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

Vi vil gerne takke Noah Pettit fra Harvey-laboratoriet for diskussionen og forslagene, mens vi udviklede protokollen i dette manuskript. Dette arbejde blev støttet af en BBRF Young Investigator Award og NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.) ud over NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) og NIMH R01MH068542 (R.H.).

Alle procedurer i denne protokol blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee of the New York State Psychiatric Institute.
BEMÆRK: En enkeltkortcomputer bruges til at vise et VR-visuelt miljø, der er koordineret med kørslen af en hovedfastholdt mus på et hjul. Bevægelsesinformation modtages som serielt input fra en ESP32-mikrocontroller, der læser en roterende encoder, der er koblet til hjulakslen. VR-miljøet gengives ved hjælp af OpenGL-hardwareacceleration på Raspber...

<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>

Dette open source VR-system til mus fungerer kun, hvis de serielle forbindelser er lavet korrekt mellem de roterende og adfærdsmæssige ESP32-mikrocontrollere og enkeltkortcomputeren (trin 2), hvilket kan bekræftes ved hjælp af IDE-serieskærmen (trin 2.4.5). For vellykkede adfærdsmæssige resultater fra denne protokol (trin 4) skal musene være vant til apparatet og være komfortable med at køre på hjulet for flydende belønninger (trin 4.3-4.5). Dette kræver tilstrækkelig (men ikke overdreven) vandbegrænsning,...

Rumlig navigation er en etologisk vigtig adfærd, hvormed dyr koder funktionerne på nye steder i et kognitivt kort, som bruges til at finde områder med mulig belønning og undgå områder med potentiel fare. Uløseligt forbundet med hukommelse deler de kognitive processer, der ligger til grund for rumlig navigation, et neuralt substrat i hippocampus1 og cortex, hvor neurale kredsløb i disse områder integrerer indgående information og danner kognitive kort over miljøer og begivenheder til senere tilbagekaldelse2. Mens opdagelsen af stedceller i hippocampus3,4 og gitterceller i entorhinal cortex5 har kastet lys over, hvordan det kognitive kort inden for hippocampus dannes, er der stadig mange spørgsmål om, hvordan specifikke neurale undertyper, mikrokredsløb og individuelle underregioner af hippocampus (dentate gyrus og cornu ammonis områder, CA3-1) interagerer og deltager i rumlig hukommelsesdannelse og tilbagekaldelse.
In vivo to-fotonbilleddannelse har været et nyttigt værktøj til at afdække cellulær og populationsdynamik i sensorisk neurofysiologi 6,7; Den typiske nødvendighed af nakkestøtte begrænser imidlertid nytten af denne metode til undersøgelse af pattedyrs rumlige adfærd. Fremkomsten af virtual reality (VR)8 har adresseret denne mangel ved at præsentere fordybende og realistiske visuospatiale miljøer, mens hovedbeherskede mus løber på en bold eller løbebånd for at studere rumlig og kontekstuel kodning i hippocampus 8,9,10 og cortex 11. Desuden har brugen af VR-miljøer med mus, der opfører sig, gjort det muligt for neurovidenskabsforskere at dissekere komponenterne i rumlig adfærd ved præcist at kontrollere elementerne i VR-miljøet12 (f.eks. Visuelt flow, kontekstuel modulation) på måder, der ikke er mulige i virkelige eksperimenter med rumlig læring, såsom Morris-vandlabyrinten, Barnes-labyrinten eller hulbrætopgaver.
Visuelle VR-miljøer gengives typisk på en computers grafiske behandlingsenhed (GPU), som håndterer belastningen ved hurtigt at beregne de tusindvis af polygoner, der er nødvendige for at modellere et bevægeligt 3D-miljø på en skærm i realtid. De store behandlingskrav kræver generelt brug af en separat pc med en GPU, der gengiver det visuelle miljø til en skærm, flere skærme13 eller en projektor14 , da bevægelsen registreres fra et løbebånd, hjul eller skumkugle under dyret. Det resulterende apparat til styring, gengivelse og projicering af VR-miljøet er derfor relativt dyrt, omfangsrigt og besværligt. Desuden er mange sådanne miljøer i litteraturen blevet implementeret ved hjælp af proprietær software, der både er dyr og kun kan køres på en dedikeret pc.
Af disse grunde har vi designet et open source VR-system til at studere rumlig læringsadfærd hos hovedfastholdte mus ved hjælp af en Raspberry Pi single-board computer. Denne Linux-computer er både lille og billig, men indeholder alligevel en GPU-chip til 3D-gengivelse, hvilket muliggør integration af VR-miljøer med skærmen eller adfærdsapparatet i forskellige individuelle opsætninger. Desuden har vi udviklet en grafisk softwarepakke skrevet i Python, "HallPassVR", som bruger single-board computeren til at gengive et simpelt visuospatialt miljø, et virtuelt lineært spor eller gang, ved at rekombinere brugerdefinerede visuelle funktioner valgt ved hjælp af en grafisk brugergrænseflade (GUI). Dette kombineres med mikrocontroller-undersystemer (f.eks. ESP32 eller Arduino) for at måle bevægelse og koordinere adfærd, såsom ved levering af andre metoder til sensoriske stimuli eller belønninger for at lette forstærkningsindlæring. Dette system giver en billig, fleksibel og brugervenlig alternativ metode til at levere visuospatiale VR-miljøer til hovedfastholdte mus under to-foton-billeddannelse (eller andre teknikker, der kræver hovedfiksering) til at studere de neurale kredsløb, der ligger til grund for rumlig læringsadfærd.

<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

Hovedbeherskede adfærdseksperimenter hos mus giver neuroforskere mulighed for at observere neurale kredsløbsaktivitet med elektrofysiologiske og optiske billeddannelsesværktøjer med høj opløsning, samtidig med at de leverer præcise sensoriske stimuli til et dyr, der opfører sig. For nylig har menneskelige og gnaverundersøgelser ved hjælp af virtual reality (VR) miljøer vist, at VR er et vigtigt redskab til at afdække de neurale mekanismer, der ligger til grund for rumlig læring i hippocampus og cortex på grund af den ekstremt præcise kontrol over parametre som rumlige og kontekstuelle signaler. Opsætning af virtuelle miljøer til gnaverrumlig adfærd kan dog være dyrt og kræve en omfattende baggrund inden for teknik og computerprogrammering. Her præsenterer vi et simpelt, men kraftfuldt system baseret på billig, modulær, open source hardware og software, der gør det muligt for forskere at studere rumlig læring i hovedfastholdte mus ved hjælp af et VR-miljø. Dette system bruger koblede mikrocontrollere til at måle bevægelse og levere adfærdsmæssige stimuli, mens hovedfastholdte mus løber på et hjul sammen med et virtuelt lineært spormiljø gengivet af en grafisk softwarepakke, der kører på en enkeltkortcomputer. Vægten på distribueret behandling gør det muligt for forskere at designe fleksible, modulære systemer til at fremkalde og måle kompleks rumlig adfærd hos mus for at bestemme forbindelsen mellem neurale kredsløbsaktivitet og rumlig læring i pattedyrhjernen.

Denne open source virtual reality-adfærdsopsætning gjorde det muligt for os at kvantificere slikkeadfærd som en aflæsning af rumlig læring, da hovedbeherskede mus navigerede i et virtuelt lineært spormiljø. Syv C57BL/6-mus af begge køn i alderen 4 måneder blev placeret på en begrænset vandplan og først trænet til at slikke kontinuerligt på lave niveauer, mens de løb på rattet for tilfældige rumlige belønninger ("tilfældig fouragering") uden VR. Selvom deres ydeevne oprindeligt blev påvirket, da de ble...

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

Her præsenterer vi en forenklet open source-hardware- og softwareopsætning til undersøgelse af musens rumlige læring ved hjælp af virtual reality (VR). Dette system viser et virtuelt lineært spor til en hovedbehersket mus, der kører på et hjul ved hjælp af et netværk af mikrocontrollere og en enkeltkortcomputer, der kører en brugervenlig Python grafisk softwarepakke.

Et open source virtual reality-system til måling af rumlig læring i hovedfastholdte mus

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

Dette open source virtual reality-system er et vigtigt værktøj til undersøgelse af rumlig læring i hjernen, fordi det giver forskere mulighed for at præsentere et konsistent sæt rumlige stimuli til en hovedbehersket mus ved hjælp af en simpel modulær elektronisk opsætning. Fordelen ved dette system er, at det er billigt, let at konfigurere, kompakt og modulært, hvilket giver mulighed for at opbygge flere adfærdsmæssige opsætninger til træning og integration med eksisterende hovedbeherskede adfærdsopsætninger. Dette system er ideelt til måling af rumlig læring og hovedfastholdte mus, men det er lige så i stand til at levere visuelle virtual reality-miljøer til eksperimenter i andre arter og præparater, herunder menneskelig psykofysik og neuroimaging.Demonstrerer denne procedure vil være Carla Diaz og Hannah Chung, forskningsassistenter i vores laboratorium. For at begynde skal du forbinde ledningerne mellem den roterende encoderkomponent og den roterende ESP32. Roterende encodere har generelt fire ledninger, positive, GND, A og B.Tilslut disse via jumperledninger til ESP32, 3 0,3 volt, GND 25 og 26 ben.Tilslut de serielle RX/TX-ledninger mellem den roterende ESP32 og adfærden ESP32. Lav en simpel totrådsforbindelse mellem den roterende ESP32, Serial0 RX/TX og Serial2-porten på adfærden ESP32. Tilslut de serielle RX/TX-ledninger mellem ESP32-drejeenheden og enkeltkortcomputerens GPIO eller direkte USB-forbindelse.Opret en totrådsforbindelse mellem GPIO-benene med enkeltkortet, 14, 15, RX/TX og de roterende ESP32-, Serial2-, TX/RX-ben 1716. Tilslut derefter den roterende ESP32 USB til enkeltkortets computer-USB for at uploade den oprindelige roterende koderkode. Tilslut 12 volt flydende magnetventil til ULN2803 IC-udgangen yderst til venstre på det lille OMW-printkort, tilslut slikkeporten til ESP32-berøringsindgangen.Sæt USB'en i enkeltkortcomputerens USB-port for at uploade nye programmer til adfærden ESP32 for forskellige eksperimentelle paradigmer og for at registrere adfærdsdata ved hjælp af den medfølgende behandlingsskitse. Sæt derefter 12 volt DC-vægadapteren i 2.1 millimeter tøndestikstikket på opførsel ESP32 OMW lille printkort for at give strøm til belønningsmagnetventilen. Sæt enkeltkortcomputerens HDMI to-udgang i projektorens HDMI-port.Dette vil bære det grafiske softwaremiljø, der gengives af enkeltkortcomputerens GPU, til projektionsskærmen. Åbn terminalvinduet i enkeltkortcomputeren, og naviger til Hall Pass VR-mappen. Kør den angivne virtual reality eller VR grafiske brugergrænseflade eller GUI for at åbne GUI-vinduet.Vælg og tilføj fire elementer fra listen for hvert af de tre mønstre langs sporet, og klik derefter på Generer. Vælg Gulv- og loftbilleder i rullemenuerne, og indstil sporets længde til to meter for denne eksempelkode. Navngiv dette mønster, hvis det ønskes.Klik på Start-knappen, og vent, indtil VR-vinduet starter, før du klikker et andet sted. Det grafiske softwaremiljø vises på skærm to. Kør behandlingsskitsen for at erhverve og plotte adfærdsdatabevægelsen.Åbn den angivne kommando i behandlings-IDE'en. Skift dyret til din musenummervariabel, og indstil sessionsminutter svarende til længden af adfærdssessionen i minutter. Klik på knappen Kør på behandlings-IDE'et.Kontroller behandlingsplotvinduet, som skal vise den aktuelle museposition på det virtuelle lineære spor, når hjulet roterer sammen med belønningszonerne og løbende histogrammer for licks, omgange og belønninger, opdateret hvert 30. sekund. Skub løbehjulet frem manuelt for at simulere musens kørsel til test, eller brug en testmus til den indledende opsætning. Klik på plotvinduet, og tryk på Q-tasten på tastaturet for at stoppe med at erhverve adfærdsdata.En tekstfil med adfærdsmæssige begivenheder og tidspunkter og et billede af det endelige plotvindue i PNG gemmes, når sessionsminutter er gået, eller brugeren trykker på Q-tasten for at afslutte. For tilfældig smedning med ikke-operante belønninger skal du køre det grafiske software GUI-program med en sti af vilkårlige visuelle elementer. Upload derefter adfærdsprogrammet til adfærden ESP32 med flere ikke-operante belønninger for at konditionere musen til at løbe og slikke.Placer forsigtigt musen i hovedfikseringsapparatet, juster slikketuden til et sted lige foran musens mund, og placer musehjulet i midten af projektionsskærmzonen. Indstil dyrets navn i behandlingsskitsen, og tryk derefter på Kør i behandlings-IDE'en for at begynde at hente og plotte adfærdsdataene. Kør musen i sessioner på 20 til 30 minutter, indtil musen kører i mindst 20 omgange pr. session, og slik for belønninger, der præsenteres tilfældige steder.For tilfældig fouragering med operante belønninger på alternative omgange skal du uploade adfærdsprogrammet med skiftevis operant lig med en og træne musen, indtil den slikker for både ikke-operante og operante belønningszoner. For fuldt operant tilfældig fouragering skal du uploade adfærdsprogrammet med fire operante tilfældige belønningszoner og træne musen, indtil den slikker for belønninger konsekvent langs banen. Næste for rumlig læring, kør det grafiske softwareprogram med en sti til en mørk gang med et enkelt visuelt signal i midten.Upload derefter adfærdsprogrammet med en enkelt skjult belønningszone til adfærden ESP32. Lad musen køre i 30 minutters sessioner med en enkelt skjult belønningszone og en enkelt visuel cue VR-gang, og fang data under sessionen som beskrevet før. Download txt-datafilen fra behandlingsskitsemappen og analyser adfærdsdataene for at observere fremkomsten af rumligt selektiv slikning som en indikator for rumlig læring.Rumlig læring ved hjælp af det grafiske softwaremiljø vises her. Gennem progressive stadier af træning på tilfældig fouragering lærte mus at løbe på rattet og slikke konsekvent langs banen på lave niveauer, før de blev skiftet til et enkelt skjult belønningssted for at vise rumlig læring. I denne undersøgelse lærte fire af de syv mus den skjulte belønningsopgave med et enkelt visuelt signal i to til fire sessioner, som det fremgår af deres slikning nær belønningszonen med stigende selektivitet.Desuden udviste musene både betydelige inden for session og mellem session læring. Rumlige slik pr. omgang på dag to viste øget slikning før belønningszonen og nedsat slikning andre steder, hvilket indikerer udviklingen af rumligt specifik foregribende slikning. Det vigtigste at huske, når du bruger systemet, er, at mus kun vil fungere godt, hvis de er forstærket og behageligt på løbehjulet.Derfor begrænser vand dyrene korrekt, håndterer dem forsigtigt og sikrer, at deres hovedfastholdelsesposition er optimal til løb, mens du ser projektionsskærmen. En neurovidenskabsforsker kan kombinere dette open source VR-system med in vivo-billeddannelse eller elektrofysiologi for at undersøge neuronkredsløb, der ligger til grund for rumlig læring i hjernen. Vi mener, at enkelheden i dette open source VR-system vil give forskere mulighed for at integrere systemet i forskellige neurooptagelsesopsætninger.Den præcise kontrol over rumlige stimuli i VR-miljøet vil give forskere mulighed for at undersøge bidragene fra specifikke neuronkredsløb til rumlig læring.

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

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

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

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

Optisk registrering af suprathreshold neurale aktivitet med enkelt-celle-og single-spike opløsning

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

Opbygning af et open source Robotic stereotaktisk Instrument

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

In vivo optogenetic Stimulering af Rodent centralnervesystemet

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

Immunhistokemisk Visualisering af Hippocampal Neuron aktivitet efter Spatial Læring i en musemodel af forstyrrelser i nervesystemets udvikling

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

Elektrofysiologiske Metode til Recording Intracellulær Voltage Responses af<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer og interneuroner til Light Stimuli<em&gt; In vivo</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

Vurdering Rumlig læring og hukommelse i små Squamate Krybdyr

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