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

Gostaríamos de agradecer a Noah Pettit do laboratório Harvey pela discussão e sugestões durante o desenvolvimento do protocolo neste manuscrito. Este trabalho foi apoiado por um BBRF Young Investigator Award e NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), além de NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) e NIMH R01MH068542 (R.H.).

Todos os procedimentos deste protocolo foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais do New York State Psychiatric Institute.
NOTA: Um computador de placa única é usado para exibir um ambiente visual de RV coordenado com a execução de um mouse com restrição de cabeça em uma roda. As informações de movimento são recebidas como entrada serial de um microcontrolador ESP32 lendo um encoder rotativo acoplado ao eixo da roda. O ambiente VR é renderizado usando ac...

<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>

Este sistema VR de código aberto para ratos só funcionará se as conexões seriais forem feitas corretamente entre os microcontroladores ESP32 rotativos e comportamentais e o computador de placa única (etapa 2), o que pode ser confirmado usando o monitor serial IDE (etapa 2.4.5). Para obter resultados comportamentais bem-sucedidos deste protocolo (passo 4), os camundongos devem estar habituados ao aparelho e estar confortáveis correndo na roda para obter recompensas líquidas (passos 4.3-4.5). Isso requer restrição...

A navegação espacial é um comportamento etologicamente importante pelo qual os animais codificam as características de novos locais em um mapa cognitivo, que é usado para encontrar áreas de possível recompensa e evitar áreas de perigo potencial. Inextricavelmente ligados à memória, os processos cognitivos subjacentes à navegação espacial compartilham um substrato neural no hipocampo1 e córtex, onde circuitos neurais nessas áreas integram informações recebidas e formam mapas cognitivos de ambientes e eventos para posterior recordação2. Embora a descoberta de células de lugar no hipocampo3,4 e células de grade no córtex entorrinal5 tenha lançado luz sobre como o mapa cognitivo dentro do hipocampo é formado, muitas questões permanecem sobre como subtipos neurais específicos, microcircuitos e sub-regiões individuais do hipocampo (o giro denteado e áreas de cornu amonis, CA3-1) interagem e participam da formação e evocação da memória espacial.
A imagem in vivo de dois fótons tem sido uma ferramenta útil na descoberta da dinâmica celular e populacional em neurofisiologia sensorial 6,7; no entanto, a necessidade típica de apoio de cabeça limita a utilidade deste método para examinar o comportamento espacial de mamíferos. O advento da realidade virtual (RV)8 abordou essa lacuna ao apresentar ambientes visuoespaciais imersivos e realistas enquanto camundongos com restrição da cabeça correm em uma bola ou esteira para estudar a codificação espacial e contextual no hipocampo 8,9,10 e córtex 11. Além disso, o uso de ambientes de RV com camundongos que se comportam permitiu que os pesquisadores da neurociência dissecassem os componentes do comportamento espacial controlando precisamente os elementos do ambiente de RV12 (por exemplo, fluxo visual, modulação contextual) de maneiras não possíveis em experimentos do mundo real de aprendizagem espacial, como o labirinto aquático de Morris, labirinto de Barnes ou tarefas de hole board.
Ambientes de RV visual são normalmente renderizados na unidade de processamento gráfico (GPU) de um computador, que lida com a carga de computação rápida dos milhares de polígonos necessários para modelar um ambiente 3D em movimento em uma tela em tempo real. Os grandes requisitos de processamento geralmente exigem o uso de um PC separado com uma GPU que renderiza o ambiente visual para um monitor, várias telas13 ou um projetor14 , pois o movimento é gravado de uma esteira, roda ou bola de espuma sob o animal. O aparato resultante para controlar, renderizar e projetar o ambiente de RV é, portanto, relativamente caro, volumoso e pesado. Além disso, muitos desses ambientes na literatura foram implementados usando software proprietário que é caro e só pode ser executado em um PC dedicado.
Por essas razões, projetamos um sistema de RV de código aberto para estudar comportamentos de aprendizagem espacial em camundongos com restrição de cabeça usando um computador de placa única Raspberry Pi. Este computador Linux é pequeno e barato, mas contém um chip GPU para renderização 3D, permitindo a integração de ambientes VR com o display ou aparato comportamental em configurações individuais variadas. Além disso, desenvolvemos um pacote gráfico escrito em Python, "HallPassVR", que utiliza o computador de placa única para renderizar um ambiente visuoespacial simples, uma trilha linear virtual ou corredor, recombinando recursos visuais personalizados selecionados usando uma interface gráfica do usuário (GUI). Isso é combinado com subsistemas de microcontroladores (por exemplo, ESP32 ou Arduino) para medir a locomoção e coordenar o comportamento, como a entrega de outras modalidades de estímulos sensoriais ou recompensas para facilitar o aprendizado por reforço. Este sistema fornece um método alternativo barato, flexível e fácil de usar para fornecer ambientes de RV visuoespaciais para camundongos com restrição de cabeça durante imagens de dois fótons (ou outras técnicas que exigem fixação da cabeça) para estudar os circuitos neurais subjacentes ao comportamento de aprendizagem espacial.

<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

Experimentos comportamentais contidos na cabeça em camundongos permitem que os neurocientistas observem a atividade do circuito neural com ferramentas de imagem eletrofisiológica e óptica de alta resolução, ao mesmo tempo em que fornecem estímulos sensoriais precisos a um animal que se comporta. Recentemente, estudos em humanos e roedores utilizando ambientes de realidade virtual (RV) têm mostrado que a RV é uma importante ferramenta para descobrir os mecanismos neurais subjacentes ao aprendizado espacial no hipocampo e córtex, devido ao controle extremamente preciso sobre parâmetros como pistas espaciais e contextuais. A configuração de ambientes virtuais para comportamentos espaciais de roedores pode, no entanto, ser cara e exigir uma extensa formação em engenharia e programação de computadores. Aqui, apresentamos um sistema simples, mas poderoso, baseado em hardware e software baratos, modulares e de código aberto que permite aos pesquisadores estudar o aprendizado espacial em camundongos com restrição de cabeça usando um ambiente de RV. Este sistema usa microcontroladores acoplados para medir a locomoção e fornecer estímulos comportamentais enquanto ratos com a cabeça contida correm em uma roda em conjunto com um ambiente de trilha linear virtual renderizado por um pacote de software gráfico executado em um computador de placa única. A ênfase no processamento distribuído permite que os pesquisadores projetem sistemas flexíveis e modulares para eliciar e medir comportamentos espaciais complexos em camundongos, a fim de determinar a conexão entre a atividade do circuito neural e o aprendizado espacial no cérebro de mamíferos.

Essa configuração comportamental de realidade virtual de código aberto nos permitiu quantificar o comportamento de lamber como uma leitura do aprendizado espacial enquanto camundongos com a cabeça contida navegavam em um ambiente de trilha linear virtual. Sete camundongos C57BL/6 de ambos os sexos aos 4 meses de idade foram colocados em um esquema de água restrita e primeiro treinados para lamber continuamente em níveis baixos enquanto corriam na roda para recompensas espaciais aleatórias ("forrageamento aleatóri...

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

Aqui, apresentamos uma configuração simplificada de hardware e software de código aberto para investigar o aprendizado espacial de mouse usando realidade virtual (RV). Este sistema exibe uma trilha linear virtual para um mouse com restrição de cabeça rodando em uma roda utilizando uma rede de microcontroladores e um computador de placa única executando um pacote de software gráfico Python fácil de usar.

Um Sistema de Realidade Virtual de Código Aberto para a Medição da Aprendizagem Espacial em Camundongos Contidos na Cabeça

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

Este sistema de realidade virtual de código aberto é uma ferramenta importante para o estudo da aprendizagem espacial no cérebro, pois permite que os pesquisadores apresentem um conjunto consistente de estímulos espaciais a um mouse com a cabeça contida usando uma configuração eletrônica modular simples. A vantagem desse sistema é que ele é barato, fácil de configurar, compacto e modular, o que permite a construção de várias configurações comportamentais para treinamento e integração com configurações comportamentais existentes com restrição de cabeça. Este sistema é ideal para medir o aprendizado espacial e camundongos com a cabeça contida, no entanto, é igualmente capaz de fornecer ambientes de realidade virtual visual para experimentos em outras espécies e preparações, incluindo psicofísica humana e neuroimagem.Quem demonstrará esse procedimento será Carla Diaz e Hannah Chung, assistentes de pesquisa em nosso laboratório. Para começar, conecte os fios entre o componente codificador rotativo e o ESP32 rotativo. Os encoders rotativos geralmente têm quatro fios, positivo, GND, A e B.Conecte-os através de fios jumper aos pinos ESP32, 3 0,3 volts, GND 25 e 26.Conecte os fios RX/TX seriais entre o ESP32 rotativo e o comportamento ESP32. Faça uma conexão simples de dois fios entre o rotativo ESP32, Serial0 RX/TX e a porta Serial2 do comportamento ESP32. Conecte os fios RX/TX seriais entre o ESP32 rotativo e o GPIO do computador de placa única ou conexão USB direta.Faça uma conexão de dois fios entre os pinos GPIO do computador de placa única, 14, 15, RX/TX, e os pinos rotativos ESP32, Serial2, TX/RX 1716. Em seguida, conecte o USB rotativo ESP32 ao USB do computador de placa única para carregar o código do codificador rotativo inicial. Conecte a válvula solenoide líquida de 12 volts à saída ULN2803 IC na extremidade esquerda da pequena PCB OMW, conecte a porta de lambida à entrada de toque ESP32.Conecte o USB à porta USB do computador de placa única para carregar novos programas para o comportamento ESP32 para diferentes paradigmas experimentais e para capturar dados de comportamento usando o esboço de processamento incluído. Em seguida, conecte o adaptador de parede DC de 12 volts ao conector de conector de barril de 2,1 milímetros na PCB pequena ESP32 OMW para fornecer a energia para a válvula solenoide de recompensa. Conecte a saída HDMI dois do computador de placa única à porta HDMI do projetor.Isso levará o ambiente de software gráfico renderizado pela GPU do computador de placa única para a tela de projeção. Abra a janela do terminal no computador de placa única e navegue até a pasta Hall Pass VR. Execute a interface gráfica do usuário ou GUI de realidade virtual ou VR indicada para abrir a janela da GUI.Selecione e adicione quatro elementos da caixa de listagem para cada um dos três padrões ao longo da faixa e, em seguida, clique em Gerar. Selecione Imagens de piso e teto nos menus suspensos e defina o comprimento da faixa como dois metros para este código de exemplo. Nomeie esse padrão, se desejar.Clique no botão Iniciar e aguarde até que a janela VR seja iniciada antes de clicar em outro lugar. O ambiente gráfico do software aparecerá na tela dois. Execute o esboço de processamento para adquirir e plotar o movimento de dados comportamentais.Abra o comando indicado no IDE de processamento. Altere o animal para a variável número do mouse e defina minutos de sessão iguais à duração da sessão comportamental em minutos. Clique no botão Executar no IDE de processamento.Verifique a janela de gráfico de processamento que deve mostrar a posição atual do mouse na pista linear virtual enquanto a roda gira junto com as zonas de recompensa e histogramas de execução das lambidas, voltas e recompensas, atualizados a cada 30 segundos. Avançar o volante manualmente para simular o mouse em execução para teste ou use um mouse de teste para a configuração inicial. Clique na janela de plotagem e pressione a tecla Q no teclado para parar de adquirir dados comportamentais.Um arquivo de texto dos eventos e horários comportamentais e uma imagem da janela de plotagem final no PNG são salvos quando os minutos da sessão se esgotam ou o usuário pressiona a tecla Q para sair. Para forjamento aleatório com recompensas não operantes, execute o programa gráfico GUI do software com um caminho de elementos visuais arbitrários. Em seguida, carregue o programa de comportamento para o comportamento ESP32 com várias recompensas não operantes para condicionar o mouse a executar e lamber.Coloque suavemente o mouse no aparelho de fixação da cabeça, ajuste o bico de lambida para um local imediatamente anterior à boca do mouse e posicione a roda do mouse no centro da zona da tela de projeção. Defina o nome do animal no esboço de processamento e pressione Executar no IDE de processamento para começar a adquirir e plotar os dados comportamentais. Execute o mouse em sessões de 20 a 30 minutos até que o mouse corra por pelo menos 20 voltas por sessão e lamba as recompensas apresentadas em locais aleatórios.Para forrageamento aleatório com recompensas operantes em voltas alternadas, carregue o programa de comportamento com operante alternado igual a um e treine o mouse até que ele lamba para zonas de recompensa não operantes e operantes. Para forrageamento aleatório totalmente operante, carregue o programa de comportamento com quatro zonas de recompensa aleatórias operantes e treine o mouse até que ele lamba para obter recompensas consistentemente ao longo da pista. Em seguida, para o aprendizado espacial, execute o programa de software gráfico com um caminho de um corredor escuro com uma única pista visual no centro.Em seguida, carregue o programa de comportamento com uma única zona de recompensa oculta para o comportamento ESP32. Deixe o mouse funcionar por sessões de 30 minutos com uma única zona de recompensa oculta e um único corredor de RV de pista visual e capture dados durante a sessão, conforme descrito anteriormente. Faça o download do arquivo de dados txt da pasta de esboço de processamento e analise os dados comportamentais para observar o surgimento da lambedura espacialmente seletiva como um indicador de aprendizagem espacial.A aprendizagem espacial usando o ambiente gráfico de software é mostrada aqui. Através de estágios progressivos de treinamento em forrageamento aleatório, os ratos aprenderam a correr na roda e lamber consistentemente ao longo da pista em níveis baixos antes de serem trocados para um único local de recompensa oculto para mostrar o aprendizado espacial. Neste estudo, quatro dos sete ratos aprenderam a tarefa de recompensa oculta com uma única pista visual em duas a quatro sessões, como mostrado por sua lambida perto da zona de recompensa com seletividade crescente.Além disso, os ratos exibiram tanto substancial dentro da sessão quanto entre a sessão de aprendizagem. As lambidas espaciais por volta no segundo dia mostraram aumento da lambida antes da zona de recompensa e diminuição da lambida em outros locais, indicando o desenvolvimento de lambedura antecipatória espacialmente específica. A principal coisa a lembrar ao usar o sistema é que os mouses só terão um bom desempenho se reforçados e confortáveis no volante.Portanto, a água restrinja os animais adequadamente, manuseie-os suavemente e garanta que a posição de contenção da cabeça seja ideal para correr enquanto visualiza a tela de projeção. Um pesquisador de neurociência pode combinar este sistema de RV de código aberto com imagens in vivo ou eletrofisiologia para investigar circuitos de neurônios subjacentes ao aprendizado espacial no cérebro. Acreditamos que a simplicidade deste sistema de RV de código aberto permitirá que os pesquisadores integrem o sistema em diversas configurações de gravação neuro.O controle preciso sobre os estímulos espaciais no ambiente de RV permitirá que os pesquisadores examinem as contribuições de circuitos neurais específicos para a aprendizagem espacial.

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

Baixa tensão de Aprendizagem Route Usando o Lashley Maze III em Ratos

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

Neurociência

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

O condicionamento do medo humano Realizado em total imersão Realidade Virtual 3-Dimensional

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

Usando MazeSuite e Funcional espectroscopia no infravermelho próximo para o Estudo Aprendizagem em navegação espacial

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

A gravação ótica da atividade neural supraliminares com resolução de uma única célula e um único pico

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

Construir um Robotic estereotáxica Instrumento Open-source

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

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

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

In vivo Optogenetic estimulação do sistema nervoso central de roedores

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

A visualização imuno-histoquímica de Hippocampal Neuron Atividade Após Spatial Aprendizagem em um rato modelo de desordens do desenvolvimento neurológico

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

Método eletrofisiológico para respostas gravação intracelular de tensão<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotorreceptores e Interneurônios à luz Estímulos<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

Avaliando a aprendizagem espacial e memória em pequenas Squamata Répteis

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

Uma objetiva e reproduzível teste de aprendizagem olfactiva e discriminação em ratos

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