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

We willen Noah Pettit van het Harvey-lab bedanken voor de discussie en suggesties tijdens het ontwikkelen van het protocol in dit manuscript. Dit werk werd ondersteund door een BBRF Young Investigator Award en NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), naast NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) en NIMH R01MH068542 (R.H.).

Alle procedures in dit protocol zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het New York State Psychiatric Institute.
OPMERKING: Een single-board computer wordt gebruikt om een VR visuele omgeving weer te geven die gecoördineerd is met het draaien van een hoofd-ingehouden muis op een wiel. Bewegingsinformatie wordt ontvangen als seriële invoer van een ESP32-microcontroller die een roterende encoder leest die aan de wielas is gekoppeld. De VR-omgeving wordt gerend...

<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>

Dit open-source VR-systeem voor muizen werkt alleen als de seriële verbindingen goed zijn gemaakt tussen de roterende en gedragsmatige ESP32-microcontrollers en de single-board computer (stap 2), wat kan worden bevestigd met behulp van de IDE seriële monitor (stap 2.4.5). Voor succesvolle gedragsresultaten van dit protocol (stap 4), moeten de muizen gewend zijn aan het apparaat en comfortabel op het wiel lopen voor vloeibare beloningen (stappen 4.3-4.5). Dit vereist voldoende (maar niet overmatige) waterbeperking, omda...

Ruimtelijke navigatie is een ethologisch belangrijk gedrag waarbij dieren de kenmerken van nieuwe locaties coderen in een cognitieve kaart, die wordt gebruikt voor het vinden van gebieden met mogelijke beloning en het vermijden van gebieden met potentieel gevaar. Onlosmakelijk verbonden met het geheugen, delen de cognitieve processen die ten grondslag liggen aan ruimtelijke navigatie een neuraal substraat in de hippocampus1 en cortex, waar neurale circuits in deze gebieden binnenkomende informatie integreren en cognitieve kaarten van omgevingen en gebeurtenissen vormen voor latere herinnering2. Hoewel de ontdekking van plaatscellen in de hippocampus3,4 en rastercellen in de entorhinale cortex5 licht heeft geworpen op hoe de cognitieve kaart in de hippocampus wordt gevormd, blijven er veel vragen over hoe specifieke neurale subtypen, microcircuits en individuele subregio's van de hippocampus (de gyrus dentate en cornu ammonis-gebieden, CA3-1) interageren en deelnemen aan ruimtelijke geheugenvorming en -herinnering.
In vivo beeldvorming van twee fotonen is een nuttig hulpmiddel geweest bij het blootleggen van cellulaire en populatiedynamiek in sensorische neurofysiologie 6,7; De typische noodzaak voor hoofdsteun beperkt echter het nut van deze methode voor het onderzoeken van ruimtelijk gedrag van zoogdieren. De komst van virtual reality (VR)8 heeft deze tekortkoming aangepakt door meeslepende en realistische visuospatiale omgevingen te presenteren terwijl hoofd-ingetogen muizen op een bal of loopband rennen om ruimtelijke en contextuele codering in de hippocampus 8,9,10 en cortex 11 te bestuderen. Bovendien heeft het gebruik van VR-omgevingen met zich gedragende muizen neurowetenschappelijke onderzoekers in staat gesteld om de componenten van ruimtelijk gedrag te ontleden door de elementen van de VR-omgeving12 (bijv. Visuele stroom, contextuele modulatie) nauwkeurig te regelen op manieren die niet mogelijk zijn in real-world experimenten van ruimtelijk leren, zoals het Morris waterdoolhof, Barnes doolhof of hole board-taken.
Visuele VR-omgevingen worden meestal gerenderd op de grafische verwerkingseenheid (GPU) van een computer, die de belasting van het snel berekenen van de duizenden polygonen verwerkt die nodig zijn om een bewegende 3D-omgeving in realtime op een scherm te modelleren. De grote verwerkingsvereisten vereisen over het algemeen het gebruik van een afzonderlijke pc met een GPU die de visuele omgeving weergeeft aan een monitor, meerdere schermen13 of een projector14 terwijl de beweging wordt opgenomen vanaf een loopband, wiel of schuimbal onder het dier. Het resulterende apparaat voor het besturen, renderen en projecteren van de VR-omgeving is daarom relatief duur, omvangrijk en omslachtig. Bovendien zijn veel van dergelijke omgevingen in de literatuur geïmplementeerd met behulp van propriëtaire software die zowel duur is als alleen op een speciale pc kan worden uitgevoerd.
Om deze redenen hebben we een open-source VR-systeem ontworpen om ruimtelijk leergedrag bij hoofd-ingetogen muizen te bestuderen met behulp van een Raspberry Pi single-board computer. Deze Linux-computer is zowel klein als goedkoop, maar bevat een GPU-chip voor 3D-rendering, waardoor VR-omgevingen kunnen worden geïntegreerd met het weergave- of gedragsapparaat in verschillende individuele opstellingen. Verder hebben we een grafisch softwarepakket ontwikkeld dat is geschreven in Python, "HallPassVR", dat de single-board computer gebruikt om een eenvoudige visuospatiale omgeving, een virtuele lineaire track of gang weer te geven, door aangepaste visuele functies die zijn geselecteerd met behulp van een grafische gebruikersinterface (GUI) opnieuw te combineren. Dit wordt gecombineerd met microcontroller-subsystemen (bijv. ESP32 of Arduino) om voortbeweging te meten en gedrag te coördineren, zoals door de levering van andere modaliteiten van sensorische stimuli of beloningen om reinforcement learning te vergemakkelijken. Dit systeem biedt een goedkope, flexibele en eenvoudig te gebruiken alternatieve methode voor het leveren van visuospatiale VR-omgevingen aan hoofd-ingehouden muizen tijdens twee-foton beeldvorming (of andere technieken die hoofdfixatie vereisen) voor het bestuderen van de neurale circuits die ten grondslag liggen aan ruimtelijk leergedrag.

<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

Hoofd-ingetogen gedragsexperimenten bij muizen stellen neurowetenschappers in staat om neurale circuitactiviteit te observeren met elektrofysiologische en optische beeldvormingshulpmiddelen met hoge resolutie, terwijl ze nauwkeurige sensorische stimuli leveren aan een zich gedragend dier. Onlangs hebben menselijke en knaagdierstudies met behulp van virtual reality (VR) -omgevingen aangetoond dat VR een belangrijk hulpmiddel is voor het blootleggen van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan ruimtelijk leren in de hippocampus en cortex, vanwege de uiterst nauwkeurige controle over parameters zoals ruimtelijke en contextuele signalen. Het opzetten van virtuele omgevingen voor ruimtelijk gedrag van knaagdieren kan echter duur zijn en vereist een uitgebreide achtergrond in engineering en computerprogrammering. Hier presenteren we een eenvoudig maar krachtig systeem op basis van goedkope, modulaire, open-source hardware en software waarmee onderzoekers ruimtelijk leren kunnen bestuderen in hoofd-ingetogen muizen met behulp van een VR-omgeving. Dit systeem maakt gebruik van gekoppelde microcontrollers om de voortbeweging te meten en gedragsstimuli te leveren, terwijl hoofd-ingehouden muizen op een wiel rennen in combinatie met een virtuele lineaire spooromgeving die wordt weergegeven door een grafisch softwarepakket dat op een single-board computer draait. De nadruk op gedistribueerde verwerking stelt onderzoekers in staat om flexibele, modulaire systemen te ontwerpen om complex ruimtelijk gedrag bij muizen uit te lokken en te meten om het verband tussen neurale circuitactiviteit en ruimtelijk leren in het zoogdierbrein te bepalen.

Deze open-source virtual reality-gedragsopstelling stelde ons in staat om likgedrag te kwantificeren als een uitlezing van ruimtelijk leren terwijl hoofd-ingetogen muizen door een virtuele lineaire spooromgeving navigeerden. Zeven C57BL / 6-muizen van beide geslachten op de leeftijd van 4 maanden werden op een beperkt waterschema geplaatst en eerst getraind om continu op lage niveaus te likken terwijl ze op het wiel liepen voor willekeurige ruimtelijke beloningen ("willekeurig foerageren") zonder VR. Hoewel hun prestatie...

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

Hier presenteren we een vereenvoudigde open-source hardware- en software-opstelling voor het onderzoeken van ruimtelijk leren van muizen met behulp van virtual reality (VR). Dit systeem toont een virtueel lineair spoor naar een hoofd-ingetogen muis die op een wiel draait door gebruik te maken van een netwerk van microcontrollers en een single-board computer met een eenvoudig te gebruiken Python grafisch softwarepakket.

Een open-source virtual reality-systeem voor het meten van ruimtelijk leren bij hoofdremmende muizen

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

Dit open source virtual reality-systeem is een belangrijk hulpmiddel voor het bestuderen van ruimtelijk leren in de hersenen, omdat het onderzoekers in staat stelt om een consistente set ruimtelijke stimuli te presenteren aan een hoofd-ingetogen muis met behulp van een eenvoudige modulaire elektronische opstelling. Het voordeel van dit systeem is dat het goedkoop, eenvoudig in te stellen, compact en modulair is, waardoor meerdere gedragsopstellingen kunnen worden gebouwd voor training en integratie met bestaande hoofd-ingetogen gedragsopstellingen. Dit systeem is ideaal voor het meten van ruimtelijk leren en hoofdremmende muizen, maar het is ook in staat om visuele virtual reality-omgevingen te leveren voor experimenten in andere soorten en preparaten, waaronder menselijke psychofysica en neuroimaging.Carla Diaz en Hannah Chung, onderzoeksassistenten in ons laboratorium, zullen deze procedure demonstreren. Verbind om te beginnen de draden tussen de roterende encodercomponent en de roterende ESP32. Roterende encoders hebben over het algemeen vier draden, positief, GND, A en B. Verbind deze via jumperdraden met de ESP32, 3 0,3 volt, GND 25 en 26 pinnen.Sluit de seriële RX/TX-draden aan tussen de roterende ESP32 en het gedrag ESP32. Maak een eenvoudige tweedraadsverbinding tussen de roterende ESP32, Serial0 RX/TX en de Serial2-poort van het gedrag ESP32. Sluit de seriële RX/TX-draden aan tussen de roterende ESP32 en de GPIO- of directe USB-verbinding van de single board computer.Maak een tweedraads verbinding tussen de GPIO-pinnen van de single board computer, 14, 15, RX/TX, en de roterende ESP32, Serial2, TX/RX pinnen 1716. Sluit vervolgens de roterende ESP32 USB aan op de USB van de single board computer om de initiële roterende encodercode te uploaden. Sluit de 12 volt vloeibare magneetklep aan op de ULN2803 IC-uitgang helemaal links van de OMW kleine PCB, sluit de likpoort aan op de ESP32 touch-ingang.Sluit de USB aan op de USB-poort van de single board computer om nieuwe programma's te uploaden naar het gedrag ESP32 voor verschillende experimentele paradigma's en om gedragsgegevens vast te leggen met behulp van de meegeleverde verwerkingsschets. Sluit vervolgens de 12 volt DC-wandadapter aan op de 2,1 millimeter barrel jack-connector op de ESP32 OMW kleine PCB om de stroom te leveren voor de beloningsmagneetklep. Sluit de HDMI two-uitgang van de single board computer aan op de HDMI-poort van de projector.Dit zal de grafische softwareomgeving die wordt gerenderd door de GPU van de single board computer naar het projectiescherm brengen. Open het terminalvenster in de single board computer en navigeer naar de Hall Pass VR-map. Voer de aangegeven virtual reality of VR grafische gebruikersinterface of GUI uit om het GUI-venster te openen.Selecteer en voeg vier elementen toe in de keuzelijst voor elk van de drie patronen langs de track en klik vervolgens op Genereren. Selecteer Vloer- en plafondafbeeldingen in de vervolgkeuzemenu's en stel de lengte van de track in op twee meter voor deze voorbeeldcode. Benoem dit patroon, indien gewenst.Klik op de knop Start en wacht tot het VR-venster wordt gestart voordat u ergens anders klikt. De grafische softwareomgeving verschijnt op scherm twee. Voer de verwerkingsschets uit om de beweging van gedragsgegevens te verwerven en te plotten.Open de aangegeven opdracht in de verwerkings-IDE. Verander het dier in uw muisnummervariabele en stel sessieminuten in die gelijk zijn aan de lengte van de gedragssessie in minuten. Klik op de knop Uitvoeren op de verwerkings-IDE.Controleer het verwerkingsplotvenster dat de huidige muispositie op de virtuele lineaire track moet weergeven terwijl het wiel meedraait met de beloningszones en lopende histogrammen van de licks, ronden en beloningen, die elke 30 seconden worden bijgewerkt. Verplaats het loopwiel met de hand om te simuleren dat de muis wordt uitgevoerd om te testen of gebruik een testmuis voor de eerste installatie. Klik op het plotvenster en druk op de Q-toets op het toetsenbord om te stoppen met het verkrijgen van gedragsgegevens.Een tekstbestand van de gedragsgebeurtenissen en -tijden en een afbeelding van het laatste plotvenster in PNG wordt opgeslagen wanneer de sessieminuten zijn verstreken of de gebruiker op de Q-toets drukt om af te sluiten. Voor willekeurig smeden met niet-operante beloningen, voert u het GUI-programma van de grafische software uit met een pad van willekeurige visuele elementen. Upload vervolgens het gedragsprogramma naar het gedrag ESP32 met meerdere niet-operante beloningen om de muis te conditioneren om te rennen en te likken.Plaats de muis voorzichtig in het hoofdfixatieapparaat, stel de liktuit in op een locatie net voor de mond van de muis en plaats het muiswiel in het midden van de projectieschermzone. Stel de naam van het dier in de verwerkingsschets in en druk vervolgens op Uitvoeren in de verwerkings-IDE om te beginnen met het verzamelen en plotten van de gedragsgegevens. Voer de muis uit in sessies van 20 tot 30 minuten totdat de muis minstens 20 ronden per sessie loopt en lik voor beloningen die op willekeurige locaties worden gepresenteerd.Voor willekeurig foerageren met operante beloningen op alternatieve ronden, uploadt u het gedragsprogramma met afwisselend operant gelijk aan één en traint u de muis totdat deze likt voor zowel niet-operante als operante beloningszones. Voor volledig operante willekeurige foerageeracties uploadt u het gedragsprogramma met vier operante willekeurige beloningszones en traint u de muis totdat deze consistent langs de baan likt voor beloningen. Voer vervolgens voor ruimtelijk leren het grafische softwareprogramma uit met een pad van een donkere gang met een enkele visuele aanwijzing in het midden.Upload vervolgens het gedragsprogramma met een enkele verborgen beloningszone naar het gedrag ESP32. Laat de muis 30 minuten durende sessies draaien met een enkele verborgen beloningszone en een enkele visuele aanwijzing VR-gang en leg gegevens vast tijdens de sessie zoals eerder beschreven. Download het txt-gegevensbestand uit de map processing sketch en analyseer de gedragsgegevens om de opkomst van ruimtelijk selectief likken als indicator van ruimtelijk leren te observeren.Ruimtelijk leren met behulp van de grafische softwareomgeving wordt hier getoond. Door middel van progressieve stadia van training op willekeurig foerageren, leerden muizen om op het wiel te rennen en consequent langs de baan te likken op lage niveaus voordat ze werden overgeschakeld naar een enkele verborgen beloningslocatie om ruimtelijk leren te laten zien. In deze studie leerden vier van de zeven muizen de verborgen beloningstaak met een enkele visuele aanwijzing in twee tot vier sessies, zoals blijkt uit hun likken in de buurt van de beloningszone met toenemende selectiviteit.Bovendien vertoonden de muizen zowel substantieel binnen de sessie als tussen het leren van de sessie. Ruimtelijke licks per ronde op dag twee toonden een verhoogd likken voorafgaand aan de beloningszone en een afname van het likken elders, wat wijst op de ontwikkeling van ruimtelijk specifiek anticiperend likken. Het belangrijkste om te onthouden bij het gebruik van het systeem is dat muizen alleen goed presteren als ze versterkt en comfortabel op het loopwiel zitten.Daarom beperkt water de dieren op de juiste manier, behandel ze voorzichtig en zorg ervoor dat hun hoofdvergrendelingspositie optimaal is om te rennen tijdens het bekijken van het projectiescherm. Een neurowetenschappelijk onderzoeker kan dit open source VR-systeem combineren met in vivo beeldvorming of elektrofysiologie om neuroncircuits te onderzoeken die ten grondslag liggen aan ruimtelijk leren in de hersenen. We denken dat de eenvoud van dit open source VR-systeem onderzoekers in staat zal stellen om het systeem te integreren in verschillende neuro-opname-opstellingen.De precieze controle over ruimtelijke stimuli in de VR-omgeving zal onderzoekers in staat stellen om de bijdragen van specifieke neuroncircuits aan ruimtelijk leren te onderzoeken.

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

Lage-stress Route leren met behulp van de Lashley III Maze in Muizen

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

Human vreesconditionering Uitgevoerd in Full Immersion 3-Dimensionale Virtual Reality

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

Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation

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

Optische registratie van suprathreshold neurale activiteit met single-cell en single-spike resolutie

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

Opbouwen van een open-source Robotic Stereotaxische 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 optogenetische Stimulatie van de knaagdieren centrale zenuwstelsel

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

Immunohistochemische Visualisatie van hippocampus Neuron activiteit na Ruimtelijke Leren in een muismodel van Neurodevelopmental Disorders

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

Elektrofysiologische Methode voor opname intracellulaire Voltage Reacties van<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptoren en Interneurons naar 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

Het beoordelen van ruimtelijke leren en geheugen in Small Squamate Reptielen

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

Een objectieve en reproduceerbare Test van olfactorische leren en discriminatie in muizen

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