一种用于测量头部约束小鼠空间学习的开源虚拟现实系统

这种开源虚拟现实系统是研究大脑空间学习的重要工具，因为它允许研究人员使用简单的模块化电子设置向头部受限的鼠标呈现一组一致的空间刺激。该系统的优点是价格低廉、易于设置、紧凑且模块化，允许构建多个行为设置以进行训练并与现有的头部约束行为设置集成。该系统是测量空间学习和头部约束小鼠的理想选择，但是，它同样能够为其他物种和制剂的实验提供视觉虚拟现实环境，包括人类心理物理学和神经成像。

演示该程序的将是Carla Diaz和Hannah Chung，我们实验室的研究助理。首先，连接旋转编码器组件和旋转 ESP32 之间的电线。旋转编码器通常有四根线，正极、GND、A 和 B.通过跳线将它们连接到 ESP32、3 个 0.3 伏、GND 25 和 26 针。

连接旋转 ESP32 和行为 ESP32 之间的串行 RX/TX 线。在旋转 ESP32、串行 0 RX/TX 和行为 ESP32 的串行 2 端口之间建立简单的两线连接。连接旋转 ESP32 和单板计算机 GPIO 或直接 USB 连接之间的串行 RX/TX 线。

在单板计算机 GPIO 引脚 14、15、RX/TX 和旋转 ESP32、Serial2、TX/RX 引脚 1716 之间建立两线连接。接下来，将旋转 ESP32 USB 插入单板计算机 USB 以上传初始旋转编码器代码。将 12 伏液体电磁阀连接到 OMW 小 PCB 最左侧的 ULN2803 IC 输出端，将舔口连接到 ESP32 触摸输入端。

将 USB 插入单板计算机的 USB 端口，即可将新程序上传到行为 ESP32 中，以用于不同的实验范式，并使用随附的处理草图捕获行为数据。然后将 12 伏直流墙上适配器插入行为 ESP32 OMW 小 PCB 上的 2.1 毫米桶形插孔连接器，为奖励电磁阀提供电源。将单板计算机的 HDMI 二进制输出插入投影仪 HDMI 端口。

这会将单板计算机GPU渲染的图形软件环境带到投影屏幕上。在单板计算机中打开终端窗口，然后导航到霍尔通道 VR 文件夹。运行指示的虚拟现实或 VR 图形用户界面或 GUI 以打开 GUI 窗口。

从列表框中为轨道上的三种模式中的每种模式选择并添加四个元素，然后单击"生成"。从下拉菜单中选择地板和天花板图像，并将此示例代码的轨道长度设置为两米。如果需要，请命名此模式。

单击"开始"按钮并等待 VR 窗口启动，然后再单击其他位置。图形软件环境将出现在第二个屏幕上。运行处理草图以获取并绘制行为数据移动。

在处理 IDE 中打开指示的命令。将动物更改为鼠标编号变量，并将会话分钟数设置为等于行为会话的长度（以分钟为单位）。单击处理 IDE 上的"运行"按钮。

检查处理绘图窗口，该窗口应显示当前鼠标在虚拟线性轨道上的位置，因为轮子随着奖励区域和舔、圈数和奖励的运行直方图旋转，每 30 秒更新一次。手动推进运行轮以模拟鼠标运行进行测试或使用测试鼠标进行初始设置。单击绘图窗口，然后按键盘上的 Q 键停止获取行为数据。

当会话分钟数过后或用户按 Q 键退出时，将保存行为事件和时间的文本文件以及 PNG 中最终绘图窗口的图像。对于具有非操作奖励的随机锻造，请使用任意视觉元素的路径运行图形软件 GUI 程序。然后将行为程序上传到行为 ESP32 中，并带有多个非操作奖励来调节鼠标运行和舔舐。

轻轻地将鼠标放在头部固定装置中，将舔嘴调整到鼠标嘴正前方的位置，并将鼠标滚轮定位到投影屏幕区域的中心。在处理草图中设置动物的名称，然后在处理 IDE 中按"运行"开始获取和绘制行为数据。在 20 到 30 分钟的会话中运行鼠标，直到鼠标每次会话至少运行 20 圈，并舔舐随机位置提供的奖励。

对于在交替圈上使用操作奖励的随机觅食，上传交替操作者等于 1 的行为程序并训练鼠标，直到它同时舔非操作性和操作性奖励区域。对于完全操作的随机觅食，上传具有四个操作性随机奖励区域的行为程序并训练鼠标，直到它沿着轨道一致地舔舐奖励。接下来进行空间学习，运行图形软件程序，路径为黑暗的走廊，中间有一个视觉提示。

然后将带有单个隐藏奖励区域的行为程序上传到行为 ESP32。让鼠标在单个隐藏奖励区和单个视觉提示 VR 走廊上运行 30 分钟的会话，并在会话期间捕获数据，如前所述。从处理草图文件夹中下载 txt 数据文件并分析行为数据，以观察空间选择性舔作为空间学习指标的出现。

此处显示了使用图形软件环境进行的空间学习。通过随机觅食训练的渐进阶段，小鼠学会了在轮子上奔跑，并在低水平上沿着轨道持续舔舐，然后切换到单个隐藏的奖励位置以显示空间学习。在这项研究中，七只小鼠中的四只在两到四个会话中通过单一的视觉提示学习了隐藏的奖励任务，如它们在奖励区附近的舔舐所显示的选择性增加。

此外，小鼠在会话内和会话之间学习之间都表现出实质性。第二天每圈的空间舔舐次数显示奖励区之前的舔舐增加，其他地方的舔舐减少，表明空间特定的预期舔舐的发展。使用该系统时要记住的主要事情是，只有在跑轮上加固和舒适的情况下，鼠标才会表现良好。

因此，水适当地限制动物，轻柔地处理它们，并确保它们的头部约束位置最适合在观看投影屏幕时奔跑。神经科学研究人员可以将这种开源VR系统与体内成像或电生理学相结合，以研究大脑空间学习背后的神经元回路。我们认为，这种开源VR系统的简单性将使研究人员能够将该系统集成到各种神经记录设置中。

对VR环境中空间刺激的精确控制将使研究人员能够检查特定神经元回路对空间学习的贡献。