Name: 頭部拘束マウスの空間学習計測のためのオープンソースバーチャルリアリティシステム (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-03T13:33:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: 学ぶ 頭部拘束マウスの空間学習を測定するオープンソースVRシステム。マイクロコントローラとシングルボードコンピュータを用い、仮想線形トラック上での行動を追跡し、報酬との位置関連付けを評価できます。

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この原稿のプロトコルを開発する際の議論と提案について、HarveyラボのNoah Pettitに感謝します。この研究は、NINDS R56NS128177(R.H.、C.L.)およびNIMH R01MH068542(RH)に加えて、BBRF若手研究者賞およびNIMH 1R21MH122965(G.F.T.)によってサポートされました。

<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>

クレイ・レースフィールドは OpenMaze.org の創設者兼メンテナであり、このプロトコルで使用されるOMwSmall PCBの設計を無料でダウンロードできます。

このマウス用のオープンソースVRシステムは、IDEシリアルモニターを使用して確認できる、ロータリーおよびビヘイビアESP32マイクロコントローラーとシングルボードコンピューター(手順2)の間でシリアル接続が適切に行われている場合にのみ機能します(手順2.4.5)。このプロトコルから成功した行動結果を得るために(ステップ4)、マウスは装置に慣れ、液体報酬のために車輪の上を快適に走らなければならない(ステップ4.3〜4.5)。ホームケージで自由摂取水を与えられたマウスは、報酬を求めて走ったり舐めたりせず(つまり、知覚された場所を示すために)、脱水状態のマウスは無気力で車輪の上を走らない可能性があるため、これには十分な(ただし過剰ではない)水分制限が必要です。水分制限なしでマウスの行動を動機付けるための代替方法があることも注目に値します24;ただし、ここではこれらのメソッドをテストしませんでした。トレーニング手順のために、最初に走らない動物は、添付のオプションのボタンを押すことによって実験者によってアドホック(すなわち、非空間的)水の報酬を与...

空間ナビゲーションは、動物が新しい場所の特徴を認知マップにエンコードする倫理学的に重要な行動であり、報酬の可能性のある領域を見つけ、潜在的な危険の領域を回避するために使用されます。記憶と密接に関連している空間ナビゲーションの基礎となる認知プロセスは、海馬1と皮質の神経基盤を共有しており、これらの領域の神経回路は入ってくる情報を統合し、後で思い出すために環境とイベントの認知マップを形成します2。海馬3,4の場所細胞と嗅内皮質5のグリッド細胞の発見は、海馬内の認知地図がどのように形成されるかを明らかにしましたが、特定の神経サブタイプ、マイクロ回路、および海馬の個々のサブ領域(歯状回、および角膜アンモニス領域、CA3-1)がどのように相互作用し、空間記憶の形成と想起に関与するかについては多くの疑問が残っています。
in vivo二光子イメージングは、感覚神経生理学における細胞および集団動態を明らかにする上で有用なツールとなっています6,7。しかし、頭部拘束の典型的な必要性は、哺乳類の空間行動を調べるためのこの方法の有用性を制限する。バーチャルリアリティ(VR)8の出現により、没入型でリアルな視空間環境を提示し、頭部拘束マウスがボールまたはトレッドミルで走り、海馬8、9、10および皮質11の空間的および文脈的エンコーディングを研究することで、この欠点に対処しました。さらに、行動するマウスによるVR環境の使用により、神経科学研究者は、モリス水迷路、バーンズ迷路、またはホールボードタスクなどの空間学習の現実世界の実験では不可能な方法で、VR環境12の要素(例えば、視覚の流れ、文脈変調)を正確に制御することによって空間行動の構成要素を分析することができた。
ビジュアルVR環境は通常、コンピューターのグラフィックプロセッシングユニット(GPU)にレンダリングされ、画面上の移動する3D環境をリアルタイムでモデル化するために必要な数千のポリゴンを迅速に計算する負荷を処理します。大規模な処理要件は、一般に、動物の下のトレッドミル、ホイール、またはフォームボールから動きが記録されるときに、視覚環境をモニタ、複数のスクリーン13、またはプロジェクタ14 にレンダリングするGPUを備えた別個のPCの使用を必要とする。したがって、VR環境を制御、レンダリング、および投影するための結果として得られる装置は、比較的高価で、かさばり、そして煩雑である。さらに、文献中のそのような環境の多くは、コストがかかり、専用のPC上でしか実行できないプロプライエタリソフトウェアを使用して実装されている。
これらの理由から、Raspberry Piシングルボードコンピュータを使用して、頭部拘束マウスの空間学習行動を研究するためのオープンソースVRシステムを設計しました。このLinuxコンピューターは小型で安価でありながら、3Dレンダリング用のGPUチップを搭載しているため、さまざまな個別セットアップでVR環境をディスプレイまたは動作装置と統合できます。さらに、Pythonで記述されたグラフィカルソフトウェアパッケージ「HallPassVR」を開発し、シングルボードコンピュータを利用して、グラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)を使用して選択したカスタム視覚機能を再結合することにより、単純な視空間環境、仮想線形トラックまたは廊下をレンダリングします。これは、マイクロコントローラサブシステム(ESP32やArduinoなど)と組み合わせて、強化学習を促進するための感覚刺激または報酬の他のモダリティの送達などによって、移動を測定し、行動を調整します。このシステムは、空間学習行動の根底にある神経回路を研究するための2光子イメージング(または頭部固定を必要とする他の技術)中に、頭部拘束マウスに視空間VR環境を提供するための安価で柔軟で使いやすい代替方法を提供します。

<table><tbody><tr><td>1/4 インチ 直径 アルミ ロッド</td><td>McMaster-Carr</td><td>9062K26</td><td>3" ホイールアクスル用</td></tr><tr><td>長さ 1/4 インチ -20 キャップ ネジ、3/4 インチ (x2)</td><td></td><td>Amazon.com B09ZNMR41V</td> ヘッド <td>ポスト ホルダーを光学ポストに固定</td></tr><tr><td>2 インチ x7 インチ T スロット アルミニウム バー (x2)</td><td>8020.net</td><td>1020</td><td>ホイール/動物取り付けフレーム</td></tr><tr><td>直径 6 インチ、幅 3 インチ アクリル シリンダー (1/8"厚い)</td><td>カナルプラスチック</td><td>33210090702</td><td>ランニングホイール(カスタム幅 canalplastics.com でカット)</td></tr><tr><td>8-32 x 1/2 "ソケットヘッドネジ</td><td>McMaster-Carr</td><td>92196A194</td><td>固定ヘッドポストホルダーを光学ポスト&nbsp;</td></tr><tr><td>調整可能なアーム(14インチ)</td><td>Amazon.com</td><td>B087BZGKSL</td><td>を保持/調整します リックスパウトを保持/調整します</td></tr><tr><td>分析コード(MATLAB)</td><td></td><td>github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis コードで</td><td>カスタム書かれた</td>ファイル</tr><tr><td>アクスル取り付けフランジ、1/4インチID</td><td>Pololu</td><td>1993</td><td>ホイールツーアクスル</td></tr>ボール<tr><td>ベアリング(5/8インチ外径、1/4インチID、x2)</td><td>McMaster-Carr</td><td>57155K324</td><td>フレームに車輪の車軸を取り付けるため</td></tr><tr><td>ビヘイビアESP32コードの</td><td></td><td>カスタム書き込み</td><td>ファイル github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino コード/ビヘイビアボード</td></tr><tr><td>黒不透明なマットアクリルシート(厚さ1/4インチ)</td><td>カナルプラスチック</td><td></td><td>github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR 32918353422 スクリーンアセンブリのレーザーカットファイル</td></tr><tr><td>クリアアクリルシート(1/4インチ厚)</td><td>カナルプラスチック</td><td></td><td>github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR 32920770574ホイールアセンブリ</td></tr><tr><td>ESP32 devKitC v4(x2)</td><td>Amazon.com</td><td></td><td>動作およびロータリーエンコーダ</td></tr><tr><td>ESP32シールド</td><td>OpenMaze.org</td><td>OMw</td>用のB086YS4Z3Fマイクロコントローラでレーザーカットファイル <td>www.openmaze.org(https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield)で小さな説明。ガーバーファイルをZIPで保存 https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs</td></tr> 留め<tr><td>具とブラケット&nbsp;</td><td>8020.net</td><td>4138、3382,3280</td><td>ホイールフレームマウント</td></tr><tr><td>ゴニオメーター</td><td>エドモンドオプティクス</td><td>66-526、66-527</td><td>動作オプション。イメージング用の微調整</td></tr><tr><td>ヘッドHallPassVRのPythonコード</td><td></td><td>カスタム書き込み</td><td>ファイル github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR</td></tr><tr><td>ヘッドポストホルダー</td><td></td><td>カスタムデザイン</td>、<td>github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ヘッドマウント/ヘッドポストクランプの3Dデザインファイル</td></tr>、<tr><td>LEDプロジェクター</td>、<td>Texas</td><td>Instruments DLPDLCR230NPEVM</td><td>またはその他の小型LED</td></tr><tr><td>プロジェクターLick注ぎ口</td><td>VWR</td><td>20068-638</td><td>(または ~16 G 金属皮下チューブ)</td></tr><tr><td>M 2.5 x 6 止めネジ</td><td>McMaster-Carr</td><td>92015A097</td><td>固定ヘッドポスト&nbsp;</td></tr><tr><td>つや消しの白い拡散紙</td><td>Amazon.com</td><td></td><td>スクリーン素材</td></tr><tr><td>金属ヘッドポスト</td><td>カスタムデザイン</td><td>ヘッドマウント/ヘッドポストデザインの3Dデザイン github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ファイル</td>ウォーターラインを構築するためのその他のチューブとチューブアダプター(1/16インチID) ユーザーの要件に応じた光学ブレッドボードThorlabs <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>光学ポスト、1/2インチ径 (2x)</td><td>Thorlabs</td><td>TR4</td><td>頭部固定セットアップ用</td></tr> 処理<tr><td>コード</td><td></td><td>カスタム書き込み</td><td>ファイル github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing コード</td></tr><tr><td>Raspberry Pi 4B</td><td>raspberry.com、adafruit.com</td><td></td><td>HallPassVR envirのレンダリング用シングルボードコンピュータ。</td></tr><tr><td>頭部固定セットアップ用</td><td>直角クランプ</td><td>Thorlabs</td><td>RA90</td></tr><tr><td>ロータリーエンコーダ(直交、256ステップ)</td><td>DigiKey</td><td>ENS1J-B28-L00256L</td><td>ホイール回転を測定</td></tr><tr><td>ロータリーエンコーダESP32コード</td><td></td>カスタム<td>書き込み</td><td>ファイル github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino コード/ロータリーエンコーダ</td></tr><tr><td>SCIGRIP 10315アクリルセメント</td><td>Amazon.com</td><td></td><td></td></tr><tr><td>シャフトカプ</td><td>ラーMcMaster-Carr</td><td>9861T426</td><td>は、ロータリーエンコーダシャフトを車軸と結合します</td></tr><tr><td>シルバーミラーアクリルシート</td><td>カナルプラスチック</td><td></td><td>32913817934 レーザーカットファイル github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR スクリーンアセンブリで</td></tr><tr><td>ソレノイドバルブ</td><td>パー</td><td>カー003-0137-900</td><td>水報酬を管理します</td></tr></tbody></table>

頭部拘束マウスの空間学習計測のためのオープンソースバーチャルリアリティシステム

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

マウスでの頭部拘束行動実験により、神経科学者は、行動する動物に正確な感覚刺激を与えながら、高解像度の電気生理学的および光学イメージングツールを使用して神経回路の活動を観察できます。近年、バーチャルリアリティ(VR)環境を用いたヒトやげっ歯類の研究により、VRは、空間的・文脈的手がかりなどのパラメータを極めて精密に制御できるため、海馬や皮質の空間学習の根底にある神経メカニズムを明らかにするための重要なツールであることが示されています。ただし、げっ歯類の空間行動のための仮想環境のセットアップにはコストがかかり、エンジニアリングとコンピュータープログラミングの幅広いバックグラウンドが必要になる場合があります。ここでは、研究者がVR環境を使用して頭部拘束マウスの空間学習を研究できるようにする、安価でモジュール化されたオープンソースのハードウェアとソフトウェアに基づくシンプルで強力なシステムを紹介します。このシステムは、結合マイクロコントローラを使用して移動を測定し、行動刺激を提供し、頭拘束マウスは、シングルボードコンピュータ上で動作するグラフィカルソフトウェアパッケージによってレンダリングされる仮想リニアトラック環境と連携して車輪上を走ります。分散処理に重点を置くことで、研究者は、哺乳類の脳における神経回路活動と空間学習との関係を決定するために、マウスの複雑な空間行動を引き出し、測定するための柔軟なモジュラーシステムを設計することができます。

このオープンソースのバーチャルリアリティ行動設定により、頭を拘束されたマウスが仮想リニアトラック環境をナビゲートする際の空間学習の読み取り値として舐め行動を定量化することができました。生後4か月の男女7匹のC57BL/6マウスを制限された水のスケジュールに置き、VRなしでランダムな空間報酬(「ランダムな採餌」)のために車輪の上を走りながら低レベルで継続的に舐めるように最初に訓練されました。2 mのランダムな廊下パターンのVRプロジェクションスクリーンセットアップに移動すると、最初はパフォーマンスが影響を受けましたが、数回のVRセッションで以前のレベルに戻りました(図4A)。VRでランダムな採餌戦略を開発したマウス(7匹のマウスのうち6匹、86%、1匹のマウスは一貫して走れず除外されました)は、水の報酬を受け取るために、他の点では特徴のない2 mの仮想トラックの真ん中にある単一の視覚的な場所の手がかりに続いて、0.5 mのキューのないオペラント報酬ゾーンをなめる必要がありました(「隠された報酬タスク」)。このシステムの現在のパイロットデータによると、7匹のマウスのうち4匹(57%...

ここでは、仮想現実(VR)を使用してマウス空間学習を調査するための簡略化されたオープンソースのハードウェアとソフトウェアのセットアップを紹介します。このシステムは、マイクロコントローラのネットワークと使いやすいPythonグラフィカルソフトウェアパッケージを実行するシングルボードコンピュータを利用して、車輪の上で動作するヘッド拘束マウスに仮想リニアトラックを表示します。

Head-restrained behavioral experiments in mice allow neuroscientists to observe neural circuit activity with high-resolution electrophysiological and ...

このオープンソースのバーチャルリアリティシステムは、研究者がシンプルなモジュラー電子セットアップを使用して、頭を拘束されたマウスに一貫した空間刺激のセットを提示できるため、脳内の空間学習の研究にとって重要なツールです。このシステムの利点は、安価でセットアップが簡単で、コンパクトでモジュール式であるため、トレーニング用の複数の行動設定を構築したり、既存の頭を拘束した行動設定と統合したりできることです。このシステムは、空間学習や頭部拘束マウスの測定に最適ですが、人間の心理物理学や神経イメージングなど、他の種や準備での実験のための視覚的バーチャルリアリティ環境も同様に提供できます。この手順を実演するのは、私たちの研究室の研究助手であるカーラ・ディアスとハンナ・チャンです。まず、ロータリーエンコーダーコンポーネントとロータリーESP32の間のワイヤーを接続します。ロータリーエンコーダーには通常、プラス、GND、A、およびBの4本のワイヤがあり、ジャンパー線を介してこれらをESP32、3 0.3ボルト、GND 25および26ピンに接続します。シリアルRX / TXワイヤをロータリーESP32とビヘイビアESP32の間に接続します。ロータリーESP32、シリアル0 RX / TXと動作ESP2のシリアル32ポートの間に単純な2線接続を行います。ロータリーESP32とシングルボードコンピューターのGPIOまたは直接USB接続の間にシリアルRX / TXワイヤを接続します。シングルボードコンピュータのGPIOピン14、15、RX / TXとロータリーESP32、シリアル2、TX / RXピン1716の間に2線接続を行います。次に、ロータリーESP32 USBをシングルボードコンピューターのUSBに接続して、最初のロータリーエンコーダコードをアップロードします。12ボルトの液体ソレノイドバルブをOMW小型PCBの左端にあるULN2803IC出力に接続し、リックポートをESP32タッチ入力に接続します。USBをシングルボードコンピューターのUSBポートに接続して、さまざまな実験パラダイムの新しいプログラムを動作ESP32にアップロードし、付属の処理スケッチを使用して動作データをキャプチャします。次に、12ボルトのDCウォールアダプターを、動作ESP2.1 OMW小型PCBの32ミリメートルバレルジャックコネクタに接続して、報酬ソレノイドバルブに電力を供給します。シングルボードコンピュータのHDMI 2出力をプロジェクターのHDMIポートに接続します。これにより、シングルボードコンピューターGPUによってレンダリングされたグラフィカルソフトウェア環境が投影スクリーンに運ばれます。シングルボードコンピューターでターミナルウィンドウを開き、ホールパスVRフォルダーに移動します。指定されたバーチャルリアリティまたはVRグラフィカルユーザーインターフェイスまたはGUIを実行して、GUIウィンドウを開きます。トラックに沿った 3 つのパターンのそれぞれについて、リスト ボックスから 4 つの要素を選択して追加し、[生成] をクリックします。ドロップダウンメニューから[床と天井の画像]を選択し、このコード例ではトラックの長さを2メートルに設定します。必要に応じて、このパターンに名前を付けます。[スタート]ボタンをクリックし、VRウィンドウが起動するまで待ってから、他の場所をクリックします。グラフィカルソフトウェア環境が画面2に表示されます。処理スケッチを実行して、動作データの動きを取得してプロットします。処理中の IDE で、指定されたコマンドを開きます。動物をマウス番号変数に変更し、セッション分を行動セッションの長さ(分単位)と等しく設定します。処理中の IDE の [実行] ボタンをクリックします。ホイールが30秒ごとに更新されるリック、ラップ、報酬のヒストグラムとともに回転すると、仮想線形トラック上の現在のマウス位置を示す処理プロットウィンドウを確認します。ランニングホイールを手で進めて、テスト用のマウスの実行をシミュレートするか、初期設定にテストマウスを使用します。プロットウィンドウをクリックし、キーボードのQキーを押して、行動データの取得を停止します。動作イベントと時間のテキストファイルとPNGの最終プロットウィンドウの画像は、セッション分が経過するか、ユーザーがQキーを押して終了したときに保存されます。非オペラント報酬によるランダム鍛造の場合は、任意の視覚要素のパスを使用してグラフィカルソフトウェアGUIプログラムを実行します。次に、複数の非オペラント報酬を備えた動作プログラムを動作ESP32にアップロードして、マウスを実行してなめるように調整します。マウスを頭固定装置にそっと置き、舐め口をマウスの口のすぐ前の位置に調整し、マウスホイールを投影スクリーンゾーンの中央に配置します。処理スケッチで動物の名前を設定し、処理IDEで[実行]を押して、行動データの取得とプロットを開始します。マウスがセッションごとに少なくとも20周実行されるまで、20〜30分のセッションでマウスを実行し、ランダムな場所で提示される報酬をなめます。交互のラップでオペラント報酬を使用してランダムに採餌するには、交互オペラントが1に等しい動作プログラムをアップロードし、非オペラント報酬ゾーンとオペラント報酬ゾーンの両方をなめるまでマウスをトレーニングします。完全にオペラントランダム採餌を行うには、4つのオペラントランダム報酬ゾーンを含む行動プログラムをアップロードし、トラックに沿って一貫して報酬を得るまでマウスをトレーニングします。次に空間学習を行うには、中央に1つの視覚的な手がかりがある暗い廊下の経路でグラフィカルソフトウェアプログラムを実行します。次に、単一の隠された報酬ゾーンを持つ行動プログラムを行動ESP32にアップロードします。マウスを 30 分間実行し、1 つの非表示の報酬ゾーンと 1 つのビジュアル キュー VR 廊下を使用し、前述のようにセッション中にデータをキャプチャします。加工スケッチフォルダからtxtデータファイルをダウンロードし、行動データを解析することで、空間学習の指標としての空間選択的舐めの出現を観察します。グラフィカルソフトウェア環境を使用した空間学習を示します。ランダムな採餌に関するトレーニングの段階を通じて、マウスは車輪の上を走り、低レベルでトラックに沿って一貫して舐めることを学び、その後、空間学習を示すために単一の隠された報酬の場所に切り替えられました。この研究では、7匹のマウスのうち4匹が、選択性を高めながら報酬ゾーンの近くを舐めることによって示されるように、2〜4回のセッションで単一の視覚的手がかりで隠された報酬タスクを学習しました。さらに、マウスは、セッション内およびセッション間の学習の両方で実質的なものを示した。2日目の1周あたりの空間舐めは、報酬ゾーンの前に舐めが増加し、他の場所での舐めが減少し、空間的に特異的な予測舐めの発達を示しました。システムを使用するときに覚えておくべき主なことは、マウスはランニングホイールで強化されて快適な場合にのみうまく機能するということです。したがって、水は動物を適切に制限し、優しく扱い、投影画面を見ながら走るのに最適な頭の拘束位置を確保します。神経科学の研究者は、このオープンソースのVRシステムをin vivoイメージングまたは電気生理学と組み合わせて、脳内の空間学習の基礎となるニューロン回路を調査できます。このオープンソースVRシステムのシンプルさにより、研究者はシステムをさまざまなニューロレコーディングセットアップに統合できるようになると考えています。VR環境での空間刺激の正確な制御により、研究者は空間学習に対する特定のニューロン回路の寄与を調べることができます。

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

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学ぶ 頭部拘束マウスの空間学習を測定するオープンソースVRシステム。マイクロコントローラとシングルボードコンピュータを用い、仮想線形トラック上での行動を追跡し、報酬との位置関連付けを評価できます。

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