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

ברצוננו להודות לנח פטיט ממעבדת הארווי על הדיון וההצעות בעת פיתוח הפרוטוקול בכתב יד זה. עבודה זו נתמכה על ידי פרס החוקר הצעיר של BBRF ו- NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), בנוסף ל- NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) ו- NIMH R01MH068542 (R.H).

כל ההליכים בפרוטוקול זה אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של המכון הפסיכיאטרי של מדינת ניו יורק.
הערה: מחשב לוח יחיד משמש להצגת סביבה חזותית של מציאות מדומה המתואמת עם הפעלת עכבר מרוסן ראש על גלגל. מידע התנועה מתקבל כקלט טורי ממיקרו-בקר ESP32 הקורא מקודד סיב?...

<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>

מערכת VR בקוד פתוח זו לעכברים תפעל רק אם החיבורים הטוריים נעשים כראוי בין המיקרו-בקרים הסיבוביים וההתנהגות ESP32 לבין המחשב על לוח יחיד (שלב 2), אשר ניתן לאשר באמצעות הצג הטורי IDE (שלב 2.4.5). לקבלת תוצאות התנהגותיות מוצלחות מפרוטוקול זה (שלב 4), יש להרגיל את העכברים למכשיר ולהרגיש בנוח לרוץ על הגלגל...

ניווט מרחבי הוא התנהגות חשובה מבחינה אתולוגית שבאמצעותה בעלי חיים מקודדים את התכונות של מיקומים חדשים למפה קוגניטיבית, המשמשת למציאת אזורי תגמול אפשריים והימנעות מאזורי סכנה פוטנציאליים. התהליכים הקוגניטיביים שבבסיס הניווט המרחבי, הקשורים קשר בל יינתק לזיכרון, חולקים מצע עצבי בהיפוקמפוס1 ובקליפת המוח, כאשר מעגלים עצביים באזורים אלה משלבים מידע נכנס ויוצרים מפות קוגניטיביות של סביבות ואירועים לצורך היזכרות מאוחרת יותר2. בעוד שהגילוי של תאי מקום בהיפוקמפוס3,4 ותאי רשת בקליפת המוח האנטורינלית5 שפך אור על האופן שבו המפה הקוגניטיבית בתוך ההיפוקמפוס נוצרת, שאלות רבות נותרו לגבי האופן שבו תת-סוגים עצביים ספציפיים, מיקרו-מעגלים ותת-אזורים בודדים של ההיפוקמפוס (הבליטה המשוננת, ואזורי האמוניס הקרניים, CA3-1) מתקשרים ומשתתפים בהיווצרות זיכרון מרחבי ובהיזכרות.
דימות דו-פוטוני In vivo היה כלי שימושי בחשיפת דינמיקה תאית ואוכלוסייה בנוירופיזיולוגיה חושית 6,7; עם זאת, הצורך האופייני בריסון ראש מגביל את התועלת של שיטה זו לבחינת התנהגות מרחבית של יונקים. הופעתה של מציאות מדומה (VR)8 טיפלה בחסרון זה על ידי הצגת סביבות חזותיות-מרחביות אימרסיביות ומציאותיות, בזמן שעכברים מרוסני ראש רצים על כדור או הליכון כדי לחקור קידוד מרחבי והקשרי בהיפוקמפוס 8,9,10 ובקליפת המוח 11. יתר על כן, השימוש בסביבות VR עם עכברים מתנהגים איפשר לחוקרי מדעי המוח לנתח את מרכיבי ההתנהגות המרחבית על ידי שליטה מדויקת באלמנטים של סביבת VR12 (למשל, זרימה חזותית, אפנון הקשרי) בדרכים שאינן אפשריות בניסויים בעולם האמיתי של למידה מרחבית, כגון מבוך המים מוריס, מבוך בארנס או משימות לוח חורים.
סביבות VR חזותיות מעובדות בדרך כלל על יחידת העיבוד הגרפי (GPU) של המחשב, אשר מטפלת בעומס של מחשוב מהיר של אלפי מצולעים הדרושים כדי למדל סביבה תלת-ממדית נעה על מסך בזמן אמת. דרישות העיבוד הגדולות דורשות בדרך כלל שימוש במחשב נפרד עם GPU שמעבד את הסביבה החזותית לצג, מסכיםמרובים 13 או מקרן14 כאשר התנועה נרשמת מהליכון, גלגל או כדור קצף מתחת לחיה. המנגנון המתקבל לשליטה, עיבוד והקרנה של סביבת VR הוא, אם כן, יקר יחסית, מגושם ומסורבל. יתר על כן, סביבות רבות כאלה בספרות יושמו באמצעות תוכנה קניינית שהיא גם יקרה וגם ניתנת להרצה רק על מחשב ייעודי.
מסיבות אלה, תכננו מערכת VR בקוד פתוח לחקר התנהגויות למידה מרחביות בעכברים מרוסנים באמצעות מחשב לוח יחיד Raspberry Pi. מחשב לינוקס זה הוא גם קטן וגם זול אך מכיל שבב GPU לעיבוד תלת מימד, המאפשר שילוב של סביבות VR עם התצוגה או המנגנון ההתנהגותי בתצורות אינדיבידואליות מגוונות. יתר על כן, פיתחנו חבילת תוכנה גרפית הכתובה בפייתון, "HallPassVR", המשתמשת במחשב לוח יחיד כדי לעבד סביבה חזותית מרחבית פשוטה, מסלול ליניארי וירטואלי או מסדרון, על ידי שילוב מחדש של תכונות חזותיות מותאמות אישית שנבחרו באמצעות ממשק משתמש גרפי (GUI). זה משולב עם תת-מערכות מיקרו-בקרים (למשל, ESP32 או Arduino) כדי למדוד תנועה ולתאם התנהגות, כגון על ידי מתן שיטות אחרות של גירויים חושיים או תגמולים כדי להקל על למידה חיזוק. מערכת זו מספקת שיטה חלופית זולה, גמישה וקלה לשימוש לאספקת סביבות VR חזותיות-מרחביות לעכברים מרוסני ראש במהלך דימות של שני פוטונים (או טכניקות אחרות הדורשות קיבוע ראש) לחקר המעגלים העצביים העומדים בבסיס התנהגות למידה מרחבית.

<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

ניסויים התנהגותיים מרוסני ראש בעכברים מאפשרים למדעני מוח לצפות בפעילות המעגלים העצביים באמצעות כלי הדמיה אלקטרופיזיולוגיים ואופטיים ברזולוציה גבוהה, תוך מתן גירויים חושיים מדויקים לחיה המתנהגת. לאחרונה, מחקרים בבני אדם ובמכרסמים המשתמשים בסביבות מציאות מדומה (VR) הראו כי מציאות מדומה היא כלי חשוב לחשיפת המנגנונים העצביים העומדים בבסיס למידה מרחבית בהיפוקמפוס ובקליפת המוח, בשל השליטה המדויקת ביותר על פרמטרים כגון רמזים מרחביים והקשריים. עם זאת, הקמת סביבות וירטואליות להתנהגויות מרחביות של מכרסמים יכולה להיות יקרה ולדרוש רקע נרחב בהנדסה ובתכנות מחשבים. כאן, אנו מציגים מערכת פשוטה אך רבת עוצמה המבוססת על חומרה ותוכנה זולות, מודולריות, קוד פתוח, המאפשרת לחוקרים לחקור למידה מרחבית בעכברים מרוסנים באמצעות סביבת VR. מערכת זו משתמשת במיקרו-בקרים מצומדים כדי למדוד תנועה ולספק גירויים התנהגותיים בזמן שעכברים מרוסנים בראשם רצים על גלגל בתיאום עם סביבת מסלול ליניארית וירטואלית המעובדת על ידי חבילת תוכנה גרפית הפועלת על לוח יחיד. הדגש על עיבוד מבוזר מאפשר לחוקרים לתכנן מערכות גמישות ומודולריות שיעוררו וימדדו התנהגויות מרחביות מורכבות בעכברים כדי לקבוע את הקשר בין פעילות המעגלים העצביים לבין למידה מרחבית במוח היונקים.

מערך התנהגותי זה של מציאות מדומה בקוד פתוח אפשר לנו לכמת התנהגות ליקוק כקריאה של למידה מרחבית בזמן שעכברים מרוסנים לראש ניווטו בסביבת מסלול ליניארי וירטואלי. שבעה עכברי C57BL/6 משני המינים בגיל 4 חודשים הוכנסו ללוח זמנים מוגבל במים ואומנו תחילה ללקק ברציפות ברמות נמוכות תוך כדי ריצה על הגלגל...

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

כאן, אנו מציגים הגדרת חומרה ותוכנה פשוטה בקוד פתוח לחקר למידה מרחבית של עכברים באמצעות מציאות מדומה (VR). מערכת זו מציגה מסלול ליניארי וירטואלי לעכבר מרוסן ראש הפועל על גלגל באמצעות רשת של מיקרו-בקרים ומחשב לוח יחיד המריץ חבילת תוכנה גרפית קלה לשימוש של Python.

מערכת מציאות מדומה בקוד פתוח למדידת למידה מרחבית בעכברים מרוסני ראש

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

מערכת קוד פתוח זו של מציאות מדומה היא כלי חשוב לחקר למידה מרחבית במוח מכיוון שהיא מאפשרת לחוקרים להציג קבוצה עקבית של גירויים מרחביים לעכבר מרוסן ראש באמצעות מערך אלקטרוני מודולרי פשוט. יתרונה של מערכת זו הוא שהיא זולה, קלה להתקנה, קומפקטית ומודולרית, המאפשרת בניית מערכים התנהגותיים מרובים לאימון ואינטגרציה עם מערכי התנהגות קיימים מרוסנים לראש. מערכת זו אידיאלית למדידת למידה מרחבית ועכברים מרוסני ראש, אולם באותה מידה היא מסוגלת לספק סביבות מציאות מדומה חזותיות לניסויים במינים ותכשירים אחרים, כולל פסיכופיזיקה אנושית ודימות מוחי.המדגימות הליך זה יהיו קרלה דיאז והאנה צ'ונג, עוזרות מחקר במעבדה שלנו. כדי להתחיל, חבר את החוטים בין רכיב המקודד הסיבובי לבין ESP32 הסיבובי. למקודדים סיבוביים יש בדרך כלל ארבעה חוטים, חיוביים, GND, A ו- B.חבר אותם באמצעות חוטי מגשר ל- ESP32, 3 0.3 וולט, GND 25 ו- 26 פינים.חבר את חוטי RX/TX הטוריים בין ESP32 הסיבובי לבין אופן הפעולה ESP32. צור חיבור פשוט של שני חוטים בין ESP32, Serial0 RX/TX הסיבובי ויציאת Serial2 של אופן הפעולה ESP32. חבר את חוטי RX/TX הטוריים בין ESP32 הסיבובי לבין GPIO של מחשב לוח יחיד או חיבור USB ישיר.צור חיבור דו-חוטי בין פיני GPIO של מחשב לוח יחיד, 14, 15, RX/TX, לבין סיכות ESP32, Serial2, TX/RX 1716 הסיבוביות. לאחר מכן, חבר את ה- USB ESP32 הסיבובי ל- USB של מחשב הלוח היחיד כדי להעלות את קוד המקודד הסיבובי הראשוני. חבר את שסתום הסולנואיד הנוזלי 12 וולט ליציאת המעגל-משולב ULN2803 בקצה השמאלי של לוח המעגלים המודפסים הקטן OMW, חבר את יציאת הליקוק לכניסת המגע ESP32.חבר את ה- USB ליציאת ה- USB של מחשב הלוח היחיד כדי להעלות תוכניות חדשות לאופן הפעולה ESP32 עבור פרדיגמות ניסוי שונות וללכוד נתוני התנהגות באמצעות שרטוט העיבוד הכלול. לאחר מכן חבר את מתאם הקיר DC 12 וולט למחבר שקע החבית 2.1 מ"מ על התנהגות ESP32 OMW PCB קטן כדי לספק את הכוח עבור שסתום סולנואיד תגמול. חבר את יציאת HDMI two של המחשב על לוח יחיד ליציאת HDMI של המקרן.פעולה זו תישא את סביבת התוכנה הגרפית המעובדת על-ידי המעבד הגרפי של מחשב הלוח היחיד אל מסך ההקרנה. פתח את חלון המסוף במחשב הלוח היחיד ונווט אל תיקיית Hall Pass VR. הפעל את ממשק המשתמש הגרפי או ממשק המשתמש הגרפי של מציאות מדומה או VR כדי לפתוח את חלון ממשק המשתמש הגרפי.בחר והוסף ארבעה אלמנטים מתיבת הרשימה עבור כל אחת משלוש התבניות לאורך המסלול, ולאחר מכן לחץ על צור. בחר תמונות רצפה ותקרה מהתפריטים הנפתחים והגדר את אורך הרצועה כשני מטרים עבור קוד לדוגמה זה. תן שם לתבנית זו, אם תרצה.לחץ על לחצן התחל והמתן עד שחלון המציאות המדומה יתחיל לפני שתלחץ במקום אחר. סביבת התוכנה הגרפית תופיע במסך השני. הפעל את סקיצה העיבוד כדי לרכוש ולהתוות את תנועת הנתונים ההתנהגותיים.פתח את הפקודה שצוינה ב- IDE העיבוד. שנה את בעל החיים למשתנה מספר העכבר שלך והגדר דקות הפעלה שוות לאורך ההפעלה ההתנהגותית בדקות. לחץ על הפעל כפתור על IDE עיבוד.בדוק את חלון עלילת העיבוד שאמור להציג את מיקום העכבר הנוכחי במסלול הליניארי הווירטואלי כאשר הגלגל מסתובב יחד עם אזורי התגמול והיסטוגרמות הריצה של הליקוקים, ההקפות והפרסים, המתעדכנים כל 30 שניות. קדם את גלגל הריצה ביד כדי לדמות את העכבר פועל לבדיקה או השתמש בעכבר בדיקה להתקנה הראשונית. לחץ על חלון העלילה ולחץ על מקש Q במקלדת כדי להפסיק לרכוש נתונים התנהגותיים.קובץ טקסט של האירועים והשעות ההתנהגותיים ותמונה של חלון העלילה הסופי ב- PNG נשמרים כאשר דקות ההפעלה חלפו או כאשר המשתמש לוחץ על מקש Q כדי לצאת. עבור חישול אקראי עם תגמולים שאינם אופרנטיים, הפעל את התוכנה הגרפית GUI תוכנית עם נתיב של אלמנטים חזותיים שרירותיים. לאחר מכן העלה את תוכנית ההתנהגות להתנהגות ESP32 עם תגמולים מרובים שאינם אופרנטיים כדי להתנות את העכבר לרוץ וללקק.הניחו את העכבר בעדינות במנגנון קיבוע הראש, התאימו את פיה הליקוק למיקום קדמי בלבד לפיו של העכבר ומקמו את גלגל העכבר במרכז אזור מסך ההקרנה. הגדר את שם בעל החיים בשרטוט העיבוד ולאחר מכן לחץ על הפעל בעיבוד IDE כדי להתחיל לרכוש ולהתוות את הנתונים ההתנהגותיים. הפעל את העכבר בסשנים של 20 עד 30 דקות עד שהעכבר ירוץ לפחות 20 הקפות בכל סשן וליקק עבור פרסים המוצגים במקומות אקראיים.עבור ליקוט אקראי עם תגמולים אופרנטיים בהקפות מתחלפות, העלה את תוכנית ההתנהגות עם אופרנט לסירוגין שווה לאחד ואמן את העכבר עד שהוא מלקק עבור אזורי תגמול לא אופרנטיים ואופרנטיים כאחד. עבור ליקוט אקראי אופרנטי מלא, העלה את תוכנית ההתנהגות עם ארבעה אזורי תגמול אקראיים אופרנטיים ואמן את העכבר עד שהוא מלקק פרסים באופן עקבי לאורך המסלול. בשלב הבא ללמידה מרחבית, הפעל את התוכנה הגרפית עם נתיב של מסדרון חשוך עם רמז חזותי יחיד במרכז.לאחר מכן העלה את תוכנית ההתנהגות עם אזור תגמול מוסתר יחיד להתנהגות ESP32. תן לעכבר לרוץ במשך 30 דקות עם אזור תגמול נסתר יחיד ורמז חזותי יחיד במסדרון VR וללכוד נתונים במהלך ההפעלה כפי שתואר קודם. הורד את קובץ הנתונים txt מתיקיית שרטוט העיבוד ונתח את הנתונים ההתנהגותיים כדי לצפות בהופעתו של ליקוק סלקטיבי מרחבי כאינדיקטור ללמידה מרחבית.למידה מרחבית באמצעות סביבת התוכנה הגרפית מוצגת כאן. באמצעות שלבים מתקדמים של אימון על ליקוט אקראי, עכברים למדו לרוץ על ההגה וללקק באופן עקבי לאורך המסלול ברמות נמוכות לפני שעברו למיקום תגמול נסתר אחד כדי להראות למידה מרחבית. במחקר זה, ארבעה מתוך שבעת העכברים למדו את משימת התגמול החבוי עם רמז חזותי יחיד בשניים עד ארבעה מפגשים, כפי שמוצג על ידי ליקוק שלהם ליד אזור התגמול עם סלקטיביות גוברת.יתר על כן, העכברים הפגינו הן באופן משמעותי בתוך המפגש והן בין הלמידה בסשן. ליקוקים מרחביים בכל הקפה ביום השני הראו ליקוק מוגבר לפני אזור התגמול וליקוק מופחת במקומות אחרים, מה שמצביע על התפתחות של ליקוק ציפייה ספציפי מרחבי. הדבר העיקרי שיש לזכור בעת השימוש במערכת הוא כי עכברים יתפקדו היטב רק אם מחוזקים ונוחים על גלגל הריצה.לכן, המים מגבילים את בעלי החיים כראוי, מטפלים בהם בעדינות ומוודאים שתנוחת ריסון הראש שלהם אופטימלית לריצה בזמן צפייה במסך ההקרנה. חוקר מדעי המוח יכול לשלב את מערכת הקוד הפתוח הזו של מציאות מדומה עם דימות in vivo או אלקטרופיזיולוגיה כדי לחקור מעגלים של נוירונים שבבסיס למידה מרחבית במוח. אנו חושבים שהפשטות של מערכת VR בקוד פתוח תאפשר לחוקרים לשלב את המערכת במערכי הקלטה עצבית מגוונים.השליטה המדויקת בגירויים מרחביים בסביבת VR תאפשר לחוקרים לבחון את תרומתם של מעגלי נוירונים ספציפיים ללמידה מרחבית.

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

מתח נמוך מסלול למידה באמצעות מבוך III Lashley ב עכברים

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

התניית פחד האדם שנערך מציאות שליטת טבילה 3-Dimensional וירטואלי

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

שימוש MazeSuite והתפקודי ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי ללמוד למידה מרחבית ניווט

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

הקלטה אופטית של פעילות עצבית suprathreshold עם רזולוצית תא בודד ויחיד ספייק

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

בניית קוד פתוח רובוטית Stereotaxic 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

בoptogenetic גירוי vivo של מערכת העצבים המרכזית מכרסם

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

ויזואליזציה immunohistochemical של היפוקמפוס Neuron פעילות לאחר מרחבי למידה במודל עכבר של הפרעות נוירו-התפתחותי

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

שיטת אלקטרו עבור תגובות מתח תאיים הקלטה של<em&gt; תסיסנית</em&gt; קולטני אור ו interneurons יאירו גירויים<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

הערכת למידה וזיכרון המרחבי קטן קַשׂקַשִׂי זוחל

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

מבחן אובייקטיבי, לשחזור של למידה חוש הריח ואפליה בעכברים

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