Method Article

نظام واقع افتراضي مفتوح المصدر لقياس التعلم المكاني في الفئران المقيدة الرأس

DOI:

10.3791/64863

⸱

March 3rd, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Systems Neuroscience, New York State Psychiatric Institute, 2Department of Psychiatry, Columbia University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم إعدادا مبسطا للأجهزة والبرامج مفتوحة المصدر للتحقيق في التعلم المكاني للماوس باستخدام الواقع الافتراضي (VR). يعرض هذا النظام مسارا خطيا افتراضيا لماوس مقيد الرأس يعمل على عجلة من خلال استخدام شبكة من المتحكمات الدقيقة وجهاز كمبيوتر أحادي اللوحة يقوم بتشغيل حزمة برامج رسومية Python سهلة الاستخدام.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تسمح التجارب السلوكية المقيدة بالرأس في الفئران لعلماء الأعصاب بمراقبة نشاط الدائرة العصبية باستخدام أدوات التصوير الكهربي والبصرية عالية الدقة مع تقديم محفزات حسية دقيقة لحيوان يتصرف. في الآونة الأخيرة ، أظهرت الدراسات البشرية والقوارض باستخدام بيئات الواقع الافتراضي (VR) أن الواقع الافتراضي هو أداة مهمة للكشف عن الآليات العصبية الكامنة وراء التعلم المكاني في الحصين والقشرة ، بسبب التحكم الدقيق للغاية في المعلمات مثل الإشارات المكانية والسياقية. ومع ذلك ، يمكن أن يكون إعداد بيئات افتراضية للسلوكيات المكانية للقوارض مكلفا ويتطلب خلفية واسعة في الهندسة وبرمجة الكمبيوتر. هنا ، نقدم نظاما بسيطا ولكنه قوي يعتمد على أجهزة وبرامج غير مكلفة ومعيارية ومفتوحة المصدر تمكن الباحثين من دراسة التعلم المكاني في الفئران المقيدة الرأس باستخدام بيئة الواقع الافتراضي. يستخدم هذا النظام ميكروكنترولر مقترن لقياس الحركة وتقديم المحفزات السلوكية بينما تعمل الفئران المقيدة الرأس على عجلة بالتنسيق مع بيئة مسار خطية افتراضية يتم تقديمها بواسطة حزمة برامج رسومية تعمل على جهاز كمبيوتر أحادي اللوحة. يسمح التركيز على المعالجة الموزعة للباحثين بتصميم أنظمة مرنة ومعيارية لاستنباط وقياس السلوكيات المكانية المعقدة في الفئران من أجل تحديد العلاقة بين نشاط الدائرة العصبية والتعلم المكاني في دماغ الثدييات.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الملاحة المكانية هي سلوك مهم من الناحية الأخلاقية تقوم الحيوانات من خلاله بترميز ميزات المواقع الجديدة في خريطة معرفية ، والتي تستخدم للعثور على مناطق المكافأة المحتملة وتجنب مناطق الخطر المحتملة. ترتبط العمليات المعرفية الكامنة وراء الملاحة المكانية ارتباطا وثيقا بالذاكرة ، وتشترك في ركيزة عصبية في الحصين1 والقشرة ، حيث تدمج الدوائر العصبية في هذه المناطق المعلومات الواردة وتشكل خرائط معرفية للبيئات والأحداث لتذكرها لاحقا2. في حين أن اكتشاف خلايا المكان في الحصين3،4 والخلايا الشبكية في القشرة المخية الداخلية5 قد ألقى الضوء على كيفية تشكيل الخريطة ال....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمت الموافقة على جميع الإجراءات في هذا البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوان التابعة لمعهد ولاية نيويورك للطب النفسي.

ملاحظة: يتم استخدام كمبيوتر أحادي اللوحة لعرض بيئة مرئية للواقع الافتراضي منسقة مع تشغيل ماوس مثبت الرأس على عجلة. يتم تلقي معلومات الحركة كإدخال تسلسلي من متحكم ESP32 يقرأ جهاز تشفير دوار مقترن بمحور العجلة. يتم تقديم بيئة الواقع الافتراضي باستخدام تسريع أجهزة OpenGL على وحدة معالجة الرسومات Raspberry Pi ، والتي تستخدم حزمة pi3d Python 3D ل Raspberry Pi. يتم بعد ذلك إخراج البيئة المقدمة عبر جهاز عرض على شاشة مكافئة ملفوفة مدمجة تتمحور حول المجال البصري للفأر المقيدالرأس 15,16

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

سمح لنا هذا الإعداد السلوكي للواقع الافتراضي مفتوح المصدر بتحديد سلوك اللعق كقراءة للتعلم المكاني حيث أبحرت الفئران المقيدة الرأس في بيئة مسار خطي افتراضي. تم وضع سبعة فئران C57BL / 6 من كلا الجنسين في عمر 4 أشهر على جدول مائي مقيد وتم تدريبهم أولا على اللعق المستمر بمستويات منخفضة أثناء الجري على عجلة القيادة للحصول على مكافآت مكانية عشوائية ("البحث عن الطعام العشوائي") بدون VR. على الرغم من أن أدائهم تأثر في البداية عند نقله إلى إعداد شاشة عرض الواقع الافتراضي بنمط مدخل عشوائي بطول 2 متر ، إلا أنه عاد إلى المستويات الس.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لن يعمل نظام الواقع الافتراضي مفتوح المصدر هذا للفئران إلا إذا تم إجراء التوصيلات التسلسلية بشكل صحيح بين المتحكمات الدقيقة الدوارة والسلوكية ESP32 والكمبيوتر أحادي اللوحة (الخطوة 2) ، والتي يمكن تأكيدها باستخدام جهاز العرض التسلسلي IDE (الخطوة 2.4.5). للحصول على نتائج سلوكية ناجحة من هذا البروتوكول (الخطوة 4) ، يجب أن تكون الفئران معتادة على الجهاز وأن تكون مريحة في الجري على عجلة القيادة للحصول على مكافآت سائلة (الخطوات 4.3-4.5). وهذا يتطلب قيودا كافية (ولكن ليست مفرطة) على المياه ، حيث أن الفئران التي تعطى الماء ا.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كلاي لاسيفيلد هو مؤسس ومشرف OpenMaze.org ، الذي يوفر تصميمات ل OMwSmall PCB المستخدم في هذا البروتوكول مجانا للتنزيل.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نود أن نشكر نوح بيتيت من مختبر هارفي على المناقشة والاقتراحات أثناء تطوير البروتوكول في هذه المخطوطة. تم دعم هذا العمل من خلال جائزة BBRF للمحققين الشباب و NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.) ، بالإضافة إلى NINDS R56NS128177 (R.H. ، C.L.) و NIMH R01MH068542 (RH).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1/4 "قضيب ألومنيوم بقطرMcMaster-Carr9062K263" في الطول لمحور العجلة
1/4 "-20 مسامير غطاء ، 3/4" طول (x2)Amazon.comB09ZNMR41Vلتثبيت حاملات عمود الرأس على الدعامات البصرية
2 "x7" قضيب الألومنيوم المشقوق على شكل حرف T (x2)8020.net1020عجلة / إطار تركيب حيواني
6 "بقطر ، 3" أسطوانة أكريليك عريضة (1/8"سميكة)قناة بلاستيك33210090702عجلة تشغيل (عرض مخصص قطع عند canalplastics.com)
8-32 × 1/2 "مسامير رأس المقبسMcMaster-Carr92196A194حامل عمود الرأس إلى آخر بصري   ؛
ذراع قابل للتعديل (14 بوصة)Amazon.comB087BZGKSLلعقد / ضبط رمز تحليل صنبور اللعق
(MATLAB)مكتوبمخصص في github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis رمز
شفة تركيب المحور ، 1/4 "معرفPololu1993لتركيب عجلة على المحور
محمل كروي (5/8" OD ، 1/4 "ID" ، x2)ماكماستر كار57155K324لتركيب محور العجلة لإطار
ESP32مكتوب مخصصفي github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino رمز / لوحة السلوك
صفائح أكريليك سوداء غير شفافة غير لامعة (1/4 بوصة سميكة)القناة32918353422ملف القطع بالليزر في تجميع الشاشة github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
لوح أكريليك شفاف (1/4 بوصة سميكة)قناة بلاستيك32920770574ملف القطع بالليزر في github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR مجموعة العجلات
ESP32 devKitC v4 (x2)Amazon.comمتحكم B086YS4Z3F للسلوك والتشفير الدوار
درع ESP32OpenMaze.orgوصف OMwSmallفي www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). ملفات ZIP gerber على: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
السحابات والأقواس  8020.net4138 ، 3382،3280لإطار العجلة يتصاعد
مقاييس الزواياإدموند البصريات66-526 ، 66-527اختياري للسلوك. رأس ضبط دقيق لتصوير
HallPassVR كودمكتوب مخصصفي github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
آخرتصميم مخصص3D ملف تصميم في github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR الرأس جبل / عمود الرأس المشبك
LED جهاز عرضتكساس إنسترومنتسDLPDLCR230NPEVM أو غيرها من أجهزة العرض LED الصغيرة
لعق صنبورVWR20068-638(أو ~ 16 G أنابيب معدنية تحت الجلد)
M 2.5 × 6 مجموعة مساميرMcMaster-Carr92015A097تأمين رئيس آخر  
ورقة انتشار بيضاء غير لامعةAmazon.comمادة الشاشة
مسدساتتصميم مخصصملف تصميم ثلاثي الأبعاد في github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR تصاميم الرأس جبل / رئيس آخر
الأنابيب محولات متنوعة (1/16 "معرفة)لبناء خط المياه
اللوح البصريThorlabsوفقا لمتطلبات المستخدم
المشاركات البصرية ، 1/2 "قطر (2x)ThorlabsTR4لإعداد تثبيت الرأس
معالجة رمزالملف المكتوب المخصصفي github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing رمز
Raspberry Pi 4Braspberry.com ، adafruit.comكمبيوتر أحادي اللوحة لتقديم بيئة HallPassVR.
مشبك الزاوية اليمنىThorlabsRA90لإعداد تثبيت الرأس
التشفير الدوار (التربيع ، 256 خطوة)DigiKeyENS1J-B28-L00256Lلقياس دوران العجلة
التشفير الدوار ESP32 رمزالمكتوبالمخصص في github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino الرمز / التشفير الدوار
SCIGRIP 10315 Amazon.com
مقرنة رمحMcMaster-Carr9861T426لزوجين عمود التشفير الدوار مع
صفائح الأكريليك المرآة الفضية القناة32913817934ملف القطع بالليزر في تجميع الشاشة github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
صمام الملف اللولبيباركر003-0137-900لإدارة مكافآت المياه
تثبيت ملف السلوك رمز ملف البلاستيكية python ملف حامل الرأس رأس معدنية الملف الأسمنت الأكريليكي البلاستيكية

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lisman, J., et al. Viewpoints: How the hippocampus contributes to memory, navigation and cognition. Nature Neuroscience. 20 (11), 1434-1447 (2017).
  2. Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhin....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Virtual Reality SystemSpatial LearningHead Restrained MiceOpen Source HardwareBehavioral ExperimentsNeural Circuit ActivityLocomotion MeasurementVisual StimuliSingle Board ComputerReward Conditioning

Related Articles