Onderzoeken van Motor Skill Learning Processen met een Robotic Manipulandum
Summary
Een paradigma is gepresenteerd voor de opleiding en de analyse van een geautomatiseerde geschoolde bereiken taak bij ratten. Analyse van het trekken van pogingen onthult verschillende deelprocessen van motorisch leren.
Abstract
Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt in studies van motorische vaardigheden leren en motorische functie onder gezonde en pathologische omstandigheden, maar kan tijdrovend en dubbelzinnig te kwantificeren dan eenvoudige slagingspercentages zijn. Hier beschrijven we de training procedure voor het bereik-en-pull taken met ETH Pattus, een robot platform voor geautomatiseerde voorpoot bereiken training die platen te trekken en met de hand draaien bewegingen bij ratten. Kinematische kwantificering van de uitgevoerde trekken pogingen onthult de aanwezigheid van verschillende tijdelijke profielen verkeer parameters zoals het trekken snelheid ruimtelijke variabiliteit van de trekkende traject afwijking van middellijn, en trekken succes. We laten zien hoe kleine aanpassingen in de opleiding paradigma leiden tot veranderingen in deze parameters, waaruit hun relatie tot problemen, algemene motorische functie of geschoolde taakuitvoering taak. In combinatie met elektrofysiologische, farmacologische en optogenetic technieken kan dit paradigma worden gebruiktom de mechanismen die ten grondslag liggen motorisch leren en geheugenvorming, evenals verlies en herstel van de functie (bijvoorbeeld na een beroerte) te verkennen.
Introduction
Motorische taken worden op grote schaal gebruikt om gedrags-en neurale veranderingen in verband met motorisch leren of om veranderingen in de motorische functie in de neurologische of farmacologische diermodellen beoordelen. Fijne motoriek kan moeilijk te kwantificeren bij knaagdieren, echter. Taken die handvaardigheid, zoals manipulatie van granen 1, 2 pasta, of zonnebloempitten 3 zijn gevoelig en hebben een uitgebreide training van het dier niet nodig. Hun voornaamste nadeel is dat deze taken leveren veelal kwalitatieve resultaten en kan moeilijk zijn eenduidig scoren.
Geschoolde bereiken taken, zoals variaties van de interne pellet bereiken taak zijn eenvoudiger te kwantificeren 4, 5. Echter, kinematische factoren die de succesvolle uitvoering van deze taken ten grondslag liggen kan alleen worden afgeleid in beperkte mate en vereisen arbeidsintensieve beeld-voor-frame van video eenNALYSE.
Robotic apparaten zijn populairder geworden als middel om te kwantificeren aspecten van de voorpoot functie en motorische vaardigheden. Verschillende geautomatiseerde bereiken taken beschikbaar. De meeste nadruk op een aspect van een voorpoot beweging, zoals het trekken van een handvat langs een lineaire geleiding 6, 7, eenvoudige distale ledematen bewegingen 8 of pronatie en supinatie van de poot 9. Hoewel deze inrichtingen veelbelovend voor de analyse van motorische functie, ze geven alleen de complexe motorische acties uitgevoerd tijdens één pellet bereiken in beperkte mate.
Hier tonen we het gebruik van een drie-graden-van-vrijheid robotachtige apparaat, ETH Pattus, ontwikkeld voor de opleiding en beoordeling van de verschillende motorische taken bij ratten 10, 11. Het registreert vlakke en roterende beweging van rat voorpoot bewegingen binnen bereik, greep, entrekken taken die in het horizontale vlak uitgevoerd. Ratten interactie met de robot via een 6 mm diameter bolvormige handvat dat door een raam in het testen kooi (breedte: 15 cm, lengte: 40 cm, hoogte: 45 cm) kan worden bereikt en verhuisde in het horizontale vlak (duwen en trekken bewegingen) en geroteerd (pronatie-supinatie bewegingen). Zo stelt de rat te bewegingen die deze geëxecuteerd tijdens de conventionele single pellet bereiken taken onderling uit te voeren. Het venster is 10 mm breed en 50 mm ligt boven de kooivloer. De hendel bevindt zich 55 mm boven de vloer. Een schuifdeur blokkeert de toegang tot de handgreep tussen het bereiken van proeven en opent wanneer de robot zijn startpositie bereikt en sluit na een proefperiode is voltooid. Na een correct uitgevoerde beweging, ratten krijgen een voedselbeloning aan de andere zijde van de kooi testen.
De robot wordt via software en registreert output van 3 rotary encoders bij 1000 Hz, waardoor de positie en de of de handgreep in het horizontale vlak, en de rotatiehoek (voor details, zie referentie 11). De voor succesvol taak uitvoeren omstandigheden worden bepaald in de software voor elke trainingssessie (bijv minimaal vereiste afstand trekken en maximale afwijking van middellijn in een bereik-en-pull taak). Een eerste gestandaardiseerde referentiepositie van de handgreep is opgenomen met een vaste houder aan het begin van elke trainingssessie. Het verzoek wordt voor alle proeven in een sessie, garanderen een constante startpositie van de handgreep voor elk onderzoek. Constante positionering van de handgreep ten opzichte van het venster kooi wordt gewaarborgd door aanpassing van markeringen op de kooi en robot (figuur 1).
Video-opnamen van het bereiken van bewegingen worden opgenomen met behulp van een kleine high speed camera (120 frames / s, 640 x 480 resolutie). Een klein scherm in het oog van de camera toont de rat identificatienummer, trainingproef nummer en berechting resultaat (succes of mislukt). Deze video's worden gebruikt om vastgelegde resultaten verifiëren en de effecten bereiken bewegingen die het aanraken voorafgaan, trekken of roteren van de handgreep beoordelen.
Hier tonen we het gebruik van deze robot platform variaties van een bereik-en-pull taak. Deze taak kan worden opgeleid binnen een periode die vergelijkbaar is met andere deskundigen bereiken paradigma en reproduceerbare resultaten oplevert. We beschrijven een typische scholingsprotocol, evenals enkele van de belangrijkste uitvoerparameters. Bovendien laten we zien hoe kleine veranderingen in de gebruikte training protocol kan resulteren in gewijzigde tijdsverloop van behavioral resultaten die onafhankelijk deelprocessen binnen de motorische vaardigheden leerproces kan vertegenwoordigen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt om motorische vaardigheden verwerven evenals aantasting van de motorische functie studeren onder pathologische omstandigheden 6. Betrouwbare en eenduidige analyse bereiken gedrag is essentieel voor de studie van cellulaire mechanismen die ten grondslag liggen motorische vaardigheden verwerven, alsmede neurofysiologische processen voor verlies en daaropvolgende herstel van de functie in diermodellen van neurologische ziekten. De hier gepresenteerde re…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de Zwitserse National Science Foundation, de Betty en David Koetser Foundation for Brain Research en de ETH Foundation.
Materials
| ETH Pattus | ETH Pattus was made by the Rehabilitation Engineering Laboratory of Prof. Gassert at ETH Zurich. | ||
| Training cage | The plexiglass training cage was made in-house. | ||
| Pellet dispenser | Campden Instruments | 80209 | |
| 45-mg dustless precision pellets | Bio-Serv | F0021-J | |
| GoPro Hero 3+ Silver Edition | digitec.ch | 284528 | Small highspeed camera |
| Small display | Adafruit Industries | #50, #661 | 128×32 SPI Oled display controlled via an Arduino Uno microcontroller and Labview software |
| Labview 2012 | National Instruments | 776678-3513 | ETH Pattus is compatible with more recent Labview versions. |
| Matlab 2014b | The Mathworks | MLALL |
References
- Irvine, K. -. A., et al. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. JoVE. (46), (2010).
- Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).
- Kemble, E. D., Wimmer, S. C., Konkler, A. P. Effects of varied prior manipulatory or consummatory behaviours on nut opening, predation, novel foods consumption, nest building, and food tablet grasping in rats. Behav Proc. 8 (1), 33-44 (1983).
- Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behav Brain Res. 155 (2), 249-256 (2004).
- Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behav Brain Res. 41 (1), 49-59 (1990).
- Hays, S. A., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).
- Sharp, K. G., Duarte, J. E., Gebrekristos, B., Perez, S., Steward, O., Reinkensmeyer, D. J. Robotic Rehabilitator of the Rodent Upper Extremity: A System and Method for Assessing and Training Forelimb Force Production after Neurological Injury. J Neurotrauma. 33 (5), 460-467 (2016).
- Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: an automated method to measure forelimb speed in rodents. J Neurosci Meth. 214 (1), 52-61 (2013).
- Meyers, E., et al. The supination assessment task: an automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
- Lambercy, O., et al. Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents. Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).
- Vigaru, B. C., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 21 (5), 796-805 (2013).
- Klein, A., Sacrey, L. -. A. R., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neurosci Biobehav Rev. 36 (3), 1030-1042 (2012).
- Gharbawie, O. A., Whishaw, I. Q. Parallel stages of learning and recovery of skilled reaching after motor cortex stroke: "Oppositions" organize normal and compensatory movements. Behav Brain Res. 175 (2), 249-262 (2006).
- Palmér, T., Tamtè, M., Halje, P., Enqvist, O., Petersson, P. A system for automated tracking of motor components in neurophysiological research. J Neurosci Meth. 205 (2), 334-344 (2012).
- Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).
- Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat. Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).
- Molina-Luna, K., et al. Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PloS one. 4 (9), (2009).
- VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. Long-Evans rats have a larger cortical topographic representation of movement than Fischer-344 rats: A microstimulation study of motor cortex in naı̈ve and skilled reaching-trained rats. Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).
- Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research. Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).
- Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex. J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size. Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).
