Un système de réalité virtuelle open-source pour la mesure de l’apprentissage spatial chez des souris retenues par la tête

Clay Lacefield; Hongtao Cai; Huong Ho; Carla Dias; Hannah Chung; René Hen; Gergely F. Turi

doi:10.3791/64863

Article de méthode

Un système de réalité virtuelle open-source pour la mesure de l’apprentissage spatial chez des souris retenues par la tête

DOI :

10.3791/64863

⸱

3 mars 2023

Clay Lacefield¹^,² , Hongtao Cai¹ , Huong Ho¹ , Carla Dias¹ , Hannah Chung¹ , René Hen¹^,² , Gergely F. Turi¹^,²

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

Dans cet article

Résumé

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Ici, nous présentons une configuration matérielle et logicielle open source simplifiée pour étudier l’apprentissage spatial de la souris à l’aide de la réalité virtuelle (VR). Ce système affiche une piste linéaire virtuelle vers une souris retenue par la tête fonctionnant sur une roue en utilisant un réseau de microcontrôleurs et un ordinateur monocarte exécutant un logiciel graphique Python facile à utiliser.

Résumé

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Les expériences comportementales restreintes à la tête chez la souris permettent aux neuroscientifiques d’observer l’activité des circuits neuronaux avec des outils d’imagerie électrophysiologique et optique à haute résolution tout en fournissant des stimuli sensoriels précis à un animal qui se comporte. Récemment, des études sur les humains et les rongeurs utilisant des environnements de réalité virtuelle (RV) ont montré que la RV est un outil important pour découvrir les mécanismes neuronaux sous-jacents à l’apprentissage spatial dans l’hippocampe et le cortex, en raison du contrôle extrêmement précis de paramètres tels que les indices spatiaux et contextuels. La mise en place d’environnements virtuels pour les comportements spatiaux des rongeurs peut toutefois être coûteuse et nécessiter une vaste expérience en ingénierie et en programmation informatique. Ici, nous présentons un système simple mais puissant basé sur du matériel et des logiciels peu coûteux, modulaires et open source qui permet aux chercheurs d’étudier l’apprentissage spatial chez des souris retenues à la tête en utilisant un environnement VR. Ce système utilise des microcontrôleurs couplés pour mesurer la locomotion et fournir des stimuli comportementaux tandis que des souris retenues par la tête courent sur une roue de concert avec un environnement de piste linéaire virtuel rendu par un progiciel graphique fonctionnant sur un ordinateur monocarte. L’accent mis sur le traitement distribué permet aux chercheurs de concevoir des systèmes flexibles et modulaires pour susciter et mesurer des comportements spatiaux complexes chez la souris afin de déterminer le lien entre l’activité des circuits neuronaux et l’apprentissage spatial dans le cerveau des mammifères.

Introduction

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La navigation spatiale est un comportement éthologiquement important par lequel les animaux codent les caractéristiques de nouveaux emplacements dans une carte cognitive, qui est utilisée pour trouver des zones de récompense possible et éviter les zones de danger potentiel. Inextricablement liés à la mémoire, les processus cognitifs sous-jacents à la navigation spatiale partagent un substrat neuronal dans l’hippocampe¹ et le cortex, où les circuits neuronaux de ces zones intègrent les informations entrantes et forment des cartes cognitives des environnements et des événements pour un rappel ultérieur². Alors que la décou....

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Protocole

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Toutes les procédures de ce protocole ont été approuvées par le Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux de l’Institut psychiatrique de l’État de New York.

REMARQUE: Un ordinateur monocarte est utilisé pour afficher un environnement visuel VR coordonné avec le fonctionnement d’une souris retenue par la tête sur une molette. Les informations de mouvement sont reçues sous forme d’entrée série à partir d’un microcontrôleur ESP32 lisant un codeur rotatif couplé à l’essieu de roue. L’environnement VR est rendu à l’aide de l’accélération matérielle OpenGL sur le GPU Raspberry Pi, qui utilise le package 3D Python pi3d pour Raspbe....

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Résultats

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Cette configuration comportementale de réalité virtuelle open source nous a permis de quantifier le comportement de léchage en tant que lecture de l’apprentissage spatial alors que des souris retenues à la tête naviguaient dans un environnement de piste linéaire virtuel. Sept souris C57BL / 6 des deux sexes à l’âge de 4 mois ont été placées sur un programme d’eau restreint et d’abord entraînées à lécher continuellement à de faibles niveaux tout en courant sur la roue pour des récompenses spatiales aléatoires (« recherche.......

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Discussion

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Ce système VR open-source pour souris ne fonctionnera que si les connexions série sont établies correctement entre les microcontrôleurs rotatifs et de comportement ESP32 et l’ordinateur monocarte (étape 2), ce qui peut être confirmé à l’aide du moniteur série IDE (étape 2.4.5). Pour que les résultats comportementaux réussis de ce protocole (étape 4), les souris doivent être habituées à l’appareil et être à l’aise de courir sur la roue pour obtenir des récompenses liquides (étapes 4.3-4.5). Cela nécessite une restriction .......

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Déclarations de divulgation

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Clay Lacefield est le fondateur et le mainteneur de OpenMaze.org, qui fournit gratuitement des conceptions pour le PCB OMwSmall utilisé dans ce protocole.

Remerciements

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Nous tenons à remercier Noah Pettit du laboratoire Harvey pour la discussion et les suggestions lors de l’élaboration du protocole dans ce manuscrit. Ce travail a été soutenu par une bourse de jeune chercheur BBRF et NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), en plus de NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) et NIMH R01MH068542 (R.H.).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Tige en aluminium 1/4 » diam	McMaster-Carr	9062K26	3 » de longueur pour axe de roue
Vis d’assemblage 1/4 »-20, 3/4 » de long (x2)	Amazon.com	B09ZNMR41V	pour fixer les supports de poteau de tête aux poteaux optiques
Barre en aluminium à rainure en T de 2"x7 » (x2)	8020.net	Cadre de montage de roue / animal	1020
de diamètre 6 », cylindre acrylique de 3 » de large (1/8« épais)	Canal Plastics	33210090702	Roue de roulement (largeur personnalisée coupée à canalplastics.com)
8-32 x 1/2 » vis à tête creuse	McMaster-Carr	92196A194	fixation du support de poteau de tête au poteau optique ;
Bras réglable (14 »)	Amazon.com	B087BZGKSL	pour tenir/ajuster le bec à lécher
Code d’analyse (MATLAB)		écrit sur mesure	au code github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis
Bride de montage d’essieu, 1/4 » ID	Pololu	1993	pour le montage de la roue sur l’essieu
Roulement à billes (5/8 » OD, 1/4 » ID, x2)	McMaster-Carr	57155K324	pour le montage de l’axe de roue sur le cadre
Comportement Code ESP32		écrit personnalisé	au code github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino/Panneau de comportement
Feuilles acryliques mates opaques noires (1/4 » d’épaisseur)	Canal Plastics	32918353422	lime découpée au laser à l’assemblage de l’écran github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
Feuille acrylique transparente (1/4 » d’épaisseur)	Canal Plastics	32920770574	fichier découpé laser chez github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ensemble de roue
ESP32 devKitC v4 (x2)	Amazon.com	B086YS4Z3F	microcontrôleur pour le comportement et encodeur rotatif
ESP32 bouclier	OpenMaze.org	OMwPetite	description chez www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). Fichiers ZIP gerber à l’adresse : https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Fixations et supports ;	8020.net	4138, 3382,3280	pour les goniomètres de montage de cadre de roue
	Edmund Optics	66-526, 66-527	en option pour le comportement. Tête de réglage fin pour l’imagerie
HallPassVR code		écrit personnalisé	à github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
	poteau de tête	conception personnalisée	Fichier de conception 3D à github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR support de tête / Pince de poteau
de tête Projecteur LED	Texas Instruments	DLPDLCR230NPEVM	ou autre petit projecteur LED
Lick bec verseur	VWR	20068-638	(ou tube hypodermique métallique ~16 G)
M 2,5 x 6 vis de réglage	McMaster-Carr	92015A097	poteau de tête de fixation ;
Papier de diffusion blanc mat	Amazon.com		matériau de l’écran
Poteaux		conception personnalisée	fichier de conception 3D à github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR conceptions de support de tête/poteau de tête
Tubes divers et adaptateurs de tubes (1/16" ID)			pour la construction de la conduite d’eau
Plaque d’essai optique	Thorlabs	selon les besoins de l’utilisateur
Poteaux optiques, 1/2" diam (2x)	Thorlabs	TR4	pour la configuration de la fixation de la tête
Code de traitement		Fichier écrit personnalisé	au code github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing
Raspberry Pi 4B	raspberry.com, adafruit.com		Ordinateur monocarte pour le rendu de HallPassVR envir.
Pince à angle droit	Thorlabs	RA90	pour la configuration de la fixation de la tête
Codeur rotatif (quadrature, 256 pas)	DigiKey	ENS1J-B28-L00256L	pour mesurer la rotation de la roue
Codeur rotatif ESP32 code		écrit personnalisé	au code github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino/Codeur rotatif
SCIGRIP 10315 Amazon.com
Coupleur d’arbre	McMaster-Carr	9861T426	pour coupler l’arbre de l’encodeur rotatif avec l’axe
Feuilles acryliques miroir argenté	Canal Plastics	32913817934	lime découpée au laser à github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ensemble d’écran
Solénoïde	Parker	003-0137-900	pour administrer les récompenses d’eau

fichier fichier python fichier Support de de tête en métal, , fichier de ciment acrylique

Références

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Lisman, J., et al. Viewpoints: How the hippocampus contributes to memory, navigation and cognition. Nature Neuroscience. 20 (11), 1434-1447 (2017).
Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhin....

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Mots-clés

Virtual Reality System Spatial Learning Head Restrained Mice Open Source Hardware Behavioral Experiments Neural Circuit Activity Locomotion Measurement Visual Stimuli Single Board Computer Reward Conditioning

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