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

Vi vill tacka Noah Pettit från Harvey-labbet för diskussionen och förslagen under utvecklingen av protokollet i detta manuskript. Detta arbete stöddes av en BBRF Young Investigator Award och NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), förutom NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) och NIMH R01MH068542 (R.H.).

Alla procedurer i detta protokoll godkändes av Institutional Animal Care and Use Committee vid New York State Psychiatric Institute.
OBS: En enkortsdator används för att visa en VR-visuell miljö samordnad med körningen av en huvudhållen mus på ett hjul. Rörelseinformation tas emot som seriell inmatning från en ESP32-mikrokontroller som läser en roterande kodare kopplad till hjulaxeln. VR-miljön återges med OpenGL-hårdvaruacceleration på Raspberry Pi GPU, som använder pi3d Python...

<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>

Detta VR-system med öppen källkod för möss fungerar endast om de seriella anslutningarna görs korrekt mellan rotations- och beteende-ESP32-mikrokontrollerna och enkortsdatorn (steg 2), vilket kan bekräftas med hjälp av IDE-seriemonitorn (steg 2.4.5). För framgångsrika beteenderesultat från detta protokoll (steg 4) måste mössen vara vana vid apparaten och vara bekväma att springa på hjulet för flytande belöningar (steg 4.3-4.5). Detta kräver tillräcklig (men inte överdriven) vattenbegränsning, eftersom...

Rumslig navigering är ett etologiskt viktigt beteende genom vilket djur kodar funktionerna på nya platser till en kognitiv karta, som används för att hitta områden med möjlig belöning och undvika områden med potentiell fara. Oupplösligt kopplade till minnet delar de kognitiva processerna som ligger till grund för rumslig navigering ett neuralt substrat i hippocampus1 och cortex, där neurala kretsar i dessa områden integrerar inkommande information och bildar kognitiva kartor över miljöer och händelser för senare återkallelse2. Medan upptäckten av platsceller i hippocampus3,4 och rutnätceller i entorhinal cortex5 har belyst hur den kognitiva kartan inom hippocampus bildas, kvarstår många frågor om hur specifika neurala subtyper, mikrokretsar och enskilda delregioner i hippocampus (dentate gyrus och cornu ammonis-områdena, CA3-1) interagerar och deltar i rumslig minnesbildning och återkallande.
In vivo tvåfotonavbildning har varit ett användbart verktyg för att avslöja cellulär och populationsdynamik i sensorisk neurofysiologi 6,7; Den typiska nödvändigheten av nackstöd begränsar emellertid användbarheten av denna metod för att undersöka däggdjurs rumsliga beteende. Tillkomsten av virtuell verklighet (VR)8 har åtgärdat denna brist genom att presentera uppslukande och realistiska visuospatiala miljöer medan huvudbegränsade möss springer på en boll eller löpband för att studera rumslig och kontextuell kodning i hippocampus 8,9,10 och cortex 11. Dessutom har användningen av VR-miljöer med betande möss gjort det möjligt för neurovetenskapsforskare att dissekera komponenterna i rumsligt beteende genom att exakt kontrollera elementen i VR-miljön12 (t.ex. visuellt flöde, kontextuell modulering) på sätt som inte är möjliga i verkliga experiment av rumsligt lärande, såsom Morris vattenlabyrint, Barnes labyrint eller hålbräda uppgifter.
Visuella VR-miljöer återges vanligtvis på en dators grafiska bearbetningsenhet (GPU), som hanterar belastningen av att snabbt beräkna de tusentals polygoner som behövs för att modellera en rörlig 3D-miljö på en skärm i realtid. De stora bearbetningskraven kräver i allmänhet användning av en separat dator med en GPU som gör den visuella miljön till en bildskärm, flera skärmar13 eller en projektor14 när rörelsen spelas in från ett löpband, hjul eller skumboll under djuret. Den resulterande apparaten för att styra, rendera och projicera VR-miljön är därför relativt dyr, skrymmande och besvärlig. Dessutom har många sådana miljöer i litteraturen implementerats med proprietär programvara som är både kostsam och endast kan köras på en dedikerad dator.
Av dessa skäl har vi utformat ett VR-system med öppen källkod för att studera rumsliga inlärningsbeteenden hos huvudbegränsade möss med hjälp av en Raspberry Pi-enkortsdator. Denna Linux-dator är både liten och billig men innehåller ändå ett GPU-chip för 3D-rendering, vilket möjliggör integration av VR-miljöer med skärmen eller beteendeapparaten i olika individuella inställningar. Dessutom har vi utvecklat ett grafiskt mjukvarupaket skrivet i Python, "HallPassVR", som använder enkortsdatorn för att återge en enkel visuospatial miljö, ett virtuellt linjärt spår eller hall, genom att kombinera anpassade visuella funktioner som valts med hjälp av ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Detta kombineras med mikrokontroller-delsystem (t.ex. ESP32 eller Arduino) för att mäta rörelse och samordna beteende, till exempel genom leverans av andra modaliteter av sensoriska stimuli eller belöningar för att underlätta förstärkningsinlärning. Detta system ger en billig, flexibel och lättanvänd alternativ metod för att leverera visuospatiala VR-miljöer till huvudbegränsade möss under tvåfotonavbildning (eller andra tekniker som kräver huvudfixering) för att studera de neurala kretsarna som ligger till grund för rumsligt inlärningsbeteende.

<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

Huvudbegränsade beteendeexperiment hos möss gör det möjligt för neuroforskare att observera neural kretsaktivitet med högupplösta elektrofysiologiska och optiska avbildningsverktyg samtidigt som de levererar exakta sensoriska stimuli till ett uppträdande djur. Nyligen har mänskliga och gnagarestudier med hjälp av virtuella verklighetsmiljöer (VR) visat att VR är ett viktigt verktyg för att avslöja de neurala mekanismerna som ligger till grund för rumslig inlärning i hippocampus och cortex, på grund av den extremt exakta kontrollen över parametrar som rumsliga och kontextuella signaler. Att skapa virtuella miljöer för gnagarbeteenden kan dock vara kostsamt och kräva en omfattande bakgrund inom teknik och datorprogrammering. Här presenterar vi ett enkelt men kraftfullt system baserat på billig, modulär hårdvara och mjukvara med öppen källkod som gör det möjligt för forskare att studera rumsligt lärande i huvudbegränsade möss med hjälp av en VR-miljö. Detta system använder kopplade mikrokontroller för att mäta rörelse och leverera beteendestimuli medan huvudhållna möss kör på ett hjul i samförstånd med en virtuell linjär spårmiljö som återges av ett grafiskt mjukvarupaket som körs på en enkortsdator. Betoningen på distribuerad bearbetning gör det möjligt för forskare att utforma flexibla, modulära system för att framkalla och mäta komplexa rumsliga beteenden hos möss för att bestämma sambandet mellan neural kretsaktivitet och rumslig inlärning i däggdjurshjärnan.

Denna virtuella verklighetsbeteendeinställning med öppen källkod gjorde det möjligt för oss att kvantifiera slickbeteende som en avläsning av rumslig inlärning när huvudbegränsade möss navigerade i en virtuell linjär spårmiljö. Sju C57BL / 6-möss av båda könen vid 4 månaders ålder placerades på ett begränsat vattenschema och tränades först att slicka kontinuerligt på låga nivåer medan de sprang på ratten för slumpmässiga rumsliga belöningar ("slumpmässig födosök") utan VR. Även om deras p...

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

Här presenterar vi en förenklad hårdvaru- och mjukvaruinstallation med öppen källkod för att undersöka musrumslig inlärning med virtuell verklighet (VR). Detta system visar ett virtuellt linjärt spår till en huvudhållen mus som körs på ett hjul genom att använda ett nätverk av mikrokontroller och en enkortsdator som kör ett lättanvänt Python grafiskt mjukvarupaket.

Ett virtual reality-system med öppen källkod för mätning av rumsligt lärande hos huvudbegränsade möss

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

Detta open source virtual reality-system är ett viktigt verktyg för studier av rumsligt lärande i hjärnan eftersom det gör det möjligt för forskare att presentera en konsekvent uppsättning rumsliga stimuli till en huvudhållen mus med hjälp av en enkel modulär elektronisk installation. Fördelen med detta system är att det är billigt, enkelt att installera, kompakt och modulärt, vilket gör det möjligt att bygga flera beteendeinställningar för träning och integration med befintliga huvudbegränsade beteendeinställningar. Detta system är idealiskt för att mäta rumsligt lärande och huvudbegränsade möss, men det kan också leverera visuella virtuella verklighetsmiljöer för experiment i andra arter och preparat, inklusive mänsklig psykofysik och neuroimaging.Demonstrerar denna procedur kommer Carla Diaz och Hannah Chung, forskningsassistenter i vårt laboratorium. Börja med att ansluta ledningarna mellan den roterande kodarkomponenten och den roterande ESP32. Roterande kodare har i allmänhet fyra ledningar, positiva, GND, A och B.Anslut dessa via bygelkablar till ESP32, 3 0,3 volt, GND 25 och 26 stift.Anslut de seriella RX/TX-kablarna mellan den roterande ESP32 och beteendet ESP32. Gör en enkel tvåtrådig anslutning mellan den roterande ESP32, Serial0 RX / TX och Serial2-porten på beteendet ESP32. Anslut de seriella RX/TX-kablarna mellan den roterande ESP32 och enkortsdatorns GPIO eller direkt USB-anslutning.Gör en tvåtrådsanslutning mellan GPIO-stiften för enkortsdatorn, 14, 15, RX/TX och de roterande ESP32-, Serial2-, TX/RX-stiften 1716. Anslut sedan den roterande ESP32 USB till USB-enheten för enkortsdatorn för att ladda upp den ursprungliga rotationsencoderkoden. Anslut 12 volt flytande magnetventil till ULN2803 IC-utgången längst till vänster om OMW lilla kretskort, anslut lickporten till ESP32 touch-ingången.Anslut USB-enheten till enkortsdatorns USB-port för att ladda upp nya program till beteendet ESP32 för olika experimentella paradigmer och för att fånga beteendedata med hjälp av den medföljande bearbetningsskissen. Anslut sedan 12 volt DC-väggadaptern till 2.1 millimeter fatjackkontakten på beteendet ESP32 OMW liten PCB för att ge ström till belöningsmagnetventilen. Anslut enkortsdatorns HDMI två-utgång till projektorns HDMI-port.Detta kommer att bära den grafiska mjukvarumiljön som återges av enkortsdatorns GPU till projektionsskärmen. Öppna terminalfönstret i enkortsdatorn och navigera till Hall Pass VR-mappen. Kör det angivna virtuella verkligheten eller VR grafiska användargränssnittet eller GUI för att öppna GUI-fönstret.Välj och lägg till fyra element från listrutan för vart och ett av de tre mönstren längs spåret och klicka sedan på Generera. Välj Golv- och takbilder i rullgardinsmenyerna och ställ in spårets längd som två meter för den här exempelkoden. Namnge det här mönstret om du vill.Klicka på Start-knappen och vänta tills VR-fönstret startar innan du klickar någon annanstans. Den grafiska programvarumiljön visas på skärm två. Kör bearbetningsskissen för att hämta och plotta beteendedatarörelsen.Öppna det angivna kommandot i bearbetnings-IDE. Ändra djuret till din musnummervariabel och ställ in sessionsminuter lika med längden på beteendesessionen i minuter. Klicka på knappen Kör på bearbetnings-IDE.Kontrollera bearbetningsdiagramfönstret som ska visa den aktuella muspositionen på det virtuella linjära spåret när hjulet roterar tillsammans med belöningszonerna och körhistogram för licks, varv och belöningar, uppdaterade var 30: e sekund. För löphjulet framåt för hand för att simulera musen som körs för testning eller använd en testmus för den första installationen. Klicka på plotfönstret och tryck på Q-tangenten på tangentbordet för att sluta förvärva beteendedata.En textfil med beteendehändelser och tider och en bild av det slutliga plotfönstret i PNG sparas när sessionsminuter har gått eller användaren trycker på Q-tangenten för att avsluta. För slumpmässig smide med icke-operanta belöningar, kör det grafiska programvaran GUI-programmet med en väg med godtyckliga visuella element. Ladda sedan upp beteendeprogrammet till beteende-ESP32 med flera icke-operanta belöningar för att konditionera musen att springa och slicka.Placera försiktigt musen i huvudfixeringsapparaten, justera slickpipen till en plats precis framför musens mun och placera mushjulet i mitten av projektionsskärmzonen. Ange djurets namn i bearbetningsskissen och tryck sedan på Kör i bearbetnings-IDE för att börja hämta och plotta beteendedata. Kör musen i 20 till 30 minuters sessioner tills musen körs i minst 20 varv per session och slicka efter belöningar som presenteras på slumpmässiga platser.För slumpmässig födosökning med operanta belöningar på alternativa varv, ladda upp beteendeprogrammet med alternerande operant lika med en och träna musen tills den slickar för både icke-operanta och operanta belöningszoner. För helt operant slumpmässig födosök, ladda upp beteendeprogrammet med fyra operanta slumpmässiga belöningszoner och träna musen tills den slickar efter belöningar konsekvent längs banan. Nästa för rumslig inlärning, kör det grafiska programmet med en väg i en mörk hall med en enda visuell signal i mitten.Ladda sedan upp beteendeprogrammet med en enda dold belöningszon till beteendet ESP32. Låt musen springa i 30 minuters sessioner med en enda dold belöningszon och en enda visuell cue VR-korridor och fånga data under sessionen som beskrivits tidigare. Ladda ner txt-datafilen från bearbetningsskissmappen och analysera beteendedata för att observera uppkomsten av rumsligt selektiv slickning som en indikator på rumslig inlärning.Rumsligt lärande med hjälp av den grafiska programvarumiljön visas här. Genom progressiva stadier av träning på slumpmässig födosök lärde sig möss att springa på ratten och slicka konsekvent längs banan på låga nivåer innan de byttes till en enda dold belöningsplats för att visa rumsligt lärande. I denna studie lärde sig fyra av de sju mössen den dolda belöningsuppgiften med en enda visuell signal i två till fyra sessioner, vilket framgår av deras slickning nära belöningszonen med ökande selektivitet.Dessutom uppvisade mössen både betydande inom sessionen och mellan sessionsinlärning. Rumsliga slickningar per varv på dag två visade ökad slickning före belöningszonen och minskad slickning någon annanstans, vilket indikerar utvecklingen av rumsligt specifik förväntad slickning. Det viktigaste att komma ihåg när du använder systemet är att möss bara fungerar bra om de är förstärkta och bekväma på löphjulet.Därför begränsar vatten djuren på lämpligt sätt, hanterar dem försiktigt och ser till att deras huvudhållningsposition är optimal för löpning medan du tittar på projektionsskärmen. En neurovetenskapsforskare kan kombinera detta VR-system med öppen källkod med in vivo-avbildning eller elektrofysiologi för att undersöka neuronkretsar som ligger till grund för rumslig inlärning i hjärnan. Vi tror att enkelheten i detta open source VR-system kommer att göra det möjligt för forskare att integrera systemet i olika neuroinspelningsinställningar.Den exakta kontrollen över rumsliga stimuli i VR-miljön gör det möjligt för forskare att undersöka bidragen från specifika neuronkretsar till rumsligt lärande.

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

Låg-stress Route lärande Använda Lashley III Maze hos möss

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

Mänsklig rädsla Conditioning genomföras i full Immersion 3-dimensionell Virtual Reality

Fear conditioning is a widely used paradigm in non-human animal research to investigate the neural mechanisms underlying fear and anxiety. A major ...

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation Video (Video) | JoVE

Använda MazeSuite och funktionell Near Infrared spektroskopi för att studera Lärande i Spatial navigering

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

Optisk inspelning av suprathreshold neural aktivitet med encelliga och single-spik upplösning

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

Att bygga en öppen källkod Robotic Stereotaxic Instrument

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

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

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

In vivo optogenetic Stimulering av gnagare centrala nervsystemet

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

Immunohistokemisk Visualisering av hippocampus Neuron aktivitet Efter Spatial lärande i en musmodell av nervsystemets sjukdomar

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

Elektro Metod för inspelning Intracellulärt Spännings svar av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer och Intern på ljusstimuli<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

Bedöma spatial inlärning och minne i små Squamate Reptiler

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

En objektiv och reproducerbara Test av lukt lärande och diskriminering i möss

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