हेड-संयमित चूहों में स्थानिक सीखने के माप के लिए एक ओपन-सोर्स वर्चुअल रियलिटी सिस्टम
Summary
यहां, हम आभासी वास्तविकता (वीआर) का उपयोग करके माउस स्थानिक सीखने की जांच के लिए एक सरलीकृत ओपन-सोर्स हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर सेटअप प्रस्तुत करते हैं। यह प्रणाली माइक्रोकंट्रोलर के नेटवर्क और एक एकल-बोर्ड कंप्यूटर का उपयोग करके एक पहिया पर चलने वाले सिर-संयमित माउस के लिए एक आभासी रैखिक ट्रैक प्रदर्शित करती है जो उपयोग में आसान पायथन ग्राफिकल सॉफ्टवेयर पैकेज चलाती है।
Abstract
चूहों में सिर-संयमित व्यवहार प्रयोग न्यूरोसाइंटिस्टों को एक व्यवहार करने वाले जानवर को सटीक संवेदी उत्तेजना प्रदान करते हुए उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल और ऑप्टिकल इमेजिंग टूल के साथ तंत्रिका सर्किट गतिविधि का निरीक्षण करने की अनुमति देते हैं। हाल ही में, आभासी वास्तविकता (वीआर) वातावरण का उपयोग करके मानव और कृंतक अध्ययनों ने वीआर को हिप्पोकैम्पस और कॉर्टेक्स में स्थानिक सीखने के अंतर्निहित तंत्रिका तंत्र को उजागर करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण के रूप में दिखाया है, क्योंकि स्थानिक और प्रासंगिक संकेतों जैसे मापदंडों पर बेहद सटीक नियंत्रण है। कृंतक स्थानिक व्यवहार के लिए आभासी वातावरण स्थापित करना, हालांकि, महंगा हो सकता है और इंजीनियरिंग और कंप्यूटर प्रोग्रामिंग में व्यापक पृष्ठभूमि की आवश्यकता होती है। यहां, हम सस्ती, मॉड्यूलर, ओपन-सोर्स हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर के आधार पर एक सरल लेकिन शक्तिशाली प्रणाली प्रस्तुत करते हैं जो शोधकर्ताओं को वीआर वातावरण का उपयोग करके सिर-संयमित चूहों में स्थानिक सीखने का अध्ययन करने में सक्षम बनाता है। यह प्रणाली हरकत को मापने और व्यवहार संबंधी उत्तेजनाओं को वितरित करने के लिए युग्मित माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करती है, जबकि सिर-संयमित चूहे एकल-बोर्ड कंप्यूटर पर चलने वाले ग्राफिकल सॉफ्टवेयर पैकेज द्वारा प्रदान किए गए आभासी रैखिक ट्रैक वातावरण के साथ मिलकर एक पहिया पर दौड़ते हैं। वितरित प्रसंस्करण पर जोर शोधकर्ताओं को स्तनधारी मस्तिष्क में तंत्रिका सर्किट गतिविधि और स्थानिक सीखने के बीच संबंध निर्धारित करने के लिए चूहों में जटिल स्थानिक व्यवहार को प्राप्त करने और मापने के लिए लचीले, मॉड्यूलर सिस्टम डिजाइन करने की अनुमति देता है।
Introduction
स्थानिक नेविगेशन एक महत्वपूर्ण व्यवहार है जिसके द्वारा जानवर नए स्थानों की विशेषताओं को एक संज्ञानात्मक मानचित्र में एन्कोड करते हैं, जिसका उपयोग संभावित इनाम के क्षेत्रों को खोजने और संभावित खतरे के क्षेत्रों से बचने के लिए किया जाता है। स्मृति के साथ अटूट रूप से जुड़े हुए, स्थानिक नेविगेशन अंतर्निहित संज्ञानात्मक प्रक्रियाएं हिप्पोकैम्पस1 और कॉर्टेक्स में एक तंत्रिका सब्सट्रेट साझा करती हैं, जहां इन क्षेत्रों में तंत्रिका सर्किट आने वाली जानकारी को एकीकृत करते हैं और बाद में यादकरने के लिए वातावरण और घटनाओं के संज्ञानात्मक मानचित्र बनाते हैं। जबकि हिप्पोकैम्पस 3,4 में जगह कोशिकाओं और एंटोरिनल कॉर्टेक्स5 में ग्रिड कोशिकाओं की खोज ने इस बात पर प्रकाश डाला है कि हिप्पोकैम्पस के भीतर संज्ञानात्मक मानचित्र कैसे बनता है, हिप्पोकैम्पस के विशिष्ट तंत्रिका उपप्रकार, माइक्रोसर्किट और व्यक्तिगत उप-क्षेत्र (डेंटेट गाइरस, और कॉर्नू एम्मोनिस क्षेत्र, सीए 3-1) कैसे बातचीत करते हैं और स्थानिक स्मृति गठन और याद में भाग लेते हैं।
विवो में दो-फोटॉन इमेजिंग संवेदी न्यूरोफिज़ियोलॉजी 6,7 में सेलुलर और जनसंख्या गतिशीलता को उजागर करने में एक उपयोगी उपकरण रहा है; हालांकि, सिर संयम के लिए विशिष्ट आवश्यकता स्तनधारी स्थानिक व्यवहार की जांच के लिए इस पद्धति की उपयोगिता को सीमित करती है। आभासी वास्तविकता (वीआर) 8 के आगमन ने इमर्सिव और यथार्थवादी विसुओस्पैटियल वातावरण पेश करके इस कमी को संबोधित किया है, जबकि सिर-संयमित चूहे हिप्पोकैम्पस 8,9,10 और कॉर्टेक्स 11 में स्थानिक और प्रासंगिक एन्कोडिंग का अध्ययन करने के लिए गेंद या ट्रेडमिल पर दौड़ते हैं। इसके अलावा, व्यवहार करने वाले चूहों के साथ वीआर वातावरण के उपयोग ने तंत्रिका विज्ञान शोधकर्ताओं को वीआर पर्यावरण12 (जैसे, दृश्य प्रवाह, प्रासंगिक मॉड्यूलेशन) के तत्वों को ठीक से नियंत्रित करके स्थानिक व्यवहार के घटकों को विच्छेदित करने की अनुमति दी है, जो स्थानिक सीखने के वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में संभव नहीं है, जैसे कि मॉरिस वाटर भूलभुलैया, बार्न्स भूलभुलैया, या होल बोर्ड कार्य।
दृश्य वीआर वातावरण आमतौर पर कंप्यूटर की ग्राफिकल प्रोसेसिंग यूनिट (जीपीयू) पर प्रस्तुत किए जाते हैं, जो वास्तविक समय में स्क्रीन पर एक चलती 3 डी वातावरण को मॉडल करने के लिए आवश्यक हजारों बहुभुजों की तेजी से कंप्यूटिंग के भार को संभालता है। बड़ी प्रसंस्करण आवश्यकताओं को आम तौर पर जीपीयू के साथ एक अलग पीसी के उपयोग की आवश्यकता होती है जो दृश्य वातावरण को एक मॉनिटर, एकाधिक स्क्रीन13, या एक प्रोजेक्टर14 को प्रस्तुत करता है क्योंकि आंदोलन को जानवर के नीचे ट्रेडमिल, पहिया या फोम बॉल से दर्ज किया जाता है। वीआर पर्यावरण को नियंत्रित करने, प्रतिपादन करने और प्रोजेक्ट करने के लिए परिणामी उपकरण, इसलिए, अपेक्षाकृत महंगा, भारी और बोझिल है। इसके अलावा, साहित्य में ऐसे कई वातावरण मालिकाना सॉफ्टवेयर का उपयोग करके लागू किए गए हैं जो दोनों महंगे हैं और केवल एक समर्पित पीसी पर चलाए जा सकते हैं।
इन कारणों से, हमने रास्पबेरी पाई सिंगल-बोर्ड कंप्यूटर का उपयोग करके सिर-संयमित चूहों में स्थानिक सीखने के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक ओपन-सोर्स वीआर सिस्टम तैयार किया है। यह लिनक्स कंप्यूटर छोटा और सस्ता दोनों है, फिर भी इसमें 3 डी रेंडरिंग के लिए एक जीपीयू चिप है, जो विभिन्न व्यक्तिगत सेटअपों में प्रदर्शन या व्यवहार तंत्र के साथ वीआर वातावरण के एकीकरण की अनुमति देता है। इसके अलावा, हमने पायथन, “हॉलपासवीआर” में लिखा गया एक ग्राफिकल सॉफ्टवेयर पैकेज विकसित किया है, जो एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) का उपयोग करके चयनित कस्टम दृश्य सुविधाओं को पुन: संयोजित करके एक सरल विसुओस्पैटियल वातावरण, एक आभासी रैखिक ट्रैक या हॉलवे प्रस्तुत करने के लिए एकल-बोर्ड कंप्यूटर का उपयोग करता है। यह हरकत को मापने और व्यवहार का समन्वय करने के लिए माइक्रोकंट्रोलर उपप्रणालियों (जैसे, ईएसपी 32 या अर्डुइनो) के साथ जोड़ा जाता है, जैसे कि संवेदी उत्तेजनाओं के अन्य तौर-तरीकों या सुदृढीकरण सीखने की सुविधा के लिए पुरस्कारों के वितरण द्वारा। यह प्रणाली स्थानिक सीखने के व्यवहार के अंतर्निहित तंत्रिका सर्किट का अध्ययन करने के लिए दो-फोटॉन इमेजिंग (या सिर निर्धारण की आवश्यकता वाली अन्य तकनीकों) के दौरान सिर-संयमित चूहों को विसुओस्पैटियल वीआर वातावरण देने के लिए एक सस्ती, लचीली और उपयोग में आसान वैकल्पिक विधि प्रदान करती है।
Protocol
Representative Results
Discussion
चूहों के लिए यह ओपन-सोर्स वीआर सिस्टम केवल तभी कार्य करेगा जब सीरियल कनेक्शन रोटरी और व्यवहार ईएसपी 32 माइक्रोकंट्रोलर और सिंगल-बोर्ड कंप्यूटर (चरण 2) के बीच ठीक से बनाए जाते हैं, जिसकी पुष्टि आईडीई सीरिय…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम इस पांडुलिपि में प्रोटोकॉल विकसित करते समय चर्चा और सुझावों के लिए हार्वे प्रयोगशाला से नूह पेटीट को धन्यवाद देना चाहते हैं। इस काम को एनआईएनडीएस आर 56एनएस 128177 (आरएच, सीएल) और एनआईएमएच आर01एमएच068542 (आरएच) के अलावा बीबीआरएफ यंग इन्वेस्टिगेटर अवार्ड और एनआईएमएच 1आर 21एमएच 122965 (जीएफटी) द्वारा समर्थित किया गया था।
Materials
| 1/4 " diam aluminum rod | McMaster-Carr | 9062K26 | 3" in length for wheel axle |
| 1/4"-20 cap screws, 3/4" long (x2) | Amazon.com | B09ZNMR41V | for affixing head post holders to optical posts |
| 2"x7" T-slotted aluminum bar (x2) | 8020.net | 1020 | wheel/animal mounting frame |
| 6" diam, 3" wide acrylic cylinder (1/8" thick) | Canal Plastics | 33210090702 | Running wheel (custom width cut at canalplastics.com) |
| 8-32 x 1/2" socket head screws | McMaster-Carr | 92196A194 | fastening head post holder to optical post |
| Adjustable arm (14") | Amazon.com | B087BZGKSL | to hold/adjust lick spout |
| Analysis code (MATLAB) | custom written | file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Analysis code | |
| Axle mounting flange, 1/4" ID | Pololu | 1993 | for mounting wheel to axle |
| Ball bearing (5/8" OD, 1/4" ID, x2) | McMaster-Carr | 57155K324 | for mounting wheel axle to frame |
| Behavior ESP32 code | custom written | file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Behavior board | |
| Black opaque matte acrylic sheets (1/4" thick) | Canal Plastics | 32918353422 | laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly |
| Clear acrylic sheet (1/4" thick) | Canal Plastics | 32920770574 | laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR wheel assembly |
| ESP32 devKitC v4 (x2) | Amazon.com | B086YS4Z3F | microcontroller for behavior and rotary encoder |
| ESP32 shield | OpenMaze.org | OMwSmall | description at www.openmaze.org (https://claylacefield.wixsite.com/openmazehome/copy-of-om2shield). ZIP gerber files at: https://github.com/claylacefield/OpenMaze/tree/master/OM_PCBs |
| Fasteners and brackets | 8020.net | 4138, 3382,3280 | for wheel frame mounts |
| goniometers | Edmund Optics | 66-526, 66-527 | optional for behavior. Fine tuning head for imaging |
| HallPassVR python code | custom written | file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/HallPassVR | |
| Head post holder | custom design | 3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/Headpost Clamp | |
| LED projector | Texas Instruments | DLPDLCR230NPEVM | or other small LED projector |
| Lick spout | VWR | 20068-638 | (or ~16 G metal hypodermic tubing) |
| M 2.5 x 6 set screws | McMaster-Carr | 92015A097 | securing head post |
| Matte white diffusion paper | Amazon.com | screen material | |
| Metal headposts | custom design | 3D design file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR head mount/head post designs | |
| Miscellenous tubing and tubing adapters (1/16" ID) | for constructing the water line | ||
| Optical breadboard | Thorlabs | as per user's requirements | |
| Optical posts, 1/2" diam (2x) | Thorlabs | TR4 | for head fixation setup |
| Processing code | custom written | file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Processing code | |
| Raspberry Pi 4B | raspberry.com, adafruit.com | Single-board computer for rendering of HallPassVR envir. | |
| Right angle clamp | Thorlabs | RA90 | for head fixation setup |
| Rotary encoder (quadrature, 256 step) | DigiKey | ENS1J-B28-L00256L | to measure wheel rotation |
| Rotary encoder ESP32 code | custom written | file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/software/Arduino code/Rotary encoder | |
| SCIGRIP 10315 acrylic cement | Amazon.com | ||
| Shaft coupler | McMaster-Carr | 9861T426 | to couple rotary encoder shaft with axle |
| Silver mirror acrylic sheets | Canal Plastics | 32913817934 | laser cut file at github.com/GergelyTuri/HallPassVR/hardware/VR screen assembly |
| Solenoid valve | Parker | 003-0137-900 | to administer water rewards |
References
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