Name: an open-source virtual reality system for the measurement of spatial learning in head-restrained mice
Uploaded: 2023-03-03T13:33:00
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이 원고에서 프로토콜을 개발하는 동안 토론과 제안에 대해 Harvey 연구실의 Noah Pettit에게 감사드립니다. 이 작업은 NINDS R56NS128177(RH, CL) 및 NIMH R01MH068542(RH) 외에도 BBRF Young Investigator Award 및 NIMH 1R21MH122965(GFT)의 지원을 받았습니다.

이 프로토콜의 모든 절차는 뉴욕주 정신의학 연구소의 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다.
참고: 단일 보드 컴퓨터는 바퀴 위에서 머리가 고정된 마우스의 실행과 조정된 VR 시각적 환경을 표시하는 데 사용됩니다. 움직임 정보는 휠 액슬에 연결된 로터리 엔코더를 읽는 ESP32 마이크로 컨트롤러의 직렬 입력으로 수신됩니다. VR 환경은 Raspberry Pi용 pi3d Python 3D ?...

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	<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>

이 마우스용 오픈 소스 VR 시스템은 로터리 및 동작 ESP32 마이크로컨트롤러와 단일 보드 컴퓨터(2단계) 간에 직렬 연결이 제대로 이루어진 경우에만 작동하며, 이는 IDE 직렬 모니터(2.4.5단계)를 사용하여 확인할 수 있습니다. 이 프로토콜(4단계)의 성공적인 행동 결과를 위해 마우스는 장치에 익숙해져야 하며 액체 보상을 위해 바퀴 위에서 편안하게 달릴 수 있어야 합니다(4.3-4.5단계). 이것은 홈케이...

공간 내비게이션은 동물이 새로운 위치의 특징을 인지 지도로 인코딩하는 에토론적으로 중요한 행동으로, 가능한 보상 영역을 찾고 잠재적 위험 영역을 피하는 데 사용됩니다. 기억과 불가분의 관계에 있는 공간 탐색의 기초가 되는 인지 과정은 해마1와 피질의 신경 기질을 공유하며, 이 영역의 신경 회로는 들어오는 정보를 통합하고 나중에 회상할 수 있도록 환경 및 사건에 대한 인지 지도를 형성합니다2. 해마(hippocampus)3,4의 장소 세포(place cell)와 내후각 피질(entorhinal cortex)5의 격자 세포(grid cell)의 발견은 해마 내의 인지 지도가 어떻게 형성되는지에 대한 명확한 정보를 제공했지만, 해마의 특정 신경 아형, 미세 회로 및 개별 하위 영역(치상회, 각질 암모니스 영역, CA3-1)이 어떻게 상호 작용하고 공간 기억 형성 및 회상에 참여하는지에 대한 많은 질문이 남아 있습니다.
생체 내 이광자 이미징은 감각 신경 생리학 6,7에서 세포 및 인구 역학을 밝히는 데 유용한 도구였습니다. 그러나 머리 지지대의 일반적인 필요성은 포유류의 공간 행동을 조사하기 위한 이 방법의 유용성을 제한합니다. 가상 현실(VR)8의 출현은 머리에 구속된 마우스가 해마 8,9,10 및 피질 11에서 공간 및 컨텍스트 인코딩을 연구하기 위해 공이나 러닝머신에서 달리는 동안 몰입감 있고 사실적인 시공간 환경을 제시함으로써 이러한 단점을 해결했습니다. 또한, 행동하는 마우스와 함께 VR 환경을 사용함으로써 신경과학 연구자들은 모리스 수중 미로, 반스 미로, 또는 홀 보드 작업과 같은 공간 학습의 실제 실험에서는 불가능한 방식으로 VR 환경(12)의 요소(예를 들어, 시각적 흐름, 문맥 변조)를 정밀하게 제어함으로써 공간 행동의 구성요소를 해부할 수 있다.
비주얼 VR 환경은 일반적으로 컴퓨터의 GPU(그래픽 처리 장치)에서 렌더링되며, 이 GPU는 움직이는 3D 환경을 화면에서 실시간으로 모델링하는 데 필요한 수천 개의 폴리곤을 빠르게 컴퓨팅하는 부하를 처리합니다. 큰 처리 요건은 일반적으로 움직임이 동물 아래의 트레드밀, 바퀴 또는 폼 볼로부터 기록될 때 시각적 환경을 모니터, 다중 스크린(13) 또는 프로젝터(14 )에 렌더링하는 GPU를 갖는 별도의 PC의 사용을 필요로 한다. 그러므로, VR 환경을 제어, 렌더링 및 투사하기 위한 결과적인 장치는 상대적으로 비싸고, 부피가 크며, 성가신다. 또한, 문헌의 많은 이러한 환경은 비용이 많이 들고 전용 PC에서만 실행할 수 있는 독점 소프트웨어를 사용하여 구현되었습니다.
이러한 이유로 우리는 Raspberry Pi 단일 보드 컴퓨터를 사용하여 머리가 구속된 마우스의 공간 학습 행동을 연구하기 위해 오픈 소스 VR 시스템을 설계했습니다. 이 Linux 컴퓨터는 작고 저렴하지만 3D 렌더링을 위한 GPU 칩이 포함되어 있어 다양한 개별 설정에서 VR 환경을 디스플레이 또는 행동 장치와 통합할 수 있습니다. 또한 Python으로 작성된 그래픽 소프트웨어 패키지인 "HallPassVR"을 개발했으며, 이 패키지는 단일 보드 컴퓨터를 활용하여 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 선택한 사용자 지정 시각적 기능을 재결합하여 간단한 시공간 환경, 가상 선형 트랙 또는 복도를 렌더링합니다. 이는 마이크로 컨트롤러 하위 시스템(예: ESP32 또는 Arduino)과 결합되어 운동을 측정하고 강화 학습을 용이하게 하기 위한 다른 감각 자극 또는 보상 전달과 같은 동작을 조정합니다. 이 시스템은 공간 학습 행동의 기초가 되는 신경 회로를 연구하기 위해 이광자 이미징(또는 머리 고정이 필요한 기타 기술) 중에 머리가 구속된 마우스에 시공간 VR 환경을 제공하기 위한 저렴하고 유연하며 사용하기 쉬운 대체 방법을 제공합니다.

<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

생쥐의 머리 구속 행동 실험을 통해 신경 과학자들은 고해상도 전기 생리학 및 광학 이미징 도구를 사용하여 신경 회로 활동을 관찰하는 동시에 행동하는 동물에게 정확한 감각 자극을 전달할 수 있습니다. 최근 가상 현실(VR) 환경을 사용한 인간 및 설치류 연구에 따르면 VR은 공간 및 상황 신호와 같은 매개변수를 매우 정밀하게 제어하기 때문에 해마와 피질의 공간 학습의 기반이 되는 신경 메커니즘을 밝히는 데 중요한 도구임이 밝혀졌습니다. 그러나 설치류 공간 행동을 위한 가상 환경을 설정하는 것은 비용이 많이 들고 엔지니어링 및 컴퓨터 프로그래밍에 대한 광범위한 배경 지식이 필요할 수 있습니다. 여기에서는 연구원들이 VR 환경을 사용하여 머리가 구속된 마우스의 공간 학습을 연구할 수 있도록 하는 저렴한 모듈식 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어를 기반으로 하는 간단하면서도 강력한 시스템을 제시합니다. 이 시스템은 결합된 마이크로 컨트롤러를 사용하여 이동을 측정하고 행동 자극을 전달하는 반면, 머리에 구속된 마우스는 단일 보드 컴퓨터에서 실행되는 그래픽 소프트웨어 패키지로 렌더링되는 가상 선형 트랙 환경과 함께 바퀴 위에서 실행됩니다. 분산 처리에 중점을 두어 연구자들은 포유류 뇌의 신경 회로 활동과 공간 학습 간의 연결을 결정하기 위해 마우스의 복잡한 공간 행동을 유도하고 측정할 수 있는 유연한 모듈식 시스템을 설계할 수 있습니다.

이 오픈 소스 가상 현실 행동 설정을 통해 머리가 구속된 마우스가 가상 선형 트랙 환경을 탐색할 때 공간 학습의 판독값으로 핥는 동작을 정량화할 수 있었습니다. 생후 4개월에 남녀 모두의 C57BL/6 마우스 7마리를 제한된 수역 일정에 배치하고 먼저 VR 없이 무작위 공간 보상("무작위 채집")을 위해 바퀴 위를 달리면서 낮은 수준에서 지속적으로 핥도록 훈련했습니다. 처음에는 2m 랜덤 복도 패턴의 ...

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

여기에서는 가상 현실(VR)을 사용하여 마우스 공간 학습을 조사하기 위한 간소화된 오픈 소스 하드웨어 및 소프트웨어 설정을 제시합니다. 이 시스템은 마이크로 컨트롤러 네트워크와 사용하기 쉬운 Python 그래픽 소프트웨어 패키지를 실행하는 단일 기판 컴퓨터를 활용하여 휠에서 실행되는 머리 구속 마우스에 대한 가상 선형 트랙을 표시합니다.

머리가 구속된 마우스의 공간 학습 측정을 위한 오픈 소스 가상 현실 시스템An open-source virtual reality system for the measurement of spatial learning in head-trained mice

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

이 오픈 소스 가상 현실 시스템은 연구자들이 간단한 모듈식 전자 설정을 사용하여 머리가 구속된 마우스에 일관된 공간 자극 세트를 제시할 수 있게 해주기 때문에 뇌의 공간 학습 연구에 중요한 도구입니다. 이 시스템의 장점은 저렴하고 설정하기 쉬우며 컴팩트하고 모듈식이어서 기존의 머리 제한 행동 설정과의 교육 및 통합을 위한 여러 행동 설정을 구축할 수 있다는 것입니다. 이 시스템은 공간 학습 및 머리 구속 마우스를 측정하는 데 이상적이지만 인간 정신 물리학 및 신경 영상을 포함한 다른 종 및 준비의 실험을 위한 시각적 가상 현실 환경을 동등하게 제공할 수 있습니다.이 절차를 시연하는 것은 우리 실험실의 연구 조교 인 Carla Diaz와 Hannah Chung이 될 것입니다. 시작하려면 로터리 엔코더 구성 요소와 로터리 ESP32 사이에 와이어를 연결합니다. 로터리 엔코더에는 일반적으로 양극, GND, A 및 B의 4 개의 와이어가 있으며 점퍼 와이어를 통해 ESP32, 3 0.3 볼트, GND 25 및 26 핀에 연결합니다.회전식 ESP32와 동작 ESP32 사이에 직렬 RX/TX 와이어를 연결합니다. 회전식 ESP32, Serial0 RX/TX 및 동작 ESP2의 Serial32 포트 사이에 간단한 2선 연결을 만듭니다. 회전식 ESP32와 단일 보드 컴퓨터 GPIO 또는 직접 USB 연결 사이에 직렬 RX/TX 와이어를 연결합니다.단일 보드 컴퓨터 GPIO 핀 14, 15, RX/TX와 회전식 ESP32, Serial2, TX/RX 핀 1716 사이에 2선식 연결을 만듭니다. 그런 다음 회전식 ESP32 USB를 단일 보드 컴퓨터 USB에 연결하여 초기 회전식 인코더 코드를 업로드합니다. 12볼트 액체 솔레노이드 밸브를 OMW 소형 PCB의 맨 왼쪽에 있는 ULN2803 IC 출력에 연결하고 릭 포트를 ESP32 터치 입력에 연결합니다.USB를 단일 보드 컴퓨터의 USB 포트에 연결하여 다양한 실험 패러다임을 위해 동작 ESP32에 새 프로그램을 업로드하고 포함된 처리 스케치를 사용하여 동작 데이터를 캡처합니다. 그런 다음 12볼트 DC 벽면 어댑터를 동작 ESP2.1 OMW 소형 PCB의 32mm 배럴 잭 커넥터에 연결하여 보상 솔레노이드 밸브에 전원을 공급합니다. 단일 보드 컴퓨터의 HDMI 2 출력을 프로젝터 HDMI 포트에 연결합니다.이것은 단일 보드 컴퓨터 GPU에 의해 렌더링된 그래픽 소프트웨어 환경을 프로젝션 스크린으로 전달합니다. 싱글 보드 컴퓨터에서 터미널 창을 열고 Hall Pass VR 폴더로 이동합니다. 표시된 가상 현실 또는 VR 그래픽 사용자 인터페이스 또는 GUI를 실행하여 GUI 창을 엽니다.트랙을 따라 있는 세 가지 패턴 각각에 대해 목록 상자에서 네 개의 요소를 선택하고 추가한 다음 생성을 클릭합니다. 드롭다운 메뉴에서 바닥 및 천장 이미지를 선택하고 이 예제 코드의 트랙 길이를 2미터로 설정합니다. 원하는 경우 이 패턴의 이름을 지정합니다.시작 버튼을 클릭하고 VR 창이 시작될 때까지 기다렸다가 다른 곳을 클릭합니다. 그래픽 소프트웨어 환경이 화면 2에 나타납니다. 처리 스케치를 실행하여 동작 데이터 이동을 수집하고 플로팅합니다.처리 IDE에서 표시된 명령을 엽니다. 동물을 마우스 숫자 변수로 변경하고 세션 시간을 행동 세션의 길이(분)와 동일하게 설정합니다. 처리 IDE에서 실행 단추를 클릭합니다.휠이 30초마다 업데이트되는 핥기, 랩 및 보상의 리워드 영역 및 러닝 히스토그램과 함께 회전할 때 가상 선형 트랙에서 현재 마우스 위치를 표시해야 하는 처리 플롯 창을 확인합니다. 러닝 휠을 손으로 전진시켜 테스트를 위해 마우스 러닝을 시뮬레이션하거나 초기 설정에 테스트 마우스를 사용합니다. 플롯 창을 클릭하고 키보드의 Q 키를 눌러 동작 데이터 수집을 중지합니다.동작 이벤트 및 시간의 텍스트 파일과 PNG의 최종 플롯 창 이미지는 세션 시간(분)이 경과하거나 사용자가 Q 키를 눌러 종료할 때 저장됩니다. 조작되지 않는 보상이 있는 무작위 단조의 경우 임의의 시각적 요소 경로로 그래픽 소프트웨어 GUI 프로그램을 실행합니다. 그런 다음 동작 프로그램을 동작 ESP32에 업로드하여 여러 개의 비조작적 보상과 함께 마우스가 달리고 핥도록 조절합니다.마우스를 머리 고정 장치에 부드럽게 놓고 핥기 주둥이를 마우스 입 바로 앞쪽 위치로 조정한 다음 마우스 휠을 프로젝션 스크린 영역의 중앙에 배치합니다. 처리 스케치에서 동물의 이름을 설정한 다음 처리 IDE에서 실행을 눌러 동작 데이터 수집 및 플로팅을 시작합니다. 마우스가 세션당 최소 20바퀴 동안 작동할 때까지 20분에서 30분 세션으로 마우스를 실행하고 임의의 위치에 제공되는 보상을 핥습니다.번갈아 가며 조작적 보상을 받는 무작위 채집의 경우, 조작자가 1과 같은 교대로 동작하는 행동 프로그램을 업로드하고 조작되지 않는 보상 영역과 조작적 보상 영역 모두에 대해 핥을 때까지 마우스를 훈련시킵니다. 완전히 조작적인 무작위 채집을 위해 4개의 조작적 무작위 보상 영역이 있는 행동 프로그램을 업로드하고 트랙을 따라 일관되게 보상을 받을 때까지 마우스를 훈련시킵니다. 다음으로 공간 학습을 위해 중앙에 단일 시각적 단서가 있는 어두운 복도 경로로 그래픽 소프트웨어 프로그램을 실행합니다.그런 다음 숨겨진 단일 보상 영역이 있는 행동 프로그램을 행동 ESP32에 업로드합니다. 하나의 숨겨진 보상 영역과 단일 시각적 큐 VR 복도를 사용하여 30분 동안 마우스를 실행하고 앞에서 설명한 대로 세션 중에 데이터를 캡처합니다. 처리 스케치 폴더에서 txt 데이터 파일을 다운로드하고 행동 데이터를 분석하여 공간 학습의 지표로서 공간 선택적 핥기의 출현을 관찰합니다.그래픽 소프트웨어 환경을 이용한 공간 학습은 다음과 같습니다. 무작위 먹이 찾기에 대한 점진적인 훈련 단계를 통해 쥐는 공간 학습을 보여주기 위해 단일 숨겨진 보상 위치로 전환되기 전에 바퀴 위에서 달리고 낮은 수준에서 트랙을 따라 일관되게 핥는 법을 배웠습니다. 이 연구에서, 7 마리의 마우스 중 4 마리는 선택성이 증가함에 따라 보상 영역 근처를 핥는 것으로 나타난 바와 같이 2-4 개의 세션에서 단일 시각적 신호로 숨겨진 보상 작업을 배웠습니다.또한, 마우스는 세션 내와 세션 학습 사이에 상당한 양을 나타냈다. 둘째 날의 랩당 공간적 핥기는 보상 영역 이전에 핥기가 증가하고 다른 곳에서 핥기가 감소한 것으로 나타났으며, 이는 공간적으로 특정한 예상 핥기의 발달을 나타냅니다. 시스템을 사용할 때 기억해야 할 가장 중요한 점은 마우스가 러닝 휠에서 강화되고 편안할 때만 잘 작동한다는 것입니다.따라서 물은 동물을 적절하게 제한하고 부드럽게 다루며 머리 구속 위치가 투사 화면을 보는 동안 달리기에 최적인지 확인하십시오. 신경과학 연구원은 이 오픈 소스 VR 시스템을 생체 내 이미징 또는 전기 생리학과 결합하여 뇌의 공간 학습의 기반이 되는 뉴런 회로를 조사할 수 있습니다. 우리는 이 오픈 소스 VR 시스템의 단순성을 통해 연구자들이 시스템을 다양한 신경 기록 설정에 통합할 수 있다고 생각합니다.VR 환경에서 공간 자극을 정밀하게 제어함으로써 연구자들은 공간 학습에 대한 특정 뉴런 회로의 기여도를 조사할 수 있습니다.

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

마우스에 레쉴리 III 메이즈를 사용하여 낮은 스트레스 루트 학습

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

연구

신경과학

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

전체 투입 3 차원 가상 현실에서 실시 인간 두려움 컨디셔닝

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

공간 탐색 구역에서 &#39;학습 연구에 적외선 분광학 가까이 MazeSuite 및 기능 사용

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

단일 셀 및 단일 스파이크 해상도 suprathreshold 신경 활동의 광 기록

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

오픈 소스 로봇 정위 장비 구축

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

설치류 중추 신경계의 생체 Optogenetic 자극

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

신경 발달 장애의 마우스 모델에서 공간 학습 후 해마 신경 세포 활동의 면역 시각화

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

의 기록 세포 내 전압 응답에 대한 전기 생리 방법<em&gt; 초파리</em&gt; 빛 자극에 광수와의 interneurons<em&gt; 생체</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

작은 Squamate 파충류에서 공간 학습 및 메모리 평가

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

후 각 학습 및 쥐에 있는 차별의 객관적이 고 재현성 시험

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