Исследование двигательных навыков процессов обучения с роботизированной Manipulandum
Summary
Парадигма представляется для подготовки и анализа автоматизированной квалифицированной идущей задачи у крыс. Анализ тянущих попыток выявляет различные подпроцессы моторного обучения.
Abstract
Квалифицированные, достигающие задачи обычно используются при изучении двигательных навыков обучения и двигательной функции при здоровых и патологических состояний, но может занять много времени и неоднозначным для количественной оценки за рамки простых показателей успеха. Здесь мы опишем процедуру обучения на охват и тянуть задач с ETH Pattus, роботизированной платформы для автоматизированной подготовки передних конечностей, достигающего, что записи тяговое и вращательных движений рук у крыс. Кинематическая количественное определение объема выполняемых тянущих попыток выявляет наличие различных временных профилей параметров движения, таких как скорость вытягивания, пространственная изменчивость тянущего траектории, отклонение от средней линии, а также вытягивать успех. Мы покажем, как незначительные изменения в тренировочной парадигмы приводят к изменениям в этих параметрах, выявляя их отношение к задаче трудности, общей двигательной функции или квалифицированного выполнения задачи. В сочетании с электрофизиологических, фармакологических и оптогенетика методов, эта парадигма может быть использованадля изучения механизмов , лежащих в основе обучения двигателя и формирования памяти, а также потери и восстановление функции (например , после инсульта).
Introduction
двигательные задания широко используются для оценки поведенческих и нейронные изменения, связанные с двигательной обучения или к изменениям в моторной функции в неврологических или фармакологических животных моделях. Точная функция двигателя может быть трудно дать количественную оценку у грызунов, однако. Задачи , требующие ловкости рук, такие как манипуляции зерновых 1, макаронных изделий 2 или 3 семян подсолнечника чувствительны и не требуют серьезной подготовки животного. Их основной недостаток заключается в том, что эти задачи дают в основном качественные результаты и может быть трудно забить однозначно.
Квалифицированные , достигающие задачи, такие как вариации одной гранулы , достигающего задачи являются более простым для количественного определения 4, 5. Тем не менее, кинематические факторы, которые лежат в основе успешного выполнения этих задач может быть выведено лишь в ограниченной степени и требуют трудоемкого кадр за кадром видео Aнализ.
Роботизированные устройства завоевали популярность как средство количественной оценки аспектов функции передних конечностей и двигательных навыков. Несколько автоматизирован, достигающие задачи доступны. Большинство внимание на один аспект движения передних конечностей, например, потянув из ручки вдоль линейной направляющей 6, 7, простые дистальных движений конечностей 8, или и супинация лапы 9. В то время как эти устройства показывают обещание для анализа двигательной функции в, они лишь отражают сложные действия двигателя выполняются в течение одной гранулы, достигающей до ограниченного расширения.
Здесь мы демонстрируем использование трех степенями свободы роботизированного устройства, ETH Pattus, разработанной для обучения и оценки различных двигательных задач у крыс 10, 11. Он записывает планарных и вращательное движение движений крыс передних конечностей в пределах досягаемости, держитесь, ивытягивать задачи, выполняемые в горизонтальной плоскости. Крысы взаимодействуют с роботом через 6 мм диаметра сферической ручки, которая может быть достигнута через окно в испытательной клетке (ширина: 15 см, длина: 40 см, высота: 45 см) и перемещается в горизонтальной плоскости (заманивать движений) и вращали (движения пронация-супинация). Таким образом, она позволяет крысу выполнять движения, которые аппроксимируют расстрелянных во время обычных одиночных гранул достижения задач. Окно имеет ширину 10 мм и расположена в 50 мм над пол клетки. Ручка расположена в 55 мм над уровнем пола. Раздвижная блоки дверные доступ к ручке между достижением испытаний и открывается, когда робот достигнет своего начального положения и закрывается после того, как судебный процесс будет завершен. После того, как правильно выполненного движения, крысы получали награду еды на противоположной стороне испытательной клетки.
Робот управляется с помощью программного обеспечения и записывает выход из 3-х датчиков вращения на частоте 1000 Гц, в результате чего информация о положении Oе ручки в горизонтальной плоскости, а также его угла поворота (подробнее см позиция 11). Условия , необходимые для успешного выполнения задачи определены в программном обеспечении до начала каждой тренировки (например , требуется как минимум вытягивать расстояние и максимальное отклонение от средней линии в досягаемость-и-Pull задачи). Первоначальная унифицированного эталонного положения ручки записывается с фиксированным держателем в начале каждой тренировки. Эта ссылка используется для всех испытаний в течение сеанса, обеспечивая постоянное начальное положение ручки для каждого испытания. Постоянное расположение рукоятки относительно окна клетки обеспечивается за счет выравнивания меток на клетке и робот (рисунок 1).
Видеозаписи с идущими движений записываются с использованием небольшой высокоскоростной камеры (120 кадров / с, разрешение 640 х 480). Небольшой дисплей в поле зрения камеры показывает идентификационный номер крысы, тренировка,пробный номер и пробный результат (успех или не удалось). Эти видео используются для проверки записанных результатов и оценки последствий достижения движений, которые предшествуют прикосновений, подтягивания или вращение ручки.
Здесь мы демонстрируем использование этой роботизированной платформы в вариациях длинна-и-Pull задачи. Эта задача может быть обучен в течение определенного периода времени, что сопоставимо с другими квалифицированными идущими парадигм и дает воспроизводимые результаты. Мы опишем типичный протокол обучения, а также некоторые из основных выходных параметров. Кроме того, мы покажем, как незначительные изменения в используемом протоколе подготовки может привести к изменению курсов времени поведенческих результатов, которые могут представлять независимые подпроцессы в рамках процесса обучения двигательных навыков.
Protocol
Representative Results
Discussion
Квалифицированные достигающие задачи, как правило , используются для изучения моторную приобретения навыков, а также нарушения двигательной функции при патологических состояниях 6. Надежный и однозначный анализ достижения поведения имеет важное значение для изучения кл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом Швейцарии, Бетти и Дэвид Koetser Фонд исследований мозга и 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).
