Um Sistema de Realidade Virtual de Código Aberto para a Medição da Aprendizagem Espacial em Camundongos Contidos na Cabeça

Este sistema de realidade virtual de código aberto é uma ferramenta importante para o estudo da aprendizagem espacial no cérebro, pois permite que os pesquisadores apresentem um conjunto consistente de estímulos espaciais a um mouse com a cabeça contida usando uma configuração eletrônica modular simples. A vantagem desse sistema é que ele é barato, fácil de configurar, compacto e modular, o que permite a construção de várias configurações comportamentais para treinamento e integração com configurações comportamentais existentes com restrição de cabeça. Este sistema é ideal para medir o aprendizado espacial e camundongos com a cabeça contida, no entanto, é igualmente capaz de fornecer ambientes de realidade virtual visual para experimentos em outras espécies e preparações, incluindo psicofísica humana e neuroimagem.

Quem demonstrará esse procedimento será Carla Diaz e Hannah Chung, assistentes de pesquisa em nosso laboratório. Para começar, conecte os fios entre o componente codificador rotativo e o ESP32 rotativo. Os encoders rotativos geralmente têm quatro fios, positivo, GND, A e B.Conecte-os através de fios jumper aos pinos ESP32, 3 0,3 volts, GND 25 e 26.

Conecte os fios RX/TX seriais entre o ESP32 rotativo e o comportamento ESP32. Faça uma conexão simples de dois fios entre o rotativo ESP32, Serial0 RX/TX e a porta Serial2 do comportamento ESP32. Conecte os fios RX/TX seriais entre o ESP32 rotativo e o GPIO do computador de placa única ou conexão USB direta.

Faça uma conexão de dois fios entre os pinos GPIO do computador de placa única, 14, 15, RX/TX, e os pinos rotativos ESP32, Serial2, TX/RX 1716. Em seguida, conecte o USB rotativo ESP32 ao USB do computador de placa única para carregar o código do codificador rotativo inicial. Conecte a válvula solenoide líquida de 12 volts à saída ULN2803 IC na extremidade esquerda da pequena PCB OMW, conecte a porta de lambida à entrada de toque ESP32.

Conecte o USB à porta USB do computador de placa única para carregar novos programas para o comportamento ESP32 para diferentes paradigmas experimentais e para capturar dados de comportamento usando o esboço de processamento incluído. Em seguida, conecte o adaptador de parede DC de 12 volts ao conector de conector de barril de 2,1 milímetros na PCB pequena ESP32 OMW para fornecer a energia para a válvula solenoide de recompensa. Conecte a saída HDMI dois do computador de placa única à porta HDMI do projetor.

Isso levará o ambiente de software gráfico renderizado pela GPU do computador de placa única para a tela de projeção. Abra a janela do terminal no computador de placa única e navegue até a pasta Hall Pass VR. Execute a interface gráfica do usuário ou GUI de realidade virtual ou VR indicada para abrir a janela da GUI.

Selecione e adicione quatro elementos da caixa de listagem para cada um dos três padrões ao longo da faixa e, em seguida, clique em Gerar. Selecione Imagens de piso e teto nos menus suspensos e defina o comprimento da faixa como dois metros para este código de exemplo. Nomeie esse padrão, se desejar.

Clique no botão Iniciar e aguarde até que a janela VR seja iniciada antes de clicar em outro lugar. O ambiente gráfico do software aparecerá na tela dois. Execute o esboço de processamento para adquirir e plotar o movimento de dados comportamentais.

Abra o comando indicado no IDE de processamento. Altere o animal para a variável número do mouse e defina minutos de sessão iguais à duração da sessão comportamental em minutos. Clique no botão Executar no IDE de processamento.

Verifique a janela de gráfico de processamento que deve mostrar a posição atual do mouse na pista linear virtual enquanto a roda gira junto com as zonas de recompensa e histogramas de execução das lambidas, voltas e recompensas, atualizados a cada 30 segundos. Avançar o volante manualmente para simular o mouse em execução para teste ou use um mouse de teste para a configuração inicial. Clique na janela de plotagem e pressione a tecla Q no teclado para parar de adquirir dados comportamentais.

Um arquivo de texto dos eventos e horários comportamentais e uma imagem da janela de plotagem final no PNG são salvos quando os minutos da sessão se esgotam ou o usuário pressiona a tecla Q para sair. Para forjamento aleatório com recompensas não operantes, execute o programa gráfico GUI do software com um caminho de elementos visuais arbitrários. Em seguida, carregue o programa de comportamento para o comportamento ESP32 com várias recompensas não operantes para condicionar o mouse a executar e lamber.

Coloque suavemente o mouse no aparelho de fixação da cabeça, ajuste o bico de lambida para um local imediatamente anterior à boca do mouse e posicione a roda do mouse no centro da zona da tela de projeção. Defina o nome do animal no esboço de processamento e pressione Executar no IDE de processamento para começar a adquirir e plotar os dados comportamentais. Execute o mouse em sessões de 20 a 30 minutos até que o mouse corra por pelo menos 20 voltas por sessão e lamba as recompensas apresentadas em locais aleatórios.

Para forrageamento aleatório com recompensas operantes em voltas alternadas, carregue o programa de comportamento com operante alternado igual a um e treine o mouse até que ele lamba para zonas de recompensa não operantes e operantes. Para forrageamento aleatório totalmente operante, carregue o programa de comportamento com quatro zonas de recompensa aleatórias operantes e treine o mouse até que ele lamba para obter recompensas consistentemente ao longo da pista. Em seguida, para o aprendizado espacial, execute o programa de software gráfico com um caminho de um corredor escuro com uma única pista visual no centro.

Em seguida, carregue o programa de comportamento com uma única zona de recompensa oculta para o comportamento ESP32. Deixe o mouse funcionar por sessões de 30 minutos com uma única zona de recompensa oculta e um único corredor de RV de pista visual e capture dados durante a sessão, conforme descrito anteriormente. Faça o download do arquivo de dados txt da pasta de esboço de processamento e analise os dados comportamentais para observar o surgimento da lambedura espacialmente seletiva como um indicador de aprendizagem espacial.

A aprendizagem espacial usando o ambiente gráfico de software é mostrada aqui. Através de estágios progressivos de treinamento em forrageamento aleatório, os ratos aprenderam a correr na roda e lamber consistentemente ao longo da pista em níveis baixos antes de serem trocados para um único local de recompensa oculto para mostrar o aprendizado espacial. Neste estudo, quatro dos sete ratos aprenderam a tarefa de recompensa oculta com uma única pista visual em duas a quatro sessões, como mostrado por sua lambida perto da zona de recompensa com seletividade crescente.

Além disso, os ratos exibiram tanto substancial dentro da sessão quanto entre a sessão de aprendizagem. As lambidas espaciais por volta no segundo dia mostraram aumento da lambida antes da zona de recompensa e diminuição da lambida em outros locais, indicando o desenvolvimento de lambedura antecipatória espacialmente específica. A principal coisa a lembrar ao usar o sistema é que os mouses só terão um bom desempenho se reforçados e confortáveis no volante.

Portanto, a água restrinja os animais adequadamente, manuseie-os suavemente e garanta que a posição de contenção da cabeça seja ideal para correr enquanto visualiza a tela de projeção. Um pesquisador de neurociência pode combinar este sistema de RV de código aberto com imagens in vivo ou eletrofisiologia para investigar circuitos de neurônios subjacentes ao aprendizado espacial no cérebro. Acreditamos que a simplicidade deste sistema de RV de código aberto permitirá que os pesquisadores integrem o sistema em diversas configurações de gravação neuro.

O controle preciso sobre os estímulos espaciais no ambiente de RV permitirá que os pesquisadores examinem as contribuições de circuitos neurais específicos para a aprendizagem espacial.