Kafası kısıtlanmış farelerde uzamsal öğrenmenin ölçülmesi için açık kaynaklı bir sanal gerçeklik sistemi

Summary

Burada, sanal gerçeklik (VR) kullanarak fare uzamsal öğrenimini araştırmak için basitleştirilmiş bir açık kaynaklı donanım ve yazılım kurulumu sunuyoruz. Bu sistem, bir mikrodenetleyici ağı ve kullanımı kolay bir Python grafik yazılım paketi çalıştıran tek kartlı bir bilgisayar kullanarak bir tekerlek üzerinde çalışan kafası kısıtlanmış bir fareye sanal bir doğrusal iz görüntüler.

Abstract

Farelerde kafa kısıtlı davranışsal deneyler, sinirbilimcilerin yüksek çözünürlüklü elektrofizyolojik ve optik görüntüleme araçlarıyla sinir devresi aktivitesini gözlemlemelerini sağlarken, davranan bir hayvana hassas duyusal uyaranlar sağlar. Son zamanlarda, sanal gerçeklik (VR) ortamlarını kullanan insan ve kemirgen çalışmaları, VR'nin, mekansal ve bağlamsal ipuçları gibi parametreler üzerinde son derece hassas kontrol nedeniyle, hipokampus ve kortekste mekansal öğrenmenin altında yatan nöral mekanizmaları ortaya çıkarmak için önemli bir araç olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, kemirgen mekansal davranışları için sanal ortamlar kurmak maliyetli olabilir ve mühendislik ve bilgisayar programlamada kapsamlı bir arka plan gerektirir. Burada, araştırmacıların bir VR ortamı kullanarak kafası kısıtlanmış farelerde mekansal öğrenmeyi incelemelerini sağlayan ucuz, modüler, açık kaynaklı donanım ve yazılıma dayanan basit ama güçlü bir sistem sunuyoruz. Bu sistem, hareketi ölçmek ve davranışsal uyaranlar vermek için birleştirilmiş mikrodenetleyiciler kullanırken, kafası kısıtlanmış fareler, tek kartlı bir bilgisayarda çalışan bir grafik yazılım paketi tarafından oluşturulan sanal bir doğrusal iz ortamıyla uyum içinde bir tekerlek üzerinde çalışır. Dağıtılmış işlemeye yapılan vurgu, araştırmacıların memeli beynindeki nöral devre aktivitesi ile mekansal öğrenme arasındaki bağlantıyı belirlemek için farelerde karmaşık mekansal davranışları ortaya çıkarmak ve ölçmek için esnek, modüler sistemler tasarlamalarına olanak tanır.

Introduction

Mekansal navigasyon, hayvanların yeni yerlerin özelliklerini olası ödül alanlarını bulmak ve potansiyel tehlike alanlarından kaçınmak için kullanılan bilişsel bir haritaya kodladığı etolojik olarak önemli bir davranıştır. Hafıza ile ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olan uzamsal navigasyonun altında yatan bilişsel süreçler, hipokampus¹ ve kortekste bir nöral substratı paylaşır; burada bu alanlardaki nöral devreler gelen bilgileri bütünleştirir ve daha sonra hatırlamak için ortamların ve olayların bilişsel haritalarını oluşturur². Hipokampus ^3,4'teki yer hücrelerinin

Protocol

Bu protokoldeki tüm prosedürler New York Eyalet Psikiyatri Enstitüsü Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi tarafından onaylanmıştır.

NOT: Tek kartlı bir bilgisayar, kafası kısıtlanmış bir farenin tekerlek üzerinde çalışmasıyla koordine edilmiş bir VR görsel ortamını görüntülemek için kullanılır. Hareket bilgileri, tekerlek aksına bağlı döner bir kodlayıcıyı okuyan bir ESP32 mikrodenetleyicisinden seri giriş olarak alınır. VR ortamı, Raspberry Pi için pi3d Python 3D paketini kullanan Raspberry Pi GPU'daki OpenGL donanım hızlandırma kullanılarak oluşturulur. İşlenen ortam daha sonra bir projektör aracılığıyla, kafası kısıtlanm....

Results

Bu açık kaynaklı sanal gerçeklik davranış kurulumu, yalama davranışını, kafası kısıtlanmış fareler sanal bir doğrusal iz ortamında gezinirken mekansal öğrenmenin bir okuması olarak ölçmemize izin verdi. 4 aylıkken her iki cinsiyetten yedi C57BL / 6 fare, sınırlı bir su programına yerleştirildi ve ilk önce VR olmadan rastgele mekansal ödüller ("rastgele yiyecek arama") için direksiyonda koşarken düşük seviyelerde sürekli yalamak üzere eğitildi. Performansları başlangıçta 2 m rastgele koridor desenine sahip VR projeksiyon .......

Discussion

Fareler için bu açık kaynaklı VR sistemi, yalnızca döner ve davranışlı ESP32 mikrodenetleyicileri ile IDE seri monitörü (adım 2.4.5) kullanılarak doğrulanabilen tek kartlı bilgisayar (adım 2) arasında seri bağlantılar düzgün bir şekilde yapılırsa çalışacaktır. Bu protokolden başarılı davranışsal sonuçlar elde etmek için (adım 4), fareler cihaza alışmalı ve sıvı ödüller için direksiyonda rahatça çalışmalıdır (adım 4.3-4.5). Bu, yeterli (ancak aşırı olmayan) su kısıtlaması gerektirir, çünkü ev kafesinde ad libitum.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4 " çap alüminyum çubuk	McMaster-Carr	9062K26	3" uzunluk tekerlek aksı için
1/4"-20 kapak vidaları, 3/4" uzunluğunda (x2)	Amazon.com	B09ZNMR41V	Baş direği tutucularını optik direklere takmak için
2" x7" T-oluklu alüminyum çubuk (x2)	8020.net	1020	tekerlek/hayvan montaj çerçevesi
6" çap, 3" genişliğinde akrilik silindir (1/8" kalın)	Kanal Plastikleri	33210090702	Koşu tekerleği (canalplastics.com'de kesilmiş özel genişlik
8-32 x 1/2 "soket başlı vidalar	McMaster-Carr	92196A194	kafa direği tutucusunu optik direğe sabitleme
Ayarlanabilir kol (14 inç), Amazon.com	yalama musluğunu tutmak/ayarlamak için		B087BZGKSL
Analiz kodu (MATLAB)		github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis kodunda	özel yazılı
Aks montaj flanşı, 1/4" ID	Pololu	1993	tekerleği aksa monte etmek için
Bilyalı rulman (5/8" OD, 1/4" ID, x2)	McMaster-Carr	57155K324	tekerlek aksını çerçeveye monte etmek için
Davranış ESP32 kodu		github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino kodunda / Davranış kartında	özel yazılmış
Siyah opak mat akrilik levhalar (1/4" kalınlığında)	Kanal Plastikleri	32918353422	github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ekran montajında lazer kesim dosya
Şeffaf akrilik levha (1/4" kalınlığında)	Kanal Plastikleri	32920770574	tekerlek aksamında lazer kesim dosyası github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR
ESP32 devKitC v4 (x2)	Amazon.com		davranış için B086YS4Z3F mikrodenetleyici ve döner kodlayıcı
ESP32 kalkanı	OpenMaze.org	OMwSmall	açıklaması www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). ZIP gerber dosyaları: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs
Bağlantı elemanları ve braketler	8020.net	4138, 3382,3280	tekerlek çerçevesi montajları için
gonyometreler	Edmund Optics	66-526, 66-527	davranış için isteğe bağlı.
HallPassVR python kodunu		github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR'da	özel yazılmış
Baş direk tutucu		özel tasarım	, github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR kafa montajında 3D tasarım dosyası, Kelepçe
LED projektör	Texas Instruments	DLPDLCR230NPEVM	veya diğer küçük LED projektör
Lick emzik	VWR	20068-638	(veya ~ 16 G metal hipodermik boru)
M 2.5 x 6 ayar vidaları	McMaster-Carr	92015A097	sabitleme baş direği
Mat beyaz difüzyon kağıdı	Amazon.com		ekran malzemesi
Metal başlık direkleri		özel tasarım	github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR kafa montajında 3D tasarım dosyası / kafa direği tasarımları
hattını oluşturmak için	çeşitli boru ve boru adaptörleri (1/16 "ID)
Optik breadboard	Thorlabs	kullanıcının gereksinimlerine göre
Optik direkler, 1/2" çap (2x)	Kafa sabitleme kurulumu için	Thorlabs	TR4
İşleme kodu		github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing kodunda	özel yazılmış
Raspberry Pi 4B	raspberry.com, adafruit.com		HallPassVR ortamının oluşturulması için tek kartlı bilgisayar.
Kafa sabitleme kurulumu için	dik açılı kelepçe	Thorlabs	RA90
Döner kodlayıcı (dörtlü, 256 adımlı)	Tekerlek dönüşünü ölçmek için	DigiKey	ENS1J-B28-L00256L
Döner kodlayıcı ESP32 kodu		özel yazılmış	dosya / Döner kodlayıcı
SCIGRIP 10315 akrilik çimento	Amazon.com
Şaft kuplörü	McMaster-Carr	9861T426	döner enkoder milini aksla birleştirmek için
Gümüş ayna akrilik levhalar	Kanal Plastikleri	32913817934	github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR ekran montajında lazer kesim eğesi
Solenoid valf	Parker	003-0137-900	su ödüllerini yönetmek için