Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-03T13:33:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: 了解如何使用开源虚拟现实系统测量头部约束小鼠的空间学习能力。该系统采用微控制器和单板计算机，为神经科学研究提供经济高效且模块化的行为实验平台。

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我们感谢Harvey实验室的Noah Pettit在本手稿方案开发过程中提供的讨论和建议。本工作得到了BBRF青年研究者奖和NIMH 1R21MH122965（G.F.T.）以及NINDS R56NS128177（R.H.，C.L.）和NIMH R01MH068542（R.H.）的资助。

<ol><li>Lisman, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viewpoints%3A+How+the+hippocampus+contributes+to+memory%2C+navigation+and+cognition%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Memory%2C+navigation+and+theta+rhythm+in+the+hippocampal-entorhinal+system%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+hippocampus+as+a+spatial+map.+Preliminary+evidence+from+unit+activity+in+the+freely-moving+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Place+units+in+the+hippocampus+of+the+freely+moving+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Neurology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Spatial+representation+in+the+entorhinal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((A+disinhibitory+microcircuit+for+associative+fear+learning+in+the+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Reinforcement+learning+recruits+somata+and+apical+dendrites+across+layers+of+primary+sensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Functional+imaging+of+hippocampal+place+cells+at+cellular+resolution+during+virtual+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((A+dedicated+population+for+reward+coding+in+the+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Simultaneous+cellular-resolution+optical+perturbation+and+imaging+of+place+cell+firing+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Prefrontal+feature+representations+drive+memory+recall%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Signatures+of+rapid+plasticity+in+hippocampal+CA1+representations+during+novel+experiences%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((The+functional+micro-organization+of+grid+cells+revealed+by+cellular-resolution+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Intracellular+dynamics+of+hippocampal+place+cells+during+virtual+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation.</a> Nature. 461 (7266), 941-946 (2009).</li>
<li>Pettit, N., et al. 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/pubmed?term=((Fos+ensembles+encode+and+shape+stable+spatial+maps+in+the+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Vasoactive+intestinal+polypeptide-expressing+interneurons+in+the+hippocampus+support+goal-oriented+spatial+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Longitudinal+two-photon+imaging+of+dorsal+hippocampal+CA1+in+live+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visual+Experiments%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Craniotomy+procedure+for+visualizing+neuronal+activities+in+hippocampus+of+behaving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visual+Experiments%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Parallel+processing+of+sensory+cue+and+spatial+information+in+the+dentate+gyrus%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Imaging+large-scale+neural+activity+with+cellular+resolution+in+awake%2C+mobile+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), 88678(2014).</li>
<li>Jordan, J. T., Gonçalves, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silencing+of+hippocampal+synaptic+transmission+impairs+spatial+reward+search+on+a+head-fixed+tactile+treadmill+task%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Citric+acid+water+as+an+alternative+to+water+restriction+for+high-yield+mouse+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22eNeuro%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Coherent+encoding+of+subjective+spatial+position+in+visual+cortex+and+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Multisensory+control+of+hippocampal+spatiotemporal+selectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Impaired+spatial+selectivity+and+intact+phase+precession+in+two-dimensional+virtual+reality%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Impaired spatial selectivity and intact phase precession in two-dimensional virtual reality.</a> Nature Neuroscience. 18 (1), 121-128 (2015).</li>
</ol>

Clay Lacefield 是 OpenMaze.org 的创始人和维护者，该网站提供本实验方案中所用 OMwSmall 印刷电路板（PCB）的设计文件，可免费下载。

该开源小鼠VR系统只有在旋转装置与行为记录用的ESP32微控制器和单板计算机之间正确建立串行连接后才能正常运行（步骤2），可通过IDE串行监视器确认连接状态（步骤2.4.5）。要获得成功的实验行为结果（步骤4），小鼠必须适应实验装置，并能够舒适地在转轮上奔跑以获取液体奖励（步骤4.3–4.5）。这需要实施充分但不过度的饮水限制，因为给予过多饮水的动物将无法有效参与任务 随意 家庭笼中的水不会流动，小鼠无法通过舔舐来获取奖励（即无法通过舔舐行为表明其感知位置），且脱水小鼠可能表现出嗜睡状态而不再在转轮上奔跑。还需注意的是，存在无需采用限水方式即可激励小鼠行为的替代方法24；然而，我们在此并未测试这些方法。对于训练程序，最初不跑动的动物可给予 特设的 （即非空间性的）由实验人员给予的水奖励 通过 一个可选的附加按钮按压，或可轻柔移动轮子以促进运动。为了发展随机觅食行为，对于那些奔跑但不舔舐的小鼠，应使用非操作性奖励进行训练（行为ESP32代码： isOperant = 0;，步骤 4.5.1）直到它们能够自主奔跑并舔舐以获...

空间导航是一种具有重要生态学意义的行为，动物通过该行为将新环境的特征编码为认知地图，用于寻找潜在的奖励区域并避开可能的危险区域。空间导航与记忆密不可分，其背后认知过程依赖于海马体1和皮层的共同神经基础，这些脑区的神经回路整合传入的信息，并构建出可被后续回忆的环境与事件的认知地图2。尽管海马体中位置细胞的发现3,4以及内嗅皮层中网格细胞的发现5揭示了海马体内认知地图的形成机制，但关于特定神经元亚型、微环路以及海马体各个亚区（齿状回及CA3-1区）如何相互作用并参与空间记忆的形成与提取，仍有许多问题有待解答。
在体 双光子成像在揭示感觉神经生理学中的细胞及群体动态方面已成为一种有用的工具6,7；然而，通常需要对头部进行固定，这限制了该方法在研究哺乳动物空间行为中的应用。虚拟现实（VR）技术的出现8 通过让头部固定的 mice 在球体或跑步机上奔跑，同时呈现沉浸式且逼真的视觉空间环境，以研究海马体中的空间与情境编码，弥补了这一不足8,9,10 和皮层11此外，利用虚拟现实环境中的行为小鼠，神经科学研究人员能够通过精确控制虚拟现实环境的各个要素，来解析空间行为的组成部分。12 （例如视觉流、上下文调节），而这些方式在现实世界的空间学习实验中（如莫里斯水迷宫、巴恩斯迷宫或孔板任务）是无法实现的。
视觉虚拟现实（VR）环境通常由计算机的图形处理器（GPU）进行渲染，该处理器负责快速计算屏幕上实时显示动态三维环境所需的数千个多边形。由于处理需求较大，通常需要使用配备GPU的独立计算机，将视觉环境输出至显示器、多个屏幕13或投影仪14，同时记录动物在跑步机、转轮或泡沫球上的运动。因此，用于控制、渲染和投射VR环境的整套装置通常价格昂贵、体积庞大且操作不便。此外，文献中许多此类系统采用专有软件实现，这类软件不仅成本高昂，而且只能在专用计算机上运行。
基于这些原因，我们设计了一个开源的虚拟现实（VR）系统，利用树莓派（Raspberry Pi）单板计算机研究头固定小鼠的空间学习行为。该 Linux 计算机体积小、成本低，且内置 GPU 芯片用于 3D 渲染，可将虚拟现实环境灵活集成到不同个体实验装置的显示或行为设备中。此外，我们开发了一套基于 Python 编写的图形化软件包&#34;HallPassVR&#34;，该软件利用单板计算机通过图形用户界面（GUI）选择并重组自定义视觉特征，渲染出一个简单的视觉空间环境，即虚拟的直线轨道或走廊。该系统结合微控制器子系统（例如 ESP32 或 Arduino），用于测量运动行为并协调其他感官刺激或奖赏的传递，以促进强化学习。该系统为在双光子成像（或其他需要头部固定的实验技术）过程中向头固定小鼠提供视觉空间虚拟现实环境，提供了一种低成本、灵活且易于使用的替代方案，可用于研究空间学习行为背后的神经回路。

<table><tbody><tr><td>1/4 &quot; 直径铝棒</td><td>McMaster-Carr</td><td>9062K26</td><td>长度 3&quot;，用于轮轴</td></tr><tr><td>1/4&quot;-20 顶丝，长 3/4&quot;（x2）</td><td>Amazon.com</td><td>B09ZNMR41V</td><td>用于将头部固定夹具固定到光学支架上</td></tr><tr><td>2&quot;×7&quot; T型槽铝条（x2）</td><td>8020.net</td><td>1020</td><td>轮子/动物安装框架</td></tr><tr><td>6&quot; 直径、3&quot; 宽的亚克力圆筒（厚度 1/8&quot;）</td><td>Canal Plastics</td><td>33210090702</td><td>跑步轮（在 canalplastics.com 定制切割宽度）</td></tr><tr><td>8-32 × 1/2&quot; 内六角圆柱头螺钉</td><td>McMaster-Carr</td><td>92196A194</td><td>用于将头部固定夹具固定到光学支架上&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>可调节臂（14&quot;）</td><td>Amazon.com</td><td>B087BZGKSL</td><td>用于固定/调节舔水口</td></tr><tr><td>分析代码（MATLAB）</td><td></td><td>自定义编写</td><td>文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis code</td></tr><tr><td>轴安装法兰，内径 1/4&quot;</td><td>Pololu</td><td>1993</td><td>用于将轮子安装到轴上</td></tr><tr><td>球轴承（外径 5/8&quot;，内径 1/4&quot;，x2）</td><td>McMaster-Carr</td><td>57155K324</td><td>用于将轮轴安装到框架上</td></tr><tr><td>行为控制 ESP32 代码</td><td></td><td>自定义编写</td><td>文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Behavior board</td></tr><tr><td>黑色不透明哑光亚克力板（厚度 1/4&quot;）</td><td>Canal Plastics</td><td>32918353422</td><td>激光切割文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly</td></tr><tr><td>透明亚克力板（厚度 1/4&quot;）</td><td>Canal Plastics</td><td>32920770574</td><td>激光切割文件位于 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>用于行为控制和旋转编码器的微控制器</td></tr><tr><td>ESP32 扩展板</td><td>OpenMaze.org</td><td>OMwSmall</td><td>说明见 www.openmaze.org（https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield）。ZIP 格式 Gerber 文件位于：https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs</td></tr><tr><td>紧固件和支架&amp;nbsp;</td><td>8020.net</td><td>4138, 3382,3280</td><td>用于轮子框架的安装</td></tr><tr><td>角度调节器（goniometers）</td><td>Edmund Optics</td><td>66-526, 66-527</td><td>行为实验可选，成像时用于精细调节头部位置</td></tr><tr><td>HallPassVR Python 代码</td><td></td><td>自定义编写</td><td>文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR</td></tr><tr><td>头部固定夹具</td><td></td><td>自定义设计</td><td>3D 设计文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/Headpost Clamp</td></tr><tr><td>LED 投影仪</td><td>Texas Instruments</td><td>DLPDLCR230NPEVM</td><td>或其他小型 LED 投影仪</td></tr><tr><td>舔水口</td><td>VWR</td><td>20068-638</td><td>（或约 16 G 金属皮下注射针管）</td></tr><tr><td>M 2.5 × 6 定位螺钉</td><td>McMaster-Carr</td><td>92015A097</td><td>用于固定头部固定杆&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>哑光白色扩散纸</td><td>Amazon.com</td><td></td><td>屏幕材料</td></tr><tr><td>金属头部固定杆</td><td></td><td>自定义设计</td><td>3D 设计文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/head post designs</td></tr><tr><td>其他管路及管接头（内径 1/16&quot;）</td><td></td><td></td><td>用于构建供水管路</td></tr><tr><td>光学面包板</td><td>Thorlabs</td><td>根据用户需求</td><td></td></tr><tr><td>光学支架，直径 1/2&quot;（x2）</td><td>Thorlabs</td><td>TR4</td><td>用于头部固定装置</td></tr><tr><td>Processing 代码</td><td></td><td>自定义编写</td><td>文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing code</td></tr><tr><td>Raspberry Pi 4B</td><td>raspberry.com, adafruit.com</td><td></td><td>用于渲染 HallPassVR 环境的单板计算机</td></tr><tr><td>直角夹具</td><td>Thorlabs</td><td>RA90</td><td>用于头部固定装置</td></tr><tr><td>旋转编码器（正交型，256 步）</td><td>DigiKey</td><td>ENS1J-B28-L00256L</td><td>用于测量轮子旋转</td></tr><tr><td>旋转编码器 ESP32 代码</td><td></td><td>自定义编写</td><td>文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Rotary encoder</td></tr><tr><td>SCIGRIP 10315 亚克力胶</td><td>Amazon.com</td><td></td><td></td></tr><tr><td>轴联轴器</td><td>McMaster-Carr</td><td>9861T426</td><td>用于连接旋转编码器轴与轮轴</td></tr><tr><td>银色镜面亚克力板</td><td>Canal Plastics</td><td>32913817934</td><td>激光切割文件位于 github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly</td></tr><tr><td>电磁阀</td><td>Parker</td><td>003-0137-900</td><td>用于给予水奖励</td></tr></tbody></table>

一种用于测量头部固定小鼠空间学习能力的开源虚拟现实系统

An Open-Source Virtual Reality System for the Measurement of Spatial Learning in Head-Restrained Mice

在小鼠中进行头部固定的行为实验，可让神经科学家在向动物传递精确感觉刺激的同时，利用高分辨率的电生理和光学成像工具观察神经环路活动。近年来，人类和啮齿类动物的研究表明，使用虚拟现实（VR）环境是揭示海马和大脑皮层中空间学习神经机制的重要工具，原因在于其能够对空间线索和情境线索等参数实现极为精确的控制。然而，为啮齿类动物的空间行为构建虚拟环境可能成本高昂，并需要工程学和计算机编程方面的深厚背景。本文介绍一种简单而强大的系统，该系统基于廉价、模块化、开源的硬件和软件，使研究人员能够利用虚拟现实环境研究头部固定小鼠的空间学习行为。该系统通过耦合的微控制器来测量动物运动并传递行为刺激，同时让头部固定的小鼠在跑轮上奔跑，与由单板计算机上运行的图形软件渲染的虚拟线性轨道环境同步。该系统强调分布式处理，使研究人员能够设计灵活、模块化的系统，以诱发并测量小鼠复杂的空间行为，从而确定哺乳动物大脑中神经环路活动与空间学习之间的关联。

这一开源的虚拟现实行为实验装置使我们能够在头固定小鼠穿越虚拟线性轨道环境时，通过量化舔舐行为来反映空间学习能力。将7只4月龄、两性混合的C57BL/6小鼠置于限水方案中，首先训练它们在跑轮上持续以低频率舔舐，以获取随机空间奖励（“随机觅食”），此阶段不使用虚拟现实（VR）。当转移到配备2米随机走廊模式的VR投影屏幕装置时，小鼠的表现起初受到影响，但在数次VR训练后恢复至先前水平（图4A）。其中，有六只小鼠（共七只，占86%）在VR条件下成功建立随机觅食策略（一只小鼠因无法持续奔跑而被排除），随后被要求在一条2米长、无其他视觉特征的虚拟轨道中，依据位于中央的单一视觉位置线索，在0.5米处的无提示操作性奖励区域进行舔舐以获得水奖励（“隐藏奖励任务”）。根据本系统目前的初步数据，七只小鼠中有四只（57%）能够在两到四次训练内学会利用单一视觉线索完成隐藏奖励任务，表现为在奖励区域附近舔舐行为的选择性逐渐增强（表1，图4B、C），该结果与我们此前使用非VR跑台的...

本文介绍了一种简化的开源硬件和软件系统，用于通过虚拟现实（VR）研究小鼠的空间学习能力。该系统利用微控制器网络和运行简易Python图形软件包的单板计算机，向固定头部的小鼠在跑轮上奔跑时呈现虚拟的直线轨道。

小鼠头部固定行为实验使神经科学家能够利用高分辨率电生理学技术观察神经回路活动，并……

这种开源的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装置，向头部固定的实验小鼠呈现一组一致的空间刺激。该系统的优势在于成本低廉、易于搭建、结构紧凑且具有模块化特性，便于构建多个行为实验装置，用于训练以及与现有的头部固定行为实验装置进行整合。该系统非常适合测量空间学习行为和头部固定小鼠的研究，但同样也可用于向其他物种和实验准备提供视觉虚拟现实环境，包括人类心理物理学和神经影像学实验。本实验操作将由本实验室的研究助理 Carla Diaz 和 Hannah Chung 演示。首先，将旋转编码器组件与旋转 ESP32 之间的导线连接起来。旋转编码器通常有四根导线：正极、GND、A 和 B。通过跳线将这些导线分别连接至 ESP32 的 3.3 伏、GND、25 和 26 引脚。在旋转 ESP32 与行为 ESP32 之间连接串行 RX/TX 线。将旋转 ESP32 的 Serial0 RX/TX 与行为 ESP32 的 Serial2 端口通过简单的两线连接。在旋转 ESP32 与单板计算机的 GPIO 或直接 USB 连接之间连接串行 RX/TX 线。使用两根导线将单板计算机的 GPIO 引脚 14、15（RX/TX）与旋转式 ESP32 的 Serial2 引脚 17、16（TX/RX）相连。接下来，将旋转式 ESP32 的 USB 接口插入单板计算机的 USB 接口，以上传初始的旋转编码器代码。将 12 伏液体电磁阀连接至 OMW 小型 PCB 板最左侧的 ULN2803 集成电路输出端，并将舔水端口连接至 ESP32 的触摸输入引脚。将USB插入单板计算机的USB端口，以向行为学ESP32上传针对不同实验范式的程序，并使用附带的Processing草图采集行为数据。然后将12伏直流电源适配器插入行为学ESP32 OMW小型PCB上的2.1毫米桶形插孔，为奖励用电磁阀提供电源。将单板计算机的HDMI双输出连接至投影仪的HDMI端口。这将把由单板计算机GPU渲染的图形化软件环境传输到投影屏幕。在单板计算机中打开终端窗口，导航至Hall Pass VR文件夹。运行指定的虚拟现实（VR）图形用户界面（GUI），以打开GUI窗口。从列表框中为轨道上的三个模式中的每一个选择并添加四个元素，然后单击生成。从下拉菜单中选择地面和天花板图像，并将此示例代码的轨道长度设置为两米。如有需要，可为该模式命名。单击“开始”按钮，等待 VR 窗口启动后，再进行其他点击操作。图形化软件环境将显示在屏幕二上。运行处理程序以采集并绘制行为数据的运动轨迹。在 Processing IDE 中打开指定的命令。将动物更改为您的小鼠编号变量，并将 session minutes（会话分钟）设置为行为实验持续时间（以分钟为单位）。点击 Processing IDE 上的运行按钮。检查处理图窗口，该窗口应显示虚拟线性轨道上当前鼠标位置，随着轮子转动，同时显示舔水区、跑轮圈数和奖励的运行直方图，每30秒更新一次。手动转动跑轮以模拟小鼠奔跑进行测试，或在初始设置时使用测试小鼠。单击图窗口，然后按键盘上的 Q 键以停止采集行为数据。当会话时间结束或用户按下 Q 键退出时，系统将保存包含行为事件及时间的文本文件以及最终绘图窗口的 PNG 格式图像。对于带有非操作性奖励的随机锻造实验，请运行具有任意视觉元素路径的图形化软件 GUI 程序，然后将行为程序上传至配备多种非操作性奖励的行为 ESP32，以训练小鼠奔跑并舔舐。轻轻地将小鼠放入头部固定装置中，调整舔舐管至小鼠嘴部前方合适位置，并将小鼠跑轮置于投影屏幕区域的中心。在 Processing 程序中设置动物名称，然后在 Processing 集成开发环境（IDE）中点击“运行”（Run），以开始采集并绘制行为学数据。每次训练持续 20 至 30 分钟，直至小鼠每 session 至少完成 20 圈跑行，并能在随机出现奖励的位置进行舔舐以获取奖励。对于在交替圈次中进行操作性奖励的随机觅食任务，上传交替操作性参数设为1的行为程序，并训练小鼠，直至其在非操作性和操作性奖励区域均能持续舔舐。对于完全操作性的随机觅食任务，上传包含四个随机操作性奖励区域的行为程序，并训练小鼠，使其沿轨道在各奖励区域均能稳定舔舐。接下来进行空间学习任务时，运行图形化软件程序，呈现一条黑暗走廊路径，中央设有一个单一视觉线索。然后将包含单个隐藏奖励区域的行为程序上传至行为实验用 ESP32。让小鼠在具有单个隐藏奖励区域和单一视觉线索的虚拟现实走廊中进行每次 30 分钟的训练，并按照之前所述方法在实验过程中采集数据。从 Processing 程序的文件夹中下载 txt 数据文件，并分析行为数据，以观察空间选择性舔舐行为的出现，作为空间学习的指标。本研究展示了利用图形化软件环境进行空间学习的方法。小鼠首先经过随机觅食的逐步训练，学会在跑轮上奔跑，并在轨道上以较低水平持续舔舐；随后切换至单一隐藏奖励位置，以检测其空间学习能力。在本研究中，七只小鼠中有四只在两到四次训练阶段内，仅凭单一视觉线索便学会了寻找隐藏奖励任务，表现为它们在奖励区域附近的舔舐行为选择性逐渐增强。此外，小鼠在单次训练 session 内以及不同 session 之间均表现出显著的学习效果。第二天每圈的空间性舔舐结果显示，小鼠在奖励区域之前的舔舐次数增加，而在其他区域的舔舐次数减少，表明其已形成具有空间特异性的预期性舔舐行为。使用该系统时需要牢记的关键点是，只有在给予强化且小鼠对跑轮感到舒适的情况下，它们才能表现出良好的行为表现。因此，应适当限制动物的饮水，轻柔地处理它们，并确保其头部固定位置在观看投影屏幕时处于最佳运行状态。神经科学研究人员可将此开源虚拟现实系统与活体成像或电生理技术相结合，以研究大脑中与空间学习相关的神经回路。我们认为，该开源虚拟现实系统的简便性将使研究人员能够将其整合到多种神经记录装置中。VR 环境中对空间刺激的精确控制将使研究人员能够探究特定神经元回路在空间学习中的作用。

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科研

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神经科学

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