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
Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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。
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
- Lisman, J., et al. Viewpoints: How the hippocampus contributes to memory, navigation and cognition. Nature Neuroscience. 20 (11), 1434-1447 (2017).
- Buzsaki, G., Moser, E. I. Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system. Nature Neuroscience. 16 (2), 130-138 (2013).
- O’Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research. 34 (1), 171-175 (1971).
- O’Keefe, J. Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology. 51 (1), 78-109 (1976).
- Fyhn, M., Molden, S., Witter, M. P., Moser, E. I., Moser, M. B. Spatial representation in the entorhinal cortex. Science. 305 (5688), 1258-1264 (2004).
- Letzkus, J. J., et al. A disinhibitory microcircuit for associative fear learning in the auditory cortex. Nature. 480 (7377), 331-335 (2011).
- Lacefield, C. O., Pnevmatikakis, E. A., Paninski, L., Bruno, R. M. Reinforcement learning recruits somata and apical dendrites across layers of primary sensory cortex. Cell Reports. 26 (8), 2000-2008 (2019).
- Dombeck, D. A., Harvey, C. D., Tian, L., Looger, L. L., Tank, D. W. Functional imaging of hippocampal place cells at cellular resolution during virtual navigation. Nature Neuroscience. 13 (11), 1433-1440 (2010).
- Gauthier, J. L., Tank, D. W. A dedicated population for reward coding in the hippocampus. Neuron. 99 (1), 179-193 (2018).
- Rickgauer, J. P., Deisseroth, K., Tank, D. W. Simultaneous cellular-resolution optical perturbation and imaging of place cell firing fields. Nature Neuroscience. 17 (12), 1816-1824 (2014).
- Yadav, N., et al. Prefrontal feature representations drive memory recall. Nature. 608 (7921), 153-160 (2022).
- Priestley, J. B., Bowler, J. C., Rolotti, S. V., Fusi, S., Losonczy, A. Signatures of rapid plasticity in hippocampal CA1 representations during novel experiences. Neuron. 110 (12), 1978-1992 (2022).
- Heys, J. G., Rangarajan, K. V., Dombeck, D. A. The functional micro-organization of grid cells revealed by cellular-resolution imaging. Neuron. 84 (5), 1079-1090 (2014).
- Harvey, C. D., Collman, F., Dombeck, D. A., Tank, D. W. Intracellular dynamics of hippocampal place cells during virtual navigation. Nature. 461 (7266), 941-946 (2009).
- . Harvey Lab Mouse VR Available from: https://github.com/Harvey/Lab/mouseVR (2021)
- Pettit, N. L., Yap, E. L., Greenberg, M. E., Harvey, C. D. Fos ensembles encode and shape stable spatial maps in the hippocampus. Nature. 609 (7926), 327-334 (2022).
- Turi, G. F., et al. Vasoactive intestinal polypeptide-expressing interneurons in the hippocampus support goal-oriented spatial learning. Neuron. 101 (6), 1150-1165 (2019).
- Ulivi, A. F., et al. Longitudinal two-photon imaging of dorsal hippocampal CA1 in live mice. Journal of Visual Experiments. (148), e59598 (2019).
- Wang, Y., Zhu, D., Liu, B., Piatkevich, K. D. Craniotomy procedure for visualizing neuronal activities in hippocampus of behaving mice. Journal of Visual Experiments. (173), e62266 (2021).
- Tuncdemir, S. N., et al. Parallel processing of sensory cue and spatial information in the dentate gyrus. Cell Reports. 38 (3), 110257 (2022).
- Dombeck, D. A., Khabbaz, A. N., Collman, F., Adelman, T. L., Tank, D. W. Imaging large-scale neural activity with cellular resolution in awake, mobile mice. Neuron. 56 (1), 43-57 (2007).
- Guo, Z. V., et al. Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice. PLoS One. 9 (2), 88678 (2014).
- Jordan, J. T., Gonçalves, J. T. Silencing of hippocampal synaptic transmission impairs spatial reward search on a head-fixed tactile treadmill task. bioRxiv. , (2021).
- Urai, A. E., et al. Citric acid water as an alternative to water restriction for high-yield mouse behavior. eNeuro. 8 (1), (2021).
- Saleem, A. B., Diamanti, E. M., Fournier, J., Harris, K. D., Carandini, M. Coherent encoding of subjective spatial position in visual cortex and hippocampus. Nature. 562 (7725), 124-127 (2018).
- Ravassard, P., et al. Multisensory control of hippocampal spatiotemporal selectivity. Science. 340 (6138), 1342-1346 (2013).
- Aghajan, Z. M., et al. Impaired spatial selectivity and intact phase precession in two-dimensional virtual reality. Nature Neuroscience. 18 (1), 121-128 (2015).
