Method Article

System rzeczywistości wirtualnej typu open source do pomiaru uczenia się przestrzennego u myszy z unieruchomioną głową

DOI:

10.3791/64863

⸱

March 3rd, 2023

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

In This Article

Summary

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

Tutaj prezentujemy uproszczoną konfigurację sprzętu i oprogramowania open-source do badania uczenia przestrzennego myszy za pomocą wirtualnej rzeczywistości (VR). System ten wyświetla wirtualną ścieżkę liniową do myszy z ograniczeniem głowy działającej na kole, wykorzystując sieć mikrokontrolerów i komputer jednopłytkowy z łatwym w użyciu pakietem oprogramowania graficznego Python.

Abstract

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

Eksperymenty behawioralne na myszach pozwalają neurobiologom obserwować aktywność obwodów nerwowych za pomocą narzędzi do obrazowania elektrofizjologicznego i optycznego o wysokiej rozdzielczości, dostarczając jednocześnie precyzyjnych bodźców sensorycznych zachowującemu się zwierzęciu. Niedawne badania na ludziach i gryzoniach z wykorzystaniem środowisk rzeczywistości wirtualnej (VR) wykazały, że VR jest ważnym narzędziem do odkrywania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw uczenia się przestrzennego w hipokampie i korze mózgowej, ze względu na niezwykle precyzyjną kontrolę nad parametrami, takimi jak wskazówki przestrzenne i kontekstowe. Tworzenie wirtualnych środowisk dla zachowań przestrzennych gryzoni może być jednak kosztowne i wymagać rozległego doświadczenia w zakresie inżynierii i programowania komputerowego. Tutaj prezentujemy prosty, ale potężny system oparty na niedrogim, modułowym sprzęcie i oprogramowaniu typu open source, który umożliwia naukowcom badanie uczenia się przestrzennego u myszy z ograniczoną głową za pomocą środowiska VR. System ten wykorzystuje sprzężone mikrokontrolery do pomiaru lokomocji i dostarczania bodźców behawioralnych, podczas gdy myszy z krępowaną głową biegają na kole w zgodzie z wirtualnym środowiskiem toru liniowego renderowanym przez graficzny pakiet oprogramowania działający na komputerze jednopłytkowym. Nacisk na przetwarzanie rozproszone pozwala naukowcom projektować elastyczne, modułowe systemy do wywoływania i mierzenia złożonych zachowań przestrzennych u myszy w celu określenia związku między aktywnością obwodów neuronalnych a uczeniem się przestrzennym w mózgu ssaków.

Introduction

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

Nawigacja przestrzenna to etologicznie ważne zachowanie, za pomocą którego zwierzęta kodują cechy nowych miejsc na mapie kognitywnej, która służy do znajdowania obszarów możliwej nagrody i unikania obszarów potencjalnego niebezpieczeństwa. Nierozerwalnie związane z pamięcią, procesy poznawcze leżące u podstaw nawigacji przestrzennej mają wspólne podłoże neuronalne w hipokampie1 i korze mózgowej, gdzie obwody neuronalne w tych obszarach integrują napływające informacje i tworzą mapy poznawcze środowisk i zdarzeń do późniejszego przywołania2. Podczas gdy odkrycie komórek miejsca w hipokampie3,<....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Wszystkie procedury w tym protokole zostały zatwierdzone przez Instytucjonalną Komisję ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Instytutu Psychiatrycznego Stanu Nowy Jork.

UWAGA: Komputer jednopłytkowy służy do wyświetlania środowiska wizualnego VR skoordynowanego z uruchamianiem myszy z ograniczeniem głowy na kółku. Informacja o ruchu jest odbierana jako szeregowe wejście z mikrokontrolera ESP32 odczytującego enkoder obrotowy sprzężony z osią koła. Środowisko VR jest renderowane przy użyciu akceleracji sprzętowej OpenGL na procesorze graficznym Raspberry Pi, który wykorzystuje pakiet pi3d Python 3D dla Raspberry Pi. Wyrenderowane środowisko jest ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Ten otwarty zestaw behawioralny wirtualnej rzeczywistości pozwolił nam określić ilościowo zachowanie lizania jako odczyt uczenia przestrzennego, gdy myszy z krępowaną głową poruszały się po wirtualnym środowisku liniowym. Siedem myszy C57BL/6 obojga płci w wieku 4 miesięcy umieszczono w ograniczonym harmonogramie nawadniania i najpierw przeszkolono do ciągłego lizania na niskich poziomach podczas biegania na kole w celu uzyskania losowych nagród przestrzennych ("losowe żerowanie") bez VR. Chociaż ich wydajność początkowo.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Ten system VR o otwartym kodzie źródłowym dla myszy będzie działał tylko wtedy, gdy połączenia szeregowe zostaną prawidłowo wykonane między mikrokontrolerami obrotowymi i behawioralnymi ESP32 a komputerem jednopłytkowym (krok 2), co można potwierdzić za pomocą monitora szeregowego IDE (krok 2.4.5). Aby uzyskać pomyślne wyniki behawioralne z tego protokołu (krok 4), myszy muszą być przyzwyczajone do aparatu i czuć się komfortowo biegając na kole w celu uzyskania płynnych nagród (kroki 4.3-4.5). Wymaga to wystarczającego (.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Clay Lacefield jest założycielem i opiekunem firmy OpenMaze.org, która udostępnia projekty płytek PCB OMwSmall używanych w tym protokole do bezpłatnego pobrania.

Acknowledgements

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

Chcielibyśmy podziękować Noah Pettitowi z laboratorium Harveya za dyskusję i sugestie podczas opracowywania protokołu w tym rękopisie. Praca ta została wsparta nagrodą BBRF Young Investigator Award i NIMH 1R21MH122965 (G.F.T.), a także NINDS R56NS128177 (R.H., C.L.) i NIMH R01MH068542 (R.H.).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Pręt aluminiowy o średnicy 1/4 "McMaster-Carr9062K263" długości do osi koła
1/4"-20 z walcowym, 3/4" długości (x2)Amazon.comB09ZNMR41Vdo mocowania uchwytów słupków głowicy do słupków optycznych
Aluminiowy pręt 2"x7" z rowkiem T (x2)8020.net1020Rama montażowa koła/zwierzęcia
Średnica 6", szerokość 3" Cylinder akrylowy (1/8" gruby)Canal Plastics33210090702Koło jezdne (niestandardowa szerokość cięta na canalplastics.com)
z gniazdowym 8-32 x 1/2"McMaster-Carr92196A194mocujący słupek głowicy do słupka optycznego 
Regulowane ramię (14")Amazon.comB087BZGKSLdo przytrzymania/regulacji wylewki lizawki
Kod analizy (MATLAB)niestandardowyplik zapisany w kodzie github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis
Kołnierz montażowy osi, 1/4" IDPololu1993do montażu koła do osi
Łożysko kulkowe (5/8" OD, 1/4" ID, x2)McMaster-Carr57155K324do montażu osi koła do ramy
Kod Behavior ESP32niestandardowyplik napisany w kodzie github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino / tablicy zachowań
Czarne nieprzezroczyste matowe arkusze akrylowe (grubość 1/4 ")Canal Plastics32918353422laserowo wycięty plik przy montażu ekranu github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
Przezroczysty arkusz akrylowy (grubość 1/4 "),Canal Plastics32920770574laserowo wycięty plik w github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR zespół koła
ESP32 devKitC v4 (x2)Amazon.comB086YS4Z3Fmikrokontroler do zachowania i enkoder obrotowy
ESP32 shieldOpenMaze.orgOMwSmallopis na www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). Pliki gerber ZIP w: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Łączniki i wsporniki 8020.net4138, 3382,3280do montażu ramy koła
Edmund Optics66-526, 66-527opcjonalnie dla zachowania. Głowica dostrajająca do obrazowania
Pythona HallPassVRniestandardowyplik napisany w github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR
Uchwytniestandardowyprojekt Plik projektu 3D na github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR montażu na głowie / zacisku na słupku
Projektor LEDTexasInstruments DLPDLCR230NPEVMlub inny mały projektor LED
Lick wylewkaVWR20068-638(lub ~16 G metalowa rurka podskórna)
M 2,5 x 6 dociskoweMcMaster-Carr92015A097zabezpieczające słupek głowicy 
Matowy biały papier dyfuzyjnyAmazon.commateriał ekranu
Metalowe słupkizamówienie Plikprojektu 3D na github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR Projekty montażu na głowicy/słupka głowicy
Różne rurki i adaptery do rurek (1/16" ID)do budowy linii wodnej
Optyczna płytka stykowaThorlabszgodnie z wymaganiami użytkownika
Słupki optyczne, średnica 1/2" (2x)ThorlabsTR4do ustawiania mocowania głowy
Kod przetwarzanianiestandardowy plik napisanyw kodzie
github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing Raspberry Pi 4Braspberry.com, adafruit.comKomputer jednopłytkowy do renderowania środowiska HallPassVR.
Zacisk kątowyThorlabsRA90do ustawiania mocowania głowicy
Enkoder obrotowy (kwadratura, 256 kroków)DigiKeyENS1J-B28-L00256Ldo pomiaru obrotów koła
Enkoder obrotowy ESP32 kodniestandardowy plik zapisanyw kodzie github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino/Enkoder obrotowy
SCIGRIP 10315 cement akrylowyAmazon.com
Łącznik wałuMcMaster-Carr9861T426do sprzężenia wału enkodera obrotowego z osią
Srebrne lustrzane arkusze akryloweCanal Plastics32913817934laserowo wycięty plik przy montażu ekranu github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
Zawór elektromagnetycznyParker003-0137-900do podawania nagród wodnych
dla goniometrów , Kod na słupek głowy na

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lisman, J., et al. Viewpoints: How the hippocampus contributes to memory, navigation and cognition. Nature Neuroscience. 20 (11), 1434-1447 (2017).
  2. Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhin....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Virtual Reality SystemSpatial LearningHead Restrained MiceOpen Source HardwareBehavioral ExperimentsNeural Circuit ActivityLocomotion MeasurementVisual StimuliSingle Board ComputerReward Conditioning

Related Articles