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

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。