Un sistema di realtà virtuale open source per la misurazione dell'apprendimento spaziale in topi con la testa trattenuta

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

doi:10.3791/64863

Method Article

Un sistema di realtà virtuale open source per la misurazione dell'apprendimento spaziale in topi con la testa trattenuta

DOI:

10.3791/64863

⸱

March 3rd, 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

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Qui, presentiamo una configurazione hardware e software open source semplificata per studiare l'apprendimento spaziale del mouse utilizzando la realtà virtuale (VR). Questo sistema visualizza una traccia lineare virtuale a un mouse con la testa trattenuta che gira su una ruota utilizzando una rete di microcontrollori e un computer a scheda singola che esegue un pacchetto software grafico Python facile da usare.

Abstract

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Gli esperimenti comportamentali sui topi consentono ai neuroscienziati di osservare l'attività del circuito neurale con strumenti di imaging elettrofisiologico e ottico ad alta risoluzione, fornendo al contempo precisi stimoli sensoriali a un animale che si comporta. Recentemente, studi sull'uomo e sui roditori che utilizzano ambienti di realtà virtuale (VR) hanno dimostrato che la realtà virtuale è uno strumento importante per scoprire i meccanismi neurali alla base dell'apprendimento spaziale nell'ippocampo e nella corteccia, grazie al controllo estremamente preciso su parametri come segnali spaziali e contestuali. La creazione di ambienti virtuali per i comportamenti spaziali dei roditori può, tuttavia, essere costosa e richiedere un ampio background in ingegneria e programmazione informatica. Qui, presentiamo un sistema semplice ma potente basato su hardware e software open source economico, modulare e che consente ai ricercatori di studiare l'apprendimento spaziale in topi con la testa trattenuta utilizzando un ambiente VR. Questo sistema utilizza microcontrollori accoppiati per misurare la locomozione e fornire stimoli comportamentali mentre i topi trattenuti dalla testa corrono su una ruota in concerto con un ambiente di binario lineare virtuale reso da un pacchetto software grafico in esecuzione su un computer a scheda singola. L'enfasi sull'elaborazione distribuita consente ai ricercatori di progettare sistemi flessibili e modulari per suscitare e misurare comportamenti spaziali complessi nei topi al fine di determinare la connessione tra l'attività del circuito neurale e l'apprendimento spaziale nel cervello dei mammiferi.

Introduction

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La navigazione spaziale è un comportamento etologicamente importante con cui gli animali codificano le caratteristiche di nuove posizioni in una mappa cognitiva, che viene utilizzata per trovare aree di possibile ricompensa ed evitare aree di potenziale pericolo. Inestricabilmente legati alla memoria, i processi cognitivi alla base della navigazione spaziale condividono un substrato neurale nell'ippocampo¹ e nella corteccia, dove i circuiti neurali in queste aree integrano le informazioni in entrata e formano mappe cognitive di ambienti ed eventi per il successivo richiamo². Mentre la scoperta delle cellule di posizione ....

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Protocol

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Tutte le procedure di questo protocollo sono state approvate dall'Institutional Animal Care and Use Committee del New York State Psychiatric Institute.

NOTA: un computer a scheda singola viene utilizzato per visualizzare un ambiente visivo VR coordinato con l'esecuzione di un mouse con ritenuta per la testa su una ruota. Le informazioni di movimento vengono ricevute come input seriale da un microcontrollore ESP32 che legge un encoder rotativo accoppiato all'asse ruota. L'ambiente VR viene renderizzato utilizzando l'accelerazione hardware OpenGL sulla GPU Raspberry Pi, che utilizza il pacchetto 3D pi3d Python per Raspberry Pi. L'ambiente ren....

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Results

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Questa configurazione comportamentale di realtà virtuale open source ci ha permesso di quantificare il comportamento di licking come una lettura dell'apprendimento spaziale mentre i topi con la testa trattenuta navigavano in un ambiente di binario lineare virtuale. Sette topi C57BL / 6 di entrambi i sessi a 4 mesi di età sono stati sottoposti a un programma di acqua limitato e prima addestrati a leccare continuamente a bassi livelli mentre correvano sulla ruota per ricompense spaziali casuali ("foraggiamento casuale") se.......

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Discussion

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Questo sistema VR open source per mouse funzionerà solo se le connessioni seriali sono effettuate correttamente tra i microcontrollori rotativi e comportamentali ESP32 e il computer a scheda singola (passaggio 2), che può essere confermato utilizzando il monitor seriale IDE (passaggio 2.4.5). Per risultati comportamentali di successo da questo protocollo (fase 4), i topi devono essere abituati all'apparato ed essere a proprio agio nel correre sulla ruota per ricompense liquide (passaggi 4.3-4.5). Ciò richiede una restriz.......

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Disclosures

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Clay Lacefield è il fondatore e manutentore di OpenMaze.org, che fornisce gratuitamente i progetti per il PCB OMwSmall utilizzato in questo protocollo per il download.

Acknowledgements

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Vorremmo ringraziare Noah Pettit del laboratorio Harvey per la discussione e i suggerimenti durante lo sviluppo del protocollo in questo manoscritto. Questo lavoro è stato supportato da un BBRF Young Investigator Award e NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), oltre a NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) e NIMH R01MH068542 (R.H.).

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Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Asta in alluminio da 1/4" diam	McMaster-Carr	9062K26	lunghezza 3" per asse ruota
Viti a testa cilindrica da 1/4"-20, lunghe 3/4" (x2)	Amazon.com B09ZNMR41V		per il fissaggio dei supporti dei pali della testa ai pali ottici
Barra in alluminio con scanalatura a T da 2"x7" (x2)	8020.net	montaggio ruota/animale	1020
6", cilindro acrilico largo 3" (1/8" spesso)	Canal Plastics	33210090702	Ruota da corsa (taglio di larghezza personalizzata a canalplastics.com)
8-32 x 1/2" viti a brugola	McMaster-Carr	92196A194	fissaggio del supporto del palo della testa al palo ottico
Braccio regolabile (14"	)Amazon.com	B087BZGKSL	per tenere/regolare il beccuccio di leccata
Codice di analisi (MATLAB)		file scritto personalizzato	al codice github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis
Flangia di montaggio dell'asse, 1/4" ID	Pololu	1993	per il montaggio della ruota sull'asse
Cuscinetto a sfere (5/8" OD, 1/4" ID, x2)	McMaster-Carr	57155K324	per il montaggio dell'asse della ruota sul telaio
Comportamento Codice		scritto personalizzato	su github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino codice/Comportamento Fogli
acrilici opachi neri opachi (1/4" di spessore)	Canal Plastics	32918353422	file tagliato al laser sul github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR gruppo schermo
Foglio acrilico trasparente (1/4" di spessore)	Canal Plastics	32920770574	file tagliato al laser sul gruppo ruota
github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ESP32 devKitC v4 (x2)	Amazon.com	B086YS4Z3F	microcontrollore per comportamento e encoder rotativo
Scudo ESP32	OpenMaze.org	OMwPiccola	descrizione a www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). File gerber ZIP su: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Elementi di fissaggio e staffe	8020.net	4138, 3382,3280	per goniometri Edmund
	Optics	66-526, 66-527	opzionale per il comportamento. Testina di messa a punto per l'imaging
HallPassVR codice		scritto	personalizzato su github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
Supporto		personalizzato	file di progettazione 3D su github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR supporto per testa/morsetto per palo di testa proiettore
LED	Instruments	DLPDLCR230NPEVM	o altro piccolo proiettore LED
Lick beccuccio	VWR	20068-638	(o ~16 G tubo ipodermico in metallo)
M 2,5 x 6 viti di fermo	McMaster-Carr	92015A097	perno di fissaggio della testa
dello schermo	carta di diffusione bianca opaca	Amazon.com
	testa in metallo	Progettazione personalizzata	File di progettazione 3D su github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR disegni di montaggio della testa/palo di testa
Tubi vari e adattatori per tubi (1/16" ID)			per la costruzione della linea di galleggiamento
Breadboard ottica	Thorlabs	secondo le esigenze dell'utente
Perni ottici, 1/2" diam (2x)	Thorlabs	TR4	per l'impostazione del fissaggio della testa
Codice di elaborazione		scritto	personalizzato in codice
github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing Raspberry Pi 4B	raspberry.com, adafruit.com		Computer a scheda singola per il rendering di HallPassVR envir.
Morsetto ad angolo retto	Thorlabs	RA90	per l'impostazione del fissaggio della testa
Encoder rotativo (quadratura, 256 passi)	DigiKey	ENS1J-B28-L00256L	per misurare la rotazione della ruota
Encoder rotativo Codice ESP32		scritto	personalizzato al codice github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino/Encoder rotativo
SCIGRIP 10315 cemento acrilico	Amazon.com
Accoppiatore per albero	McMaster-Carr	9861T426	per accoppiare l'albero dell'encoder rotativo con l'asse
Lastre acriliche a specchio argento	Plastica del canale	32913817934	file tagliato al laser all github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR assemblaggio dello schermo
Elettrovalvola	Parker	003-0137-900	per amministrare le ricompense dell'acqua

telaio di diametro ESP32 file python file per palo di testa design Texas Materiale della dei pali di file file

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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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Un sistema di realtà virtuale open source per la misurazione dell'apprendimento spaziale in topi con la testa trattenuta

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