Indagare abilità motorie processi di apprendimento con un robot Manipulandum
Summary
Un paradigma è presentato per la formazione e l'analisi di un compito di raggiungere abile automatizzata nei ratti. L'analisi dei tentativi tirando rivela sottoprocessi distinti di apprendimento motorio.
Abstract
compiti che raggiungono qualificati sono comunemente utilizzati negli studi di apprendimento delle capacità motorie e la funzione motoria in condizioni sane e patologiche, ma possono essere ambigue e ad alta intensità di tempo per quantificare al di là di semplici percentuali di successo. Qui, descriviamo la procedura di formazione per le attività di portata e trazione con ETH Pattus, una piattaforma robotica per zampa anteriore automatizzato raggiungere formazione che i record di trazione e movimenti di rotazione della mano nei ratti. quantificazione cinematica dei tentativi effettuati tirando rivela la presenza di profili temporali distinti di parametri movimento come tirando velocità, variabilità spaziale della traiettoria tirando, deviazione dalla linea mediana, e tirando successo. Mostriamo come piccoli aggiustamenti nel paradigma di formazione si traducono in alterazioni di questi parametri, rivelando la loro relazione al compito difficoltà, funzione generale del motore o l'esecuzione dell'attività qualificato. In combinazione con tecniche elettrofisiologiche, farmacologiche e optogenetic, questo paradigma può essere utilizzatoper esplorare i meccanismi alla base dell'apprendimento motorio e la formazione della memoria, così come la perdita e il recupero della funzione (ad esempio, dopo l'ictus).
Introduction
compiti motori sono ampiamente utilizzati per valutare i cambiamenti comportamentali e neurali legati all'apprendimento motore o ad alterazioni nella funzione motoria nei modelli animali neurologici o farmacologici. funzione motoria fine può essere difficile da quantificare nei roditori, però. Compiti che richiedono destrezza manuale, come la manipolazione di cereali 1, pasta 2 o 3 semi di girasole sono sensibili e non richiedono una formazione completa dell'animale. Il loro principale svantaggio è che questi compiti producono risultati prevalentemente qualitativi e può essere difficile segnare ambiguità.
Compiti che raggiungono specializzati, come ad esempio le variazioni del singolo pellet raggiungendo compito sono più semplici da quantificare 4, 5. Tuttavia, i fattori che stanno alla base cinematici esecuzione di successo di queste attività possono essere dedotte solo in misura limitata e richiedono alta intensità di lavoro fotogramma per fotogramma video di unANALISI.
dispositivi robotici hanno guadagnato popolarità come mezzo di quantificare aspetti della funzione degli arti anteriori e abilità motorie. Diverse le attività che raggiungono automatizzato sono disponibili. L'attenzione maggioranza su un singolo aspetto di un movimento zampa anteriore, come tirare una maniglia lungo una guida lineare 6, 7, semplici movimenti distali 8 o pronazione e supinazione della zampa 9. Mentre questi dispositivi sono promettenti per l'analisi della funzione motoria in, riflettono solo le azioni motorie complesse eseguite durante singolo pellet arrivando a un numero limitato di estendere.
Qui, dimostriamo l'uso di un dispositivo a tre gradi di libertà robotica, ETH Pattus, sviluppato per la formazione e la valutazione delle varie attività motorie nei ratti 10, 11. Si registra planare e movimento di rotazione dei movimenti degli arti anteriori ratto a portata di mano, afferrare, etirando compiti svolti nel piano orizzontale. Ratti interagiscono con il robot tramite 6 mm di diametro impugnatura sferica che può essere raggiunto attraverso una finestra nella gabbia test (larghezza: 15 cm, lunghezza 40 cm, altezza 45 cm) e spostato nel piano orizzontale (spinta e trazione movimenti) e ruotati movimenti di pronazione-supinazione (). Così, consente il ratto di effettuare movimenti che approssimano quelli eseguiti durante convenzionali singoli compiti pellet raggiungere. La finestra è largo 10 mm e situato a 50 mm al di sopra del pavimento della gabbia. La maniglia si trova a 55 mm dal pavimento. A scorrevole blocchi porta di accesso al manico tra il raggiungimento prove e si apre quando il robot raggiunge la sua posizione di partenza e si chiude dopo un processo è completato. Dopo un movimento eseguito correttamente, ratti ricevono un premio cibo sul lato opposto della gabbia test.
Il robot è controllato via software e registra uscita da 3 encoder rotativi a 1000 Hz, con conseguente informazioni sulla posizione of la maniglia nel piano orizzontale, così come il suo angolo di rotazione (per dettagli vedi riferimento 11). Le condizioni necessarie per l'esecuzione compito successo sono definiti nel software prima di ogni sessione di formazione (es minimo richiesto tirando distanza e massima deviazione dalla linea mediana in un compito portata-e-pull). Una posizione iniziale riferimento standardizzato del manico è registrato con un supporto fisso all'inizio di ogni sessione di addestramento. Questo riferimento viene utilizzato per tutte le prove all'interno di una sessione, assicurando una posizione di partenza costante della maniglia per ogni prova. Posizionamento costante del manico rispetto alla finestra gabbia è assicurata da allineamento dei segni sulla gabbia e robot (Figura 1).
Registrazioni video dei movimenti che raggiungono sono registrati utilizzando una piccola macchina fotografica ad alta velocità (120 fotogrammi / s, risoluzione 640 x 480). Un piccolo display nella visualizzazione della telecamera mostra il numero di identificazione del ratto, ALLENAMENTO,il numero di prova e il risultato di prova (successo o fallito). Questi video vengono utilizzati per verificare i risultati registrati e per valutare gli effetti di raggiungere movimenti che precedono il toccare, tirare o rotazione della maniglia.
Qui, dimostriamo l'uso di questa piattaforma robotica in variazioni di un'attività portata-and-pull. Questo compito può essere addestrato entro un periodo di tempo che è paragonabile ad altri paradigmi raggiungendo qualificati e produce risultati riproducibili. Descriviamo un tipico protocollo di formazione, così come alcuni dei parametri di uscita principali. Inoltre, si mostra come piccole modifiche nel protocollo di allenamento utilizzato può portare a corsi a tempo alterati di risultati comportamentali che possono rappresentare sottoprocessi indipendenti nell'ambito del processo di apprendimento di abilità motoria.
Protocol
Representative Results
Discussion
Compiti che raggiungono qualificati sono comunemente utilizzati per studiare l'acquisizione delle capacità motorie, nonché compromissione della funzione motoria in condizioni patologiche 6. analisi affidabile e inequivocabile di raggiungere comportamento è essenziale per lo studio dei meccanismi cellulari alla base acquisizione delle capacità motorie, nonché processi neurofisiologici coinvolti nella perdita e successivo recupero della funzione in modelli animali di malattia neurologica. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta dal Fondo Nazionale Svizzero, la Betty e David Koetser Fondazione per la Ricerca sul Cervello e la Fondazione Politecnico.
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 |
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