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

Мы хотели бы поблагодарить Ноа Петтита из лаборатории Харви за обсуждение и предложения при разработке протокола в этой рукописи. Эта работа была поддержана премией BBRF Young Investigator Award и NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), в дополнение к NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) и NIMH R01MH068542 (R.H.).

Все процедуры в этом протоколе были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию Психиатрического института штата Нью-Йорк.
ПРИМЕЧАНИЕ: Одноплатный компьютер используется для отображения визуальной среды виртуальной реальности, согласованной с бегом мы...

<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>

Эта VR-система с открытым исходным кодом для мышей будет функционировать только в том случае, если последовательные соединения между поворотным и поведенческим микроконтроллерами ESP32 и одноплатным компьютером будут выполнены должным образом (шаг 2), что может быть подтверждено с помощь...

Пространственная навигация — это этологически важное поведение, с помощью которого животные кодируют особенности новых мест в когнитивную карту, которая используется для поиска областей возможного вознаграждения и избегания областей потенциальной опасности. Неразрывно связанные с памятью когнитивные процессы, лежащие в основе пространственной навигации, имеют общий нейронный субстрат в гиппокампе1 и коре головного мозга, где нейронные цепи в этих областях интегрируют поступающую информацию и формируют когнитивные карты окружающей среды и событий для последующего вспоминания2. В то время как открытие клеток места в гиппокампе3,4 и клеток сетки в энторинальной коре5 пролило свет на то, как формируется когнитивная карта в гиппокампе, остается много вопросов о том, как конкретные нейронные подтипы, микросхемы и отдельные субрегионы гиппокампа (зубчатая извилина и области рогового аммониса, CA3-1) взаимодействуют и участвуют в формировании пространственной памяти и воспоминании.
Двухфотонная визуализация in vivo была полезным инструментом для выявления клеточной и популяционной динамики в сенсорной нейрофизиологии 6,7; Однако типичная необходимость в подголовниках ограничивает полезность этого метода для изучения пространственного поведения млекопитающих. Появление виртуальной реальности (VR)8 устранило этот недостаток, представив иммерсивные и реалистичные зрительно-пространственные среды, в то время как мыши с головой бегают по мячу или беговой дорожке для изучения пространственного и контекстуального кодирования в гиппокампе 8,9,10 и коре11. Кроме того, использование сред виртуальной реальности с ведущими себя мышами позволило исследователям в области нейробиологии анализировать компоненты пространственного поведения, точно контролируя элементы средывиртуальной реальности 12 (например, визуальный поток, контекстуальную модуляцию) способами, невозможными в реальных экспериментах по пространственному обучению, таких как водный лабиринт Морриса, лабиринт Барнса или задачи на доске с отверстиями.
Визуальные среды виртуальной реальности обычно визуализируются на графическом процессоре (GPU) компьютера, который обрабатывает нагрузку быстрого вычисления тысяч полигонов, необходимых для моделирования движущейся 3D-среды на экране в режиме реального времени. Большие требования к обработке, как правило, требуют использования отдельного ПК с графическим процессором, который отображает визуальную среду на мониторе, нескольких экранах13 или проекторе14 , поскольку движение записывается с беговой дорожки, колеса или пенопластового мяча под животным. Таким образом, полученное устройство для управления, рендеринга и проецирования среды виртуальной реальности является относительно дорогим, громоздким и громоздким. Кроме того, многие такие среды в литературе были реализованы с использованием проприетарного программного обеспечения, которое является дорогостоящим и может быть запущено только на выделенном ПК.
По этим причинам мы разработали систему виртуальной реальности с открытым исходным кодом для изучения поведения пространственного обучения у мышей с ограниченной головой с использованием одноплатного компьютера Raspberry Pi. Этот компьютер с Linux маленький и недорогой, но содержит чип графического процессора для 3D-рендеринга, что позволяет интегрировать среды виртуальной реальности с дисплеем или поведенческим устройством в различных индивидуальных настройках. Кроме того, мы разработали графический программный пакет, написанный на Python, «HallPassVR», который использует одноплатный компьютер для рендеринга простой визуально-пространственной среды, виртуальной линейной дорожки или коридора, путем рекомбинации пользовательских визуальных функций, выбранных с помощью графического пользовательского интерфейса (GUI). Это сочетается с микроконтроллерными подсистемами (например, ESP32 или Arduino) для измерения локомоции и координации поведения, например, путем доставки других модальностей сенсорных стимулов или вознаграждений для облегчения обучения с подкреплением. Эта система предоставляет недорогой, гибкий и простой в использовании альтернативный метод доставки зрительно-пространственных сред виртуальной реальности мышам с ограниченной головой во время двухфотонной визуализации (или других методов, требующих фиксации головы) для изучения нейронных цепей, лежащих в основе поведения пространственного обучения.

<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

Поведенческие эксперименты с головой на мышах позволяют нейробиологам наблюдать активность нейронных цепей с помощью электрофизиологических и оптических инструментов визуализации с высоким разрешением, доставляя точные сенсорные стимулы ведущему себя животному. Недавние исследования на людях и грызунах с использованием сред виртуальной реальности (VR) показали, что VR является важным инструментом для раскрытия нейронных механизмов, лежащих в основе пространственного обучения в гиппокампе и коре, благодаря чрезвычайно точному контролю над такими параметрами, как пространственные и контекстуальные сигналы. Однако создание виртуальных сред для пространственного поведения грызунов может быть дорогостоящим и требует обширного опыта в области инженерии и компьютерного программирования. Здесь мы представляем простую, но мощную систему, основанную на недорогом модульном аппаратном и программном обеспечении с открытым исходным кодом, которая позволяет исследователям изучать пространственное обучение у мышей с ограниченной головой с использованием среды виртуальной реальности. Эта система использует связанные микроконтроллеры для измерения локомоции и доставки поведенческих стимулов, в то время как мыши с головой работают на колесе в сочетании с виртуальной линейной средой трека, визуализируемой графическим программным пакетом, работающим на одноплатном компьютере. Акцент на распределенной обработке позволяет исследователям разрабатывать гибкие модульные системы для выявления и измерения сложного пространственного поведения у мышей, чтобы определить связь между активностью нейронных цепей и пространственным обучением в мозге млекопитающих.

Эта поведенческая установка виртуальной реальности с открытым исходным кодом позволила нам количественно оценить поведение при облизывании как считывание пространственного обучения, когда мыши с головой перемещались по виртуальной линейной среде трека. Семь мышей C57BL / 6 обоих полов ...

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

Здесь мы представляем упрощенную аппаратную и программную установку с открытым исходным кодом для исследования пространственного обучения мыши с использованием виртуальной реальности (VR). Эта система отображает виртуальную линейную дорожку для мыши с головой, работающей на колесе, используя сеть микроконтроллеров и одноплатный компьютер, на котором работает простой в использовании графический программный пакет Python.

Система виртуальной реальности с открытым исходным кодом для измерения пространственного обучения у мышей с ограниченной головой

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

Эта система виртуальной реальности с открытым исходным кодом является важным инструментом для изучения пространственного обучения в мозге, поскольку она позволяет исследователям представлять последовательный набор пространственных стимулов мыши с ограниченной головой, используя простую модульную электронную установку. Преимущество этой системы заключается в том, что она недорогая, простая в настройке, компактная и модульная, что позволяет создавать несколько поведенческих установок для обучения и интеграции с существующими поведенческими установками с ограничением головы. Эта система идеально подходит для измерения пространственного обучения и мышей с ограниченной головой, однако она в равной степени способна предоставлять визуальные среды виртуальной реальности для экспериментов на других видах и препаратах, включая психофизику человека и нейровизуализацию.Продемонстрируют эту процедуру Карла Диас и Ханна Чанг, научные сотрудники нашей лаборатории. Для начала подсоедините провода между компонентом поворотного энкодера и поворотным ESP32. Поворотные энкодеры обычно имеют четыре провода: положительный, GND, A и B. Подключите их через перемычки к контактам ESP32, 3 0,3 В, GND 25 и 26.Подключите последовательные провода RX/TX между поворотным ESP32 и поведением ESP32. Выполните простое двухпроводное соединение между поворотным ESP32, Serial0 RX/TX и портом Serial2 поведения ESP32. Подключите последовательные провода RX/TX между поворотным ESP32 и одноплатным компьютером GPIO или прямым USB-соединением.Выполните двухпроводное соединение между контактами GPIO одноплатного компьютера, 14, 15, RX / TX и поворотными контактами ESP32, Serial2, TX / RX 1716. Затем подключите поворотный USB-накопитель ESP32 к USB-порту одноплатного компьютера, чтобы загрузить исходный код поворотного энкодера. Подключите жидкостный электромагнитный клапан на 12 вольт к выходу ULN2803 IC в крайнем левом углу небольшой печатной платы OMW, подключите порт лизи к сенсорному входу ESP32.Подключите USB к USB-порту одноплатного компьютера, чтобы загрузить новые программы в поведение ESP32 для различных экспериментальных парадигм и захватить данные о поведении с помощью прилагаемого эскиза обработки. Затем подключите настенный адаптер постоянного тока 12 В к разъему 2.1-миллиметрового цилиндрического разъема на небольшой печатной плате ESP32 OMW, чтобы обеспечить питание электромагнитного клапана вознаграждения. Подключите двухвыходной HDMI одноплатного компьютера к порту HDMI проектора.Это перенесет графическую программную среду, визуализированную графическим процессором одноплатного компьютера, на проекционный экран. Откройте окно терминала в одноплатном компьютере и перейдите в папку Hall Pass VR. Запустите указанный графический пользовательский интерфейс виртуальной реальности или VR или графический интерфейс, чтобы открыть окно графического интерфейса.Выберите и добавьте четыре элемента из списка для каждого из трех шаблонов вдоль дорожки, а затем нажмите «Создать». Выберите «Изображения пола и потолка» в раскрывающемся меню и установите длину дорожки равной двум метрам для этого примера кода. При желании назовите этот шаблон.Нажмите кнопку «Пуск» и дождитесь запуска окна VR, прежде чем нажимать в другом месте. Графическая программная среда появится на втором экране. Запустите эскиз обработки, чтобы получить и отобразить перемещение поведенческих данных.Откройте указанную команду в среде IDE обработки. Измените животное на числовую переменную мыши и установите минуты сеанса, равные продолжительности поведенческого сеанса в минутах. Нажмите кнопку «Выполнить» в среде IDE обработки.Проверьте окно графика обработки, которое должно отображать текущее положение мыши на виртуальной линейной трассе, когда колесо вращается вместе с зонами вознаграждений и беговыми гистограммами облизывания, кругов и наград, обновляемыми каждые 30 секунд. Продвигайте беговое колесо вручную, чтобы имитировать работу мыши для тестирования, или используйте тестовую мышь для первоначальной настройки. Нажмите на окно графика и нажмите клавишу Q на клавиатуре, чтобы остановить получение поведенческих данных.Текстовый файл поведенческих событий и времени, а также изображение финального окна графика в формате PNG сохраняются, когда истекают минуты сеанса или пользователь нажимает клавишу Q, чтобы выйти. Для случайной подделки с неоперантными наградами запустите графическую программную программу с графическим интерфейсом с путем произвольных визуальных элементов. Затем загрузите программу поведения в поведение ESP32 с несколькими неоперантными наградами, чтобы заставить мышь бегать и лизать.Аккуратно поместите мышь в аппарат фиксации головы, отрегулируйте носик облизывания в месте, расположенном непосредственно перед ртом мыши, и поместите колесико мыши в центр зоны проекционного экрана. Задайте имя животного в эскизе обработки, а затем нажмите кнопку "Выполнить" в интегрированной среде разработки, чтобы начать получение и построение данных о поведении. Запускайте мышь в течение 20-30 минут, пока мышь не пробежит не менее 20 кругов за сеанс, и облизывайте награды, представленные в случайных местах.Для случайного кормления с оперантными наградами на чередующихся кругах загрузите программу поведения с чередующимся оперантом, равным единице, и тренируйте мышь, пока она не облизывает как неоперантные, так и оперантные зоны вознаграждения. Для полностью оперантного случайного кормления загрузите программу поведения с четырьмя оперантными случайными зонами вознаграждения и тренируйте мышь, пока она не будет постоянно лизать награды вдоль дорожки. Затем для пространственного обучения запустите графическую программу с траекторией темного коридора с одной визуальной подсказкой в центре.Затем загрузите поведенческую программу с одной скрытой зоной вознаграждения в поведение ESP32. Позвольте мыши работать в течение 30-минутных сеансов с одной скрытой зоной вознаграждения и одной визуальной подсказкой VR-коридора и захватывать данные во время сеанса, как описано ранее. Загрузите файл данных txt из папки эскиза обработки и проанализируйте поведенческие данные, чтобы наблюдать появление пространственно-селективного облизывания как индикатора пространственного обучения.Пространственное обучение с использованием графической программной среды показано здесь. Благодаря прогрессивным этапам обучения случайному поиску пищи мыши научились бегать по колесу и последовательно лизать дорожку на низких уровнях, прежде чем их переключили на одно скрытое место вознаграждения, чтобы показать пространственное обучение. В этом исследовании четыре из семи мышей выучили скрытую задачу вознаграждения с помощью одной визуальной подсказки за два-четыре сеанса, о чем свидетельствует их облизывание вблизи зоны вознаграждения с возрастающей избирательностью.Кроме того, мыши демонстрировали как существенное обучение во время сеанса, так и между сеансами. Пространственные облизывания на круг во второй день показали увеличение облизывания до зоны вознаграждения и уменьшение облизывания в других местах, что указывает на развитие пространственно-специфического упреждающего облизывания. Главное, что нужно помнить при использовании системы, это то, что мыши будут хорошо работать только в том случае, если они усилены и удобны на беговом колесе.Поэтому вода ограничивает животных соответствующим образом, обращайтесь с ними осторожно и следите за тем, чтобы их положение фиксатора головы было оптимальным для бега во время просмотра проекционного экрана. Исследователь нейробиологии может объединить эту систему виртуальной реальности с открытым исходным кодом с визуализацией in vivo или электрофизиологией для исследования нейронных цепей, лежащих в основе пространственного обучения в мозге. Мы думаем, что простота этой системы виртуальной реальности с открытым исходным кодом позволит исследователям интегрировать систему в различные настройки нейрозаписи.Точный контроль над пространственными стимулами в среде виртуальной реальности позволит исследователям изучить вклад конкретных нейронных цепей в пространственное обучение.

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

Низкий стресс Маршрут обучения с использованием Лабиринт Лэшли III у мышей

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

Страх человека кондиционирования проведены в полном погружении 3-мерная виртуальная реальность

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

Использование MazeSuite и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии для изучения обучения в пространственной навигации

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

Оптическая запись запороговой нейронной активности с одноклеточных и одного всплеска резолюции

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

Строительство с открытым исходным кодом Robotic стереотаксического прибора

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

В естественных условиях Optogenetic возбуждение нервной системы грызунов Центральной

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

Иммуногистохимический Визуализация гиппокампа активности нейронов После пространственного обучения в мышиной модели нарушениями развития нервной

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

Электрофизиологические Способ записи ответов внутриклеточный амперных<em&gt; Drosophila</em&gt; Фоторецепторов и Интернейроны к световой раздражитель<em&gt; В 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

Оценка пространственного обучения и памяти в малых чешуйчатый Рептилий

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

Объективный и воспроизводимые тест обонятельных обучения и дискриминации в мышей

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