Ein Open-Source-Virtual-Reality-System zur Messung des räumlichen Lernens bei kopfgebundenen Mäusen

Summary

Hier stellen wir ein vereinfachtes Open-Source-Hardware- und Software-Setup zur Untersuchung des räumlichen Lernens von Mäusen mit Hilfe von Virtual Reality (VR) vor. Dieses System zeigt einer kopfgebundenen Maus, die auf einem Rad läuft, eine virtuelle lineare Spur an, indem es ein Netzwerk von Mikrocontrollern und einen Einplatinencomputer verwendet, auf dem ein einfach zu bedienendes grafisches Python-Softwarepaket ausgeführt wird.

Abstract

Kopfgebundene Verhaltensexperimente an Mäusen ermöglichen es Neurowissenschaftlern, die Aktivität neuronaler Schaltkreise mit hochauflösenden elektrophysiologischen und optischen Bildgebungswerkzeugen zu beobachten und gleichzeitig einem sich verhaltenden Tier präzise sensorische Reize zu geben. In jüngster Zeit haben Studien an Menschen und Nagetieren mit Virtual-Reality-Umgebungen (VR) gezeigt, dass VR aufgrund der äußerst präzisen Kontrolle von Parametern wie räumlichen und kontextuellen Hinweisen ein wichtiges Werkzeug ist, um die neuronalen Mechanismen aufzudecken, die dem räumlichen Lernen im Hippocampus und im Kortex zugrunde liegen. Das Einrichten virtueller Umgebungen für das räumliche Verhalten von Nagetieren kann jedoch kostspielig sein und erfordert einen umfangreichen Hintergrund in Ingenieurwesen und Computerprogrammierung. Hier stellen wir ein einfaches, aber leistungsfähiges System vor, das auf kostengünstiger, modularer Open-Source-Hard- und Software basiert und es Forschern ermöglicht, räumliches Lernen in kopfgebundenen Mäusen mithilfe einer VR-Umgebung zu untersuchen. Dieses System verwendet gekoppelte Mikrocontroller, um die Fortbewegung zu messen und Verhaltensreize zu liefern, während kopfgebundene Mäuse auf einem Rad in Verbindung mit einer virtuellen linearen Spurumgebung laufen, die von einem grafischen Softwarepaket gerendert wird, das auf einem Einplatinencomputer läuft. Der Schwerpunkt auf verteilter Verarbeitung ermöglicht es den Forschern, flexible, modulare Systeme zu entwickeln, um komplexe räumliche Verhaltensweisen bei Mäusen zu ermitteln und zu messen, um den Zusammenhang zwischen der Aktivität neuronaler Schaltkreise und dem räumlichen Lernen im Gehirn von Säugetieren zu bestimmen.

Introduction

Räumliche Navigation ist ein ethologisch wichtiges Verhalten, bei dem Tiere die Merkmale neuer Orte in einer kognitiven Karte kodieren, die verwendet wird, um Bereiche möglicher Belohnungen zu finden und potenzielle Gefahrenbereiche zu vermeiden. Die kognitiven Prozesse, die der räumlichen Navigation zugrunde liegen, sind untrennbar mit dem Gedächtnis verbunden und teilen sich ein neuronales Substrat im Hippocampus¹ und im Kortex, wo neuronale Schaltkreise in diesen Bereichen eingehende Informationen integrieren und kognitive Karten von Umgebungen und Ereignissen für den späteren Abruf^{bilden 2}. Während die Entdeckung von....

Protocol

Alle Verfahren in diesem Protokoll wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee des New York State Psychiatric Institute genehmigt.

HINWEIS: Ein Einplatinencomputer wird verwendet, um eine visuelle VR-Umgebung anzuzeigen, die mit dem Ausführen einer kopfgebundenen Maus auf einem Rad koordiniert ist. Bewegungsinformationen werden als serieller Eingang von einem ESP32-Mikrocontroller empfangen, der einen mit der Radachse gekoppelten Drehgeber liest. Die VR-Umgebung wird mit OpenGL-Hardwarebeschleunigung auf der Raspberry Pi-GPU gerendert, die das pi3d-Python-3D-Paket für Raspberry Pi verwendet. Die gerenderte Umgebung wird dann ....

Results

Dieses Open-Source-Virtual-Reality-Verhaltens-Setup ermöglichte es uns, das Leckverhalten als Auslesen des räumlichen Lernens zu quantifizieren, während kopfgebundene Mäuse durch eine virtuelle lineare Spurumgebung navigierten. Sieben C57BL/6-Mäuse beiderlei Geschlechts im Alter von 4 Monaten wurden auf einen eingeschränkten Wasserplan gesetzt und zunächst darauf trainiert, kontinuierlich auf niedrigem Niveau zu lecken, während sie auf dem Rad liefen, um zufällige räumliche Belohnungen zu erhalten ("zufällige Nahrungssuc.......

Discussion

Dieses Open-Source-VR-System für Mäuse funktioniert nur, wenn die seriellen Verbindungen zwischen den rotierenden und verhaltensfähigen ESP32-Mikrocontrollern und dem Einplatinencomputer korrekt hergestellt sind (Schritt 2), was mit dem seriellen IDE-Monitor bestätigt werden kann (Schritt 2.4.5). Für erfolgreiche Verhaltensergebnisse aus diesem Protokoll (Schritt 4) müssen die Mäuse an den Apparat gewöhnt sein und sich wohl fühlen, auf dem Rad zu laufen, um flüssige Belohnungen zu erhalten (Schritte 4.3-4.5). Dies erford.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4" Durchmesser Aluminiumstange	McMaster-Carr	9062K26	3" Länge für Radachse
1/4"-20 Zylinderschrauben, 3/4" lang (x2)	Amazon.com	B09ZNMR41V	zur Befestigung von Kopfstützenhaltern an optischen Stiften
2"x7" T-geschlitzte Aluminiumstange (x2)	8020.net	1020	Rad-/Tiermontagerahmen
6" Durchmesser, 3" breiter Acrylzylinder (1/8" dick)	Canal Plastics	33210090702	Laufrad (benutzerdefinierte Breite geschnitten bei canalplastics.com)
8-32 x 1/2" Innensechskantschrauben	McMaster-Carr	92196A194	Befestigung des Kopfpfostenhalters am optischen Stift
Verstellbarer Arm (14")	Amazon.com B087BZGKSL		zum Halten/Einstellen des Leckauslaufs
Analysecode (MATLAB)		benutzerdefinierte	Datei unter github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis Code
Achsbefestigungsflansch, 1/4" ID	Pololu	1993	für die Montage von Rad an Achse
Kugellager (5/8" AD, 1/4" ID, x2)	McMaster-Carr	57155K324	zur Montage der Radachse am Rahmen
Behavior ESP32 Code		Custom	Written Datei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino Code/Behavior Board
Schwarz opak matte Acrylplatten (1/4" dick)	Canal Plastics	32918353422	lasergeschnittene Datei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Bildschirmmontage
Klare Acrylplatte (1/4" dick)	Canal Plastics	32920770574	Lasercut-Datei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Radbaugruppe
ESP32 devKitC v4 (x2)	Amazon.com	B086YS4Z3F	Mikrocontroller für Verhalten und Drehgeber
ESP32 Shield	OpenMaze.org	OMwSmall	Beschreibung bei www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). ZIP-Gerber-Dateien unter: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Befestigungselemente und Klammern	8020.net	4138, 3382,3280	für Radrahmenhalterungen
Goniometer	Edmund Optics	66-526, 66-527	optional für das Verhalten. Feinabstimmungskopf für die Abbildung
HallPassVR Python-Code		benutzerdefinierte	geschriebene Datei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
Kopfpfostenhalter		benutzerdefiniertes Design	3D-Designdatei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Kopfhalterung / Kopfstütze Klemme
LED-Projektor	Texas Instruments	DLPDLCR230NPEVM	oder anderer kleiner LED-Projektor
Lick Auslauf	VWR	20068-638	(oder ~16 G Injektionsschlauch aus Metall)
M 2,5 x 6 Stellschrauben	McMaster-Carr	92015A097	Sicherung des Kopfpfostens
Mattweißes Diffusionspapier	Amazon.com		Siebmaterial
Kopfstützen		kundenspezifisches Design	3D-Designdatei an github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Kopfhalterung / Kopfpfostendesigns
Verschiedene Schläuche und Schlauchadapter (1/16" ID)			für den Bau der Wasserleitung
Optisches Steckbrett	Thorlabs	nach Kundenwunsch
Optische Stifte, 1/2" Durchmesser (2x)	Thorlabs	TR4	für die Einrichtung der Kopffixierung
Verarbeitung	von benutzerdefinierter		Datei mit github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing Code
Raspberry Pi 4B	raspberry.com, adafruit.com		Einplatinencomputer zum Rendern der HallPassVR-Umgebung.
Rechtwinklige Klemme	Thorlabs	RA90	für die Einrichtung der Kopffixierung
Drehgeber (Quadratur, 256 Schritte)	DigiKey	ENS1J-B28-L00256L	zur Messung der Raddrehung
Drehgeber ESP32 Code		benutzerdefinierte	Datei bei github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino Code/Drehgeber
SCIGRIP 10315 Acrylzement	Amazon.com
Wellenkupplung	McMaster-Carr	9861T426	zum Koppeln der Drehgeberwelle mit der Achse
Silberspiegel Acrylplatten	Canal Plastics	32913817934	lasergeschnittene Datei an github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Siebbaugruppe
Magnetventil	Parker	003-0137-900	zur Verabreichung von Wasserbelohnungen