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vasoactive+intestinal+polypeptide-expressing+interneurons+in+the+hippocampus+support+goal-oriented+spatial+learning.">Vasoactive intestinal polypeptide-expressing interneurons in the hippocampus support goal-oriented spatial learning.</a> Neuron. 101 (6), 1150-1165 (2019).</li><li>Ulivi, A. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Longitudinal+two-photon+imaging+of+dorsal+hippocampal+CA1+in+live+mice.">Longitudinal two-photon imaging of dorsal hippocampal CA1 in live mice.</a> Journal of Visual Experiments. (148), e59598 (2019).</li><li>Wang, Y., Zhu, D., Liu, B., Piatkevich, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Craniotomy+procedure+for+visualizing+neuronal+activities+in+hippocampus+of+behaving+mice.">Craniotomy procedure for visualizing neuronal activities in hippocampus of behaving mice.</a> Journal of Visual Experiments. (173), e62266 (2021).</li><li>Tuncdemir, S. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+processing+of+sensory+cue+and+spatial+information+in+the+dentate+gyrus.">Parallel processing of sensory cue and spatial information in the dentate gyrus.</a> Cell Reports. 38 (3), 110257 (2022).</li><li>Dombeck, D. A., Khabbaz, A. N., Collman, F., Adelman, T. L., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+large-scale+neural+activity+with+cellular+resolution+in+awake,+mobile+mice.">Imaging large-scale neural activity with cellular resolution in awake, mobile mice.</a> Neuron. 56 (1), 43-57 (2007).</li><li>Guo, Z. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice.">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), 88678 (2014).</li><li>Jordan, J. T., Gon&#231;alves, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silencing+of+hippocampal+synaptic+transmission+impairs+spatial+reward+search+on+a+head-fixed+tactile+treadmill+task.">Silencing of hippocampal synaptic transmission impairs spatial reward search on a head-fixed tactile treadmill task.</a> bioRxiv. , (2021).</li><li>Urai, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Citric+acid+water+as+an+alternative+to+water+restriction+for+high-yield+mouse+behavior.">Citric acid water as an alternative to water restriction for high-yield mouse behavior.</a> eNeuro. 8 (1), (2021).</li><li>Saleem, A. B., Diamanti, E. M., Fournier, J., Harris, K. D., Carandini, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+encoding+of+subjective+spatial+position+in+visual+cortex+and+hippocampus.">Coherent encoding of subjective spatial position in visual cortex and hippocampus.</a> Nature. 562 (7725), 124-127 (2018).</li><li>Ravassard, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multisensory+control+of+hippocampal+spatiotemporal+selectivity.">Multisensory control of hippocampal spatiotemporal selectivity.</a> Science. 340 (6138), 1342-1346 (2013).</li><li>Aghajan, Z. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impaired+spatial+selectivity+and+intact+phase+precession+in+two-dimensional+virtual+reality.">Impaired spatial selectivity and intact phase precession in two-dimensional virtual reality.</a> Nature Neuroscience. 18 (1), 121-128 (2015).</li></ol>

لن يعمل نظام الواقع الافتراضي مفتوح المصدر هذا للفئران إلا إذا تم إجراء التوصيلات التسلسلية بشكل صحيح بين المتحكمات الدقيقة الدوارة والسلوكية ESP32 والكمبيوتر أحادي اللوحة (الخطوة 2) ، والتي يمكن تأكيدها باستخدام جهاز العرض التسلسلي IDE (الخطوة 2.4.5). للحصول على نتائج سلوكية ناجحة من هذا البرو?...

الملاحة المكانية هي سلوك مهم من الناحية الأخلاقية تقوم الحيوانات من خلاله بترميز ميزات المواقع الجديدة في خريطة معرفية ، والتي تستخدم للعثور على مناطق المكافأة المحتملة وتجنب مناطق الخطر المحتملة. ترتبط العمليات المعرفية الكامنة وراء الملاحة المكانية ارتباطا وثيقا بالذاكرة ، وتشترك في ركيزة عصبية في الحصين1 والقشرة ، حيث تدمج الدوائر العصبية في هذه المناطق المعلومات الواردة وتشكل خرائط معرفية للبيئات والأحداث لتذكرها لاحقا2. في حين أن اكتشاف خلايا المكان في الحصين3،4 والخلايا الشبكية في القشرة المخية الداخلية5 قد ألقى الضوء على كيفية تشكيل الخريطة المعرفية داخل الحصين ، لا تزال هناك العديد من الأسئلة حول كيفية تفاعل الأنواع الفرعية العصبية المحددة ، والدوائر الدقيقة ، والمناطق الفرعية الفردية للحصين (التلفيف المسنن ، ومناطق القرنية الأمونية ، CA3-1) والمشاركة في تكوين الذاكرة المكانية والتذكر.
في الجسم الحي ، كان التصوير ثنائي الفوتون أداة مفيدة في الكشف عن الديناميات الخلوية والسكانية في الفيزيولوجيا العصبية الحسية 6,7 ؛ ومع ذلك ، فإن الضرورة النموذجية لتقييد الرأس تحد من فائدة هذه الطريقة لفحص السلوك المكاني للثدييات. عالج ظهور الواقع الافتراضي (VR)8 هذا القصور من خلال تقديم بيئات بصرية مكانية غامرة وواقعية بينما تعمل الفئران المقيدة الرأس على كرة أو جهاز المشي لدراسة الترميز المكاني والسياقي في الحصين8،9،10 والقشرة11. علاوة على ذلك ، سمح استخدام بيئات الواقع الافتراضي مع الفئران التي تتصرف للباحثين في علم الأعصاب بتشريح مكونات السلوك المكاني من خلال التحكم بدقة في عناصر بيئة الواقع الافتراضي12 (على سبيل المثال ، التدفق البصري ، التعديل السياقي) بطرق غير ممكنة في تجارب العالم الحقيقي للتعلم المكاني ، مثل متاهة موريس المائية أو متاهة بارنز أو مهام لوحة الثقوب.
عادة ما يتم تقديم بيئات VR المرئية على وحدة المعالجة الرسومية (GPU) للكمبيوتر ، والتي تتعامل مع عبء الحوسبة السريعة لآلاف المضلعات اللازمة لنمذجة بيئة 3D متحركة على الشاشة في الوقت الفعلي. تتطلب متطلبات المعالجة الكبيرة عموما استخدام جهاز كمبيوتر منفصل مزود بوحدة معالجة رسومات تعرض البيئة المرئية لشاشة أو شاشات متعددة13 أو جهاز عرض14 حيث يتم تسجيل الحركة من جهاز المشي أو العجلة أو كرة الرغوة تحت الحيوان. وبالتالي ، فإن الجهاز الناتج للتحكم في بيئة الواقع الافتراضي وعرضها وإسقاطها مكلف نسبيا وضخم ومرهق. علاوة على ذلك ، تم تنفيذ العديد من هذه البيئات في الأدبيات باستخدام برامج احتكارية مكلفة ولا يمكن تشغيلها إلا على جهاز كمبيوتر مخصص.
لهذه الأسباب ، قمنا بتصميم نظام VR مفتوح المصدر لدراسة سلوكيات التعلم المكاني في الفئران المقيدة الرأس باستخدام كمبيوتر Raspberry Pi أحادي اللوحة. كمبيوتر Linux هذا صغير وغير مكلف ولكنه يحتوي على شريحة GPU لتقديم 3D ، مما يسمح بدمج بيئات VR مع الشاشة أو الجهاز السلوكي في إعدادات فردية متنوعة. علاوة على ذلك ، قمنا بتطوير حزمة برامج رسومية مكتوبة بلغة Python ، "HallPassVR" ، والتي تستخدم الكمبيوتر أحادي اللوحة لتقديم بيئة بصرية مكانية بسيطة ، أو مسار خطي افتراضي أو رواق ، من خلال إعادة تجميع الميزات المرئية المخصصة المحددة باستخدام واجهة مستخدم رسومية (GUI). يتم دمج ذلك مع الأنظمة الفرعية للمتحكم الدقيق (على سبيل المثال ، ESP32 أو Arduino) لقياس الحركة وتنسيق السلوك ، مثل تقديم طرائق أخرى للمحفزات الحسية أو المكافآت لتسهيل التعلم المعزز. يوفر هذا النظام طريقة بديلة غير مكلفة ومرنة وسهلة الاستخدام لتقديم بيئات VR البصرية المكانية للفئران المقيدة الرأس أثناء التصوير ثنائي الفوتون (أو التقنيات الأخرى التي تتطلب تثبيت الرأس) لدراسة الدوائر العصبية الكامنة وراء سلوك التعلم المكاني.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1/4 &#34; diam aluminum rod</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>9062K26</td>
			<td>3&#34; in length for wheel axle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34;-20 cap screws, 3/4&#34; long (x2)</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td>B09ZNMR41V</td>
			<td>for affixing head post holders to optical posts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2&#34;x7&#34; T-slotted aluminum bar (x2)</td>
			<td>8020.net</td>
			<td>1020</td>
			<td>wheel/animal mounting frame</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6&#34; diam, 3&#34; wide acrylic cylinder (1/8&#34; thick)</td>
			<td>Canal Plastics</td>
			<td>33210090702</td>
			<td>Running wheel (custom width cut at canalplastics.com)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8-32 x 1/2&#34; socket head screws</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92196A194</td>
			<td>fastening head post holder to optical post&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable arm (14&#34;)</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td>B087BZGKSL</td>
			<td>to hold/adjust lick spout</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analysis code (MATLAB)</td>
			<td></td>
			<td>custom written</td>
			<td>file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis code</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axle mounting flange, 1/4&#34; ID</td>
			<td>Pololu</td>
			<td>1993</td>
			<td>for mounting wheel to axle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ball bearing (5/8&#34; OD, 1/4&#34; ID, x2)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>57155K324</td>
			<td>for mounting wheel axle to frame</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Behavior ESP32 code</td>
			<td></td>
			<td>custom written</td>
			<td>file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Behavior board</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black opaque matte acrylic sheets (1/4&#34; thick)</td>
			<td>Canal Plastics</td>
			<td>32918353422</td>
			<td>laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear acrylic sheet (1/4&#34; thick)</td>
			<td>Canal Plastics</td>
			<td>32920770574</td>
			<td>laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR wheel assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESP32 devKitC v4 (x2)</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td>B086YS4Z3F</td>
			<td>microcontroller for behavior and rotary encoder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESP32 shield</td>
			<td>OpenMaze.org</td>
			<td>OMwSmall</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fasteners and brackets&#160;</td>
			<td>8020.net</td>
			<td>4138, 3382,3280</td>
			<td>for wheel frame mounts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>goniometers</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>66-526, 66-527</td>
			<td>optional for behavior. Fine tuning head for imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HallPassVR python code</td>
			<td></td>
			<td>custom written</td>
			<td>file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head post holder</td>
			<td></td>
			<td>custom design</td>
			<td>3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/Headpost Clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED projector</td>
			<td>Texas Instruments</td>
			<td>DLPDLCR230NPEVM</td>
			<td>or other small LED projector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lick spout</td>
			<td>VWR</td>
			<td>20068-638</td>
			<td>(or ~16 G metal hypodermic tubing)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M 2.5 x 6 set screws</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92015A097</td>
			<td>securing head post&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matte white diffusion paper</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td></td>
			<td>screen material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal headposts</td>
			<td></td>
			<td>custom design</td>
			<td>3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/head post designs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Miscellenous tubing and tubing adapters (1/16&#34; ID)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>for constructing the water line</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>as per user&#39;s requirements</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical posts, 1/2&#34; diam (2x)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TR4</td>
			<td>for head fixation setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Processing code</td>
			<td></td>
			<td>custom written</td>
			<td>file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing code</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raspberry Pi 4B</td>
			<td>raspberry.com, adafruit.com</td>
			<td></td>
			<td>Single-board computer for rendering of HallPassVR envir.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right angle clamp</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>RA90</td>
			<td>for head fixation setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary encoder (quadrature, 256 step)</td>
			<td>DigiKey</td>
			<td>ENS1J-B28-L00256L</td>
			<td>to measure wheel rotation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary encoder ESP32 code</td>
			<td></td>
			<td>custom written</td>
			<td>file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Rotary encoder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCIGRIP 10315 acrylic cement</td>
			<td>Amazon.com</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shaft coupler</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>9861T426</td>
			<td>to couple rotary encoder shaft with axle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver mirror acrylic sheets</td>
			<td>Canal Plastics</td>
			<td>32913817934</td>
			<td>laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solenoid valve</td>
			<td>Parker</td>
			<td>003-0137-900</td>
			<td>to administer water rewards</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an open-source virtual reality system for the measurement of spatial learning in head-restrained mice

تسمح التجارب السلوكية المقيدة بالرأس في الفئران لعلماء الأعصاب بمراقبة نشاط الدائرة العصبية باستخدام أدوات التصوير الكهربي والبصرية عالية الدقة مع تقديم محفزات حسية دقيقة لحيوان يتصرف. في الآونة الأخيرة ، أظهرت الدراسات البشرية والقوارض باستخدام بيئات الواقع الافتراضي (VR) أن الواقع الافتراضي هو أداة مهمة للكشف عن الآليات العصبية الكامنة وراء التعلم المكاني في الحصين والقشرة ، بسبب التحكم الدقيق للغاية في المعلمات مثل الإشارات المكانية والسياقية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون إعداد بيئات افتراضية للسلوكيات المكانية للقوارض مكلفا ويتطلب خلفية واسعة في الهندسة وبرمجة الكمبيوتر. هنا ، نقدم نظاما بسيطا ولكنه قوي يعتمد على أجهزة وبرامج غير مكلفة ومعيارية ومفتوحة المصدر تمكن الباحثين من دراسة التعلم المكاني في الفئران المقيدة الرأس باستخدام بيئة الواقع الافتراضي. يستخدم هذا النظام ميكروكنترولر مقترن لقياس الحركة وتقديم المحفزات السلوكية بينما تعمل الفئران المقيدة الرأس على عجلة بالتنسيق مع بيئة مسار خطية افتراضية يتم تقديمها بواسطة حزمة برامج رسومية تعمل على جهاز كمبيوتر أحادي اللوحة. يسمح التركيز على المعالجة الموزعة للباحثين بتصميم أنظمة مرنة ومعيارية لاستنباط وقياس السلوكيات المكانية المعقدة في الفئران من أجل تحديد العلاقة بين نشاط الدائرة العصبية والتعلم المكاني في دماغ الثدييات.

سمح لنا هذا الإعداد السلوكي للواقع الافتراضي مفتوح المصدر بتحديد سلوك اللعق كقراءة للتعلم المكاني حيث أبحرت الفئران المقيدة الرأس في بيئة مسار خطي افتراضي. تم وضع سبعة فئران C57BL / 6 من كلا الجنسين في عمر 4 أشهر على جدول مائي مقيد وتم تدريبهم أولا على اللعق المستمر بمستويات منخفضة أثناء الجر?...

Watch this Scientific Journal Video about An Open-Source Virtual Reality System for the Measurement of Spatial Learning in Head-Restrained Mice Video at JoVE.com

An Open-Source Virtual Reality System for the Measurement of Spatial Learning in Head-Restrained Mice Video (Video) | JoVE

هنا ، نقدم إعدادا مبسطا للأجهزة والبرامج مفتوحة المصدر للتحقيق في التعلم المكاني للماوس باستخدام الواقع الافتراضي (VR). يعرض هذا النظام مسارا خطيا افتراضيا لماوس مقيد الرأس يعمل على عجلة من خلال استخدام شبكة من المتحكمات الدقيقة وجهاز كمبيوتر أحادي اللوحة يقوم بتشغيل حزمة برامج رسومية Python سهلة الاستخدام.

نظام واقع افتراضي مفتوح المصدر لقياس التعلم المكاني في الفئران المقيدة الرأس

Head-restrained behavioral experiments in mice allow neuroscientists to observe neural circuit activity with high-resolution electrophysiological and ...

يعد نظام الواقع الافتراضي مفتوح المصدر هذا أداة مهمة لدراسة التعلم المكاني في الدماغ لأنه يسمح للباحثين بتقديم مجموعة متسقة من المحفزات المكانية إلى فأر مقيد الرأس باستخدام إعداد إلكتروني معياري بسيط. تتمثل ميزة هذا النظام في أنه غير مكلف وسهل الإعداد ومضغوط ومعياري ، مما يسمح ببناء إعدادات سلوكية متعددة للتدريب والتكامل مع الإعدادات السلوكية الحالية المقيدة الرأس. هذا النظام مثالي لقياس التعلم المكاني والفئران المقيدة الرأس ، ومع ذلك ، فهو قادر بنفس القدر على تقديم بيئات الواقع الافتراضي المرئية للتجارب في الأنواع والاستعدادات الأخرى ، بما في ذلك الفيزياء النفسية البشرية والتصوير العصبي.ومن بين القائمين على هذا الإجراء كارلا دياز وهانا تشونغ، وهما مساعدان باحثان في مختبرنا. للبدء ، قم بتوصيل الأسلاك بين مكون التشفير الدوار و ESP32 الدوار. تحتوي أجهزة التشفير الدوارة عموما على أربعة أسلاك ، موجبة ، GND ، A ، و B.قم بتوصيل هذه الأسلاك عبر أسلاك العبور ب ESP32 و 3 0.3 فولت و GND 25 و 26 دبابيس.قم بتوصيل الأسلاك التسلسلية RX / TX بين ESP32 الدوار والسلوك ESP32. قم بإجراء اتصال بسيط بسلكين بين ESP32 الدوار و Serial0 RX / TX ومنفذ Serial2 للسلوك ESP32. قم بتوصيل أسلاك RX / TX التسلسلية بين ESP32 الدوار والكمبيوتر أحادي اللوحة GPIO أو اتصال USB المباشر.قم بإجراء اتصال سلكين بين دبابيس GPIO للكمبيوتر ذات اللوحة الواحدة ، 14 ، 15 ، RX / TX ، ودبابيس ESP32 الدوارة ، Serial2 ، TX / RX 1716. بعد ذلك ، قم بتوصيل ESP32 USB الدوار بالكمبيوتر أحادي اللوحة USB لتحميل رمز التشفير الدوار الأولي. قم بتوصيل صمام الملف اللولبي السائل 12 فولت بإخراج ULN2803 IC في أقصى يسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصغير OMW ، وقم بتوصيل منفذ اللعق بإدخال اللمس ESP32.قم بتوصيل USB بمنفذ USB الخاص بالكمبيوتر أحادي اللوحة لتحميل برامج جديدة للسلوك ESP32 لنماذج تجريبية مختلفة ولالتقاط بيانات السلوك باستخدام رسم المعالجة المضمن. ثم قم بتوصيل محول الحائط 12 فولت DC بموصل مقبس البرميل 2.1 ملم على السلوك ESP32 OMW ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصغير لتوفير الطاقة لصمام الملف اللولبي للمكافأة. قم بتوصيل مخرج HDMI Two الخاص بالكمبيوتر أحادي اللوحة بمنفذ HDMI بجهاز العرض.سيؤدي ذلك إلى نقل بيئة البرامج الرسومية التي يتم تقديمها بواسطة وحدة معالجة الرسومات للكمبيوتر أحادي اللوحة إلى شاشة العرض. افتح نافذة المحطة الطرفية في كمبيوتر اللوحة الواحدة وانتقل إلى مجلد Hall Pass VR. قم بتشغيل الواقع الافتراضي المشار إليه أو واجهة المستخدم الرسومية VR أو واجهة المستخدم الرسومية لفتح نافذة واجهة المستخدم الرسومية.حدد وأضف أربعة عناصر من مربع القائمة لكل نمط من الأنماط الثلاثة على طول المسار ، ثم انقر فوق إنشاء. حدد صور الأرضية والسقف من القوائم المنسدلة واضبط طول المسار على مترين لرمز المثال هذا. قم بتسمية هذا النمط ، إذا رغبت في ذلك.انقر فوق الزر "ابدأ" وانتظر حتى تبدأ نافذة الواقع الافتراضي قبل النقر في مكان آخر. ستظهر بيئة البرامج الرسومية على الشاشة الثانية. قم بتشغيل رسم المعالجة للحصول على حركة البيانات السلوكية ورسمها.افتح الأمر المشار إليه في بيئة تطوير بيانات المعالجة. قم بتغيير الحيوان إلى متغير رقم الماوس الخاص بك وقم بتعيين دقائق الجلسة مساوية لطول الجلسة السلوكية بالدقائق. انقر فوق الزر "تشغيل" في بيئة التطوير المتكاملة للمعالجة.تحقق من نافذة مخطط المعالجة التي يجب أن تظهر موضع الماوس الحالي على المسار الخطي الافتراضي حيث تدور العجلة جنبا إلى جنب مع مناطق المكافآت وتشغيل الرسوم البيانية للعقات واللفات والمكافآت ، والتي يتم تحديثها كل 30 ثانية. قم بتحريك عجلة الجري يدويا لمحاكاة تشغيل الماوس للاختبار أو استخدم ماوس اختبار للإعداد الأولي. انقر فوق نافذة الرسم واضغط على مفتاح Q على لوحة المفاتيح لإيقاف الحصول على البيانات السلوكية.يتم حفظ ملف نصي للأحداث والأوقات السلوكية وصورة لنافذة الرسم النهائية في PNG عند انقضاء دقائق الجلسة أو ضغط المستخدم على المفتاح Q للإنهاء. للتزوير العشوائي مع المكافآت غير العاملة ، قم بتشغيل برنامج واجهة المستخدم الرسومية GUI مع مسار من العناصر المرئية التعسفية. ثم قم بتحميل برنامج السلوك إلى السلوك ESP32 مع مكافآت متعددة غير عاملة لتهيئة الماوس للتشغيل واللعق.ضع الماوس برفق في جهاز تثبيت الرأس ، واضبط صنبور اللعق على موقع أمامي لفم الماوس مباشرة ، وضع عجلة الماوس في وسط منطقة شاشة العرض. قم بتعيين اسم الحيوان في رسم المعالجة ثم اضغط على تشغيل في بيئة تطوير متكاملة للمعالجة لبدء الحصول على البيانات السلوكية وتخطيطها. قم بتشغيل الماوس في جلسات مدتها 20 إلى 30 دقيقة حتى يعمل الماوس لمدة 20 لفة على الأقل في كل جلسة ويلعق المكافآت المقدمة في مواقع عشوائية.للبحث العشوائي مع المكافآت الفعالة في لفات بديلة ، قم بتحميل برنامج السلوك بمعامل متناوب يساوي واحدا وقم بتدريب الماوس حتى يلعق لكل من مناطق المكافأة غير العاملة والعاملة. للبحث عن الطعام العشوائي الذي يعمل بكامل طاقته ، قم بتحميل برنامج السلوك بأربع مناطق مكافأة عشوائية عاملة وقم بتدريب الماوس حتى يلعق المكافآت باستمرار على طول المسار. بعد ذلك للتعلم المكاني ، قم بتشغيل البرنامج الرسومي بمسار ممر مظلم مع إشارة بصرية واحدة في المنتصف.ثم قم بتحميل برنامج السلوك بمنطقة مكافأة مخفية واحدة إلى السلوك ESP32. دع الماوس يعمل لمدة 30 دقيقة مع منطقة مكافأة مخفية واحدة ومدخل VR مرئي واحد والتقاط البيانات أثناء الجلسة كما هو موضح من قبل. قم بتنزيل ملف بيانات txt من مجلد رسم المعالجة وقم بتحليل البيانات السلوكية لمراقبة ظهور لعق انتقائي مكانيا كمؤشر للتعلم المكاني.يتم عرض التعلم المكاني باستخدام بيئة البرامج الرسومية هنا. من خلال المراحل التقدمية من التدريب على البحث العشوائي عن الطعام ، تعلمت الفئران الركض على عجلة القيادة واللعق باستمرار على طول المسار بمستويات منخفضة قبل أن يتم تحويلها إلى موقع مكافأة واحد مخفي لإظهار التعلم المكاني. في هذه الدراسة ، تعلمت أربعة من الفئران السبعة مهمة المكافأة الخفية بإشارة بصرية واحدة في جلستين إلى أربع جلسات ، كما يتضح من لعقها بالقرب من منطقة المكافأة بانتقائية متزايدة.علاوة على ذلك ، أظهرت الفئران كلا من التعلم الكبير داخل الجلسة وبين الجلسة. أظهرت اللعقات المكانية لكل لفة في اليوم الثاني زيادة في اللعق قبل منطقة المكافأة وانخفاض اللعق في أماكن أخرى ، مما يشير إلى تطور لعق استباقي محدد مكانيا. الشيء الرئيسي الذي يجب تذكره عند استخدام النظام هو أن الفئران لن تعمل بشكل جيد إلا إذا تم تعزيزها ومريحة على عجلة التشغيل.لذلك ، تقيد المياه الحيوانات بشكل مناسب ، وتتعامل معها برفق ، وتأكد من أن وضع تقييد رأسها مثالي للجري أثناء عرض شاشة العرض. يمكن لباحث علم الأعصاب الجمع بين نظام الواقع الافتراضي مفتوح المصدر هذا والتصوير في الجسم الحي أو الفيزيولوجيا الكهربية للتحقيق في دوائر الخلايا العصبية الكامنة وراء التعلم المكاني في الدماغ. نعتقد أن بساطة نظام الواقع الافتراضي مفتوح المصدر هذا ستسمح للباحثين بدمج النظام في إعدادات التسجيل العصبي المتنوعة.سيسمح التحكم الدقيق في المحفزات المكانية في بيئة الواقع الافتراضي للباحثين بفحص مساهمات دوائر عصبية محددة في التعلم المكاني.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

An Open-Source Virtual Reality System for the Measurement of Spatial Learning in Head-Restrained Mice

Low-stress Route Learning Using the Lashley III Maze in Mice

Low-stress Route Learning Using the Lashley III Maze in Mice Video (Video) | JoVE

الضغط المنخفض الطريق التعلم عن طريق المتاهة الثالث لاشلي في الفئران

Many behavior tests designed to assess learning and memory in rodents, particularly mice, rely on visual cues, food and/or water deprivation, or other ...

Human Fear Conditioning Conducted in Full Immersion 3-Dimensional Virtual Reality 

Human Fear Conditioning Conducted in Full Immersion 3-Dimensional Virtual Reality  Video (Video) | JoVE

الإنسان تكييف الخوف التي أجريت في واقع كامل الأبعاد 3 - الغمر الظاهري

Fear conditioning is a widely used paradigm in non-human animal research to investigate the neural mechanisms underlying fear and anxiety. A major ...

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation Video (Video) | JoVE

باستخدام MazeSuite والوظيفية الأدنى مطياف الأشعة تحت الحمراء لدراسة التعلم في الملاحة المكانية

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments1. MazeSuite can be used to design and edit adapted ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution Video (Video) | JoVE

بصري تسجيل النشاط العصبي للقرار suprathreshold وحيدة الخلية واحد مسمار-

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument

Building An Open-source Robotic Stereotaxic Instrument Video (Video) | JoVE

بناء مفتوح المصدر الروبوتية التجسيمي الصك

This protocol includes the designs and software necessary to upgrade an existing stereotaxic instrument to a robotic (CNC) stereotaxic instrument for ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System Video (Video) | JoVE

في الجسم الحي Optogenetic تحفيز الجهاز العصبي المركزي القوارض

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Immunohistochemical Visualization of Hippocampal Neuron Activity After Spatial Learning in a Mouse Model of Neurodevelopmental Disorders

Immunohistochemical Visualization of Hippocampal Neuron Activity After Spatial Learning in a Mouse Model of Neurodevelopmental Disorders Video (Video) | JoVE

التصور المناعى من الحصين العصبية آخر بعد المكانية التعلم في نموذج الفأر من الاضطرابات العصبية النمائية

Induction of phosphorylated extracellular-regulated kinase (pERK) is a reliable molecular readout of learning-dependent neuronal activation. Here, we ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo Video (Video) | JoVE

الطريقة الكهربية لالردود تسجيل بين الخلايا الجهد ل<em&gt; ذبابة الفاكهة</em&gt; خلايا مستقبلة للضوء وInterneurons إلى النور المحفزات<em&gt; في فيفو</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Assessing Spatial Learning and Memory in Small Squamate Reptiles

Assessing Spatial Learning and Memory in Small Squamate Reptiles Video (Video) | JoVE

تقييم التعلم المكاني والذاكرة في Squamate الزواحف الصغيرة

Clinical research has leveraged a variety of paradigms to assess cognitive decline, commonly targeting spatial learning and memory abilities. However, ...

An Objective and Reproducible Test of Olfactory Learning and Discrimination in Mice

An Objective and Reproducible Test of Olfactory Learning and Discrimination in Mice Video (Video) | JoVE

إجراء اختبار موضوعي واستنساخه من التعلم حاسة الشم والتمييز في الفئران

Olfaction is the predominant sensory modality in mice and influences many important behaviors, including foraging, predator detection, mating, and ...