التلقائي الفئران واحد بيليه الوصول مع إعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد من مخلب ومسارات أرقام
Summary
القوارض المهرة الوصول يستخدم عادة لدراسة المهارات البارعة، ولكن يتطلب وقتا كبيرا والجهد لتنفيذ المهمة وتحليل السلوك. نحن نصف نسخة آلية من الوصول المهرة مع تتبع الحركة وإعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد من مسارات الوصول.
Abstract
القوارض المهرة الوصول يستخدم عادة لدراسة المهارات البارعة، ولكن يتطلب وقتا كبيرا والجهد لتنفيذ المهمة وتحليل السلوك. وقد تم مؤخرا تطوير عدة إصدارات آلية من الوصول المهرة. هنا، ونحن نصف النسخة التي تقدم تلقائيا الكريات للفئران في حين تسجيل الفيديو عالية الوضوح من زوايا متعددة بمعدلات إطارات عالية (300 إطارا في الثانية). يتم تعقب مخلب والأرقام الفردية مع DeepLabCut، خوارزمية التعلم الآلي لتقدير تشكل بلا علامات. ويمكن أيضا أن يتزامن هذا النظام مع التسجيلات الفسيولوجية، أو أن تستخدم لتحريك التدخلات الفسيولوجية (على سبيل المثال، التحفيز الكهربائي أو البصري).
Introduction
يعتمد البشر بشكل كبير على المهارة البارعة، التي تعرف بأنها حركات تتطلب حركات متعددة المفاصل والأرقام منسقة بدقة. وتتأثر هذه المهارات بمجموعة من أمراض الجهاز العصبي المركزي الشائعة بما في ذلك الآفات الهيكلية (مثل السكتة الدماغية، والورم، والآفات التي لإزالة التميّز)، والأمراض العصبية (مثل مرض باركنسون)، والتشوهات الوظيفية للمحرك الدوائر (على سبيل المثال، خلل التوتر). وبالتالي فإن فهم كيفية تعلم المهارات البارعة وتنفيذها من قبل دوائر السيارات المركزية ينطوي على إمكانية تحسين نوعية الحياة بالنسبة لأعداد كبيرة من السكان. وعلاوة على ذلك، من المرجح أن يؤدي هذا الفهم إلى تحسين الأداء الحركي لدى الأشخاص الأصحاء عن طريق الاستفادة المثلى من استراتيجيات التدريب وإعادة التأهيل.
تشريح الدوائر العصبية الكامنة وراء المهارة البارعة في البشر محدودة بالاعتبارات التكنولوجية والأخلاقية، مما يستلزم استخدام النماذج الحيوانية. وتستخدم الرئيسيات غير البشرية عادة لدراسة حركات الأطراف حاذق نظرا لتشابه نظمها الحركية وذخيرة السلوكية للبشر1. ومع ذلك، فإن الرئيسيات غير البشرية مكلفة مع فترات طويلة من الجيل، مما يحد من أعداد مواضيع الدراسة والتدخلات الوراثية. وعلاوة على ذلك، في حين أن الأدوات العلمية العصبية المطبقة على الرئيسيات غير البشرية أكبر منها بالنسبة للبشر، فإن العديد من التطورات التكنولوجية الحديثة إما غير متوفرة أو محدودة بشكل كبير في الرئيسيات.
القوارض المهرة الوصول هو نهج تكميلي لدراسة السيطرة على السيارات حاذق. يمكن تدريب الفئران والفئران للوصول إلى، فهم، واسترداد بيليه السكر في تسلسل نمطي من الحركات متجانسة لأنماط الإنسان الوصول2. ونظراً لضيق وقت توليدها نسبياً وانخفاض تكاليف السكن، فضلاً عن قدرتها على اكتساب مهارات تصل إلى مدى أيام إلى أسابيع، فمن الممكن دراسة أعداد كبيرة من المواضيع خلال مرحلتي التعلم وتوحيد المهارات على حد سواء. كما أن استخدام القوارض، ولا سيما الفئران، يسهل استخدام أدوات علمية عصبية حديثة قوية (مثل علم الوراثة البصرية، وتصوير الكالسيوم، والنماذج الوراثية للمرض) لدراسة المهارة البارعة.
وقد استخدمت القوارض المهرة الوصول لعقود لدراسة السيطرة الحركية العادية وكيف يتأثر بأمراض محددة مثل السكتة الدماغية ومرض باركنسون3. ومع ذلك، فإن معظم إصدارات هذه المهمة هي العمل والوقت الكثيف، والتخفيف من فوائد دراسة القوارض. وتشمل عمليات التنفيذ النموذجية وضع القوارض في غرفة الوصول مع رف أمام فتحة ضيقة من خلالها القوارض يجب أن تصل. يضع الباحث كريات السكر يدويًا على الرف، وينتظر وصول الحيوان، ثم يضع واحدة أخرى. يتم تسجيل الوصول إلى النجاحات أو الفشل إما في الوقت الحقيقي أو عن طريق استعراض الفيديو4. ومع ذلك، فإن مجرد تسجيل النقاط يصل إلى النجاحات أو الفشل يتجاهل البيانات الحركية الغنية التي يمكن أن توفر نظرة ثاقبة حول كيفية (بدلاً من مجرد ما إذا) الوصول إلى ضعف. وقد عولجت هذه المشكلة من خلال تنفيذ استعراض مفصل للوصول إلى أشرطة الفيديو لتحديد ودرجات شبه كمية تصل إلى الحركات الفرعية5. وفي حين أضاف هذا بعض البيانات المتعلقة بالوصول إلى الحركية، إلا أنه زاد أيضاً بشكل كبير من وقت التجربة وجهدها. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي المستويات العالية من مشاركة التجارب إلى عدم الاتساق في المنهجية وتحليل البيانات، حتى داخل المختبر نفسه.
وفي الآونة الأخيرة، تم تطوير عدة إصدارات آلية من الوصول الماهر. بعض نعلق على القفص المنزلي6،7، والقضاء على الحاجة إلى نقل الحيوانات. وهذا يقلل من الضغط على الحيوانات ويلغي الحاجة إلى تكييفها إلى غرفة الوصول المتخصصة. إصدارات أخرى تسمح تتبع مخلب بحيث يمكن دراسةالتغييرات الحركية في إطار تدخلات محددة 8،9،10،أو لديها آليات لتحديد ما إذا كان قد طرقت الكريات من على الرف11. المهام الآلية الماهرة الوصول مفيدة بشكل خاص للتدريب عالية الكثافة، كما قد تكون هناك حاجة لإعادة التأهيل بعد إصابة12. تسمح الأنظمة الآلية للالحيوانات بإجراء أعداد كبيرة من الروافد على مدى فترات طويلة من الزمن دون الحاجة إلى مشاركة مكثفة من الباحثين. وعلاوة على ذلك، فإن النظم التي تسمح بتتبع الكفات وتسجيل النتائج الآلي تقلل من الوقت الذي يقضيه الباحث في إجراء تحليل البيانات.
قمنا بتطوير نظام آلي للوصول إلى الفئران الماهرة مع العديد من الميزات المتخصصة. أولا، باستخدام قاعدة متحركة لجلب بيليه في “موقف الوصول” من أدناه، نحصل على وجهة نظر دون عائق تقريبا من الطرف السفلي. ثانياً، يسمح نظام المرايا بمشاهدة متعددة في وقت واحد للوصول باستخدام كاميرا واحدة، مما يسمح بإعادة بناء مسارات الوصول ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) باستخدام كاميرا عالية الدقة وعالية السرعة (300 إطار في الثانية). مع التطور الأخير لخوارزميات التعلم الآلي قوية لتتبع الحركة بلا علامات13،ونحن الآن تتبع ليس فقط مخلب ولكن المفاصل الفردية لاستخراج الوصول مفصلة واستيعاب الحركية. ثالثاً، يسمح ممسك الإطار الذي يقوم بمعالجة فيديو بسيطة بتحديد المراحل التي تم الوصول إليها بشكل حقيقي. يتم استخدام هذه المعلومات لتحريك الحصول على الفيديو (الحصول المستمر على الفيديو ليس عمليا بسبب حجم الملف)، ويمكن أيضا أن تستخدم لتحريك التدخلات (على سبيل المثال، علم الوراثة البصرية) في لحظات دقيقة. وأخيراً، يتم تشغيل إطارات الفيديو الفردية بواسطة نبضات منطق الترانزستور-الترانزستور (TTL)، مما يسمح بمزامنة الفيديو بدقة مع التسجيلات العصبية (على سبيل المثال، الفيزيولوجيا الكهربائية أو القياس الضوئي). هنا، ونحن نصف كيفية بناء هذا النظام، وتدريب الفئران لأداء المهمة، ومزامنة الجهاز مع النظم الخارجية، وإعادة بناء مسارات الوصول 3-D.
Protocol
Representative Results
Discussion
أصبح وصول القوارض المهرة أداة قياسية لدراسة علم وظائف الأعضاء نظام المحرك والفيزيولوجيا المرضية. لقد وصفنا كيفية تنفيذ مهمة الفئران المهرة الآلي الوصول الذي يسمح: التدريب والاختبار مع الحد الأدنى من الإشراف، 3-D مخلب وأرقام مسار إعادة الإعمار (أثناء الوصول، واستيعاب، وتراجع مخلب)، وتحديد…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن يشكروا كارونيش جانجولي ومختبره على المشورة بشأن مهمة الوصول الماهرة، وألكسندر وماكينزي ماثيس على مساعدتهم في تكييف ديب لابكوت. وقد تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للأمراض العصبية والسكتة الدماغية (رقم المنحة K08-NS072183) وجامعة ميشيغان.
Materials
| clear polycarbonate panels | TAP Plastics | cut to order (see box design) | |
| infrared source/detector | Med Associates | ENV-253SD | 30" range |
| camera | Basler | acA2000-340kc | 2046 x 1086 CMV2000 340 fps Color Camera Link |
| camera lens | Megapixel (computar) | M0814-MP2 | 2/3" 8mm f1.4 w/ locking Iris & Focus |
| camera cables | Basler | #2000031083 | Cable PoCL Camera Link SDR/MDR Full, 5 m – Data Cables |
| mirrors | Amazon | ||
| linear actuator | Concentrics | LACT6P | Linear Actuator 6" Stroke (nominal), 110 Lb Force, 12 VDC, with Potentiometer |
| pellet reservoir/funnel | Amico (Amazon) | a12073000ux0890 | 6" funnel |
| guide tube | ePlastics | ACREXT.500X.250 | 1/2" OD x 1/4" ID Clear. Extruded Plexiglass Acrylic Tube x 6ft long |
| pellet delivery rod | ePlastics | ACRCAR.250 | 0.250" DIA. Cast Acrylic Rod (2' length) |
| plastic T connector | United States Plastic Corp | #62065 | 3/8" x 3/8" x 3/8" Hose ID Black HDPE Tee |
| LED lights | Lighting EVER | 4100066-DW-F | 12V Flexible Waterproof LED Light Strip, LED Tape, Daylight White, Super Bright 300 Units 5050 LEDS, 16.4Ft 5 M Spool |
| Light backing | ePlastics | ACTLNAT0.125X12X36 | 0.125" x 12" x 36" Natural Acetal Sheet |
| Light diffuser films | inventables | 23114-01 | .007×8.5×11", matte two sides |
| cabinet and custom frame materials | various (Home Depot, etc.) | 3/4" fiber board (see protocol for dimensions of each structure) | |
| acoustic foam | Acoustic First | FireFlex Wedge Acoustical Foam (2" Thick) | |
| ventilation fans | Cooler Master (Amazon) | B002R9RBO0 | Rifle Bearing 80mm Silent Cooling Fan for Computer Cases and CPU Coolers |
| cabinet door hinges | Everbilt (Home Depot | #14609 | continuous steel hinge (1.4" x 48") |
| cabinet wheels | Everbilt (Home Depot | #49509 | Soft rubber swivel plate caster with 90 lb. load rating and side brake |
| cabinet door handle | Everbilt (Home Depot | #15094 | White light duty door pull (4.5") |
| computer | Hewlett Packard | Z620 | HP Z620 Desktop Workstation |
| Camera Link Frame Grabber | National Instruments | #781585-01 | PCIe-1473 Virtex-5 LX50 Camera Link – Full |
| Multifunction RIO Board | National Instruments | #781100-01 | PCIe-17841R |
| Analog RIO Board Cable | National Instruments | SCH68M-68F-RMIO | Multifunction Cable |
| Digital RIO Board Cable | National Instruments | #191667-01 | SHC68-68-RDIO Digital Cable for R Series |
| Analog Terminal Block | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A Noise Rejecting, Shielded I/O Connector Block |
| Digital Terminal Block | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A Noise Rejecting, Shielded I/O Connector Block |
| 24 position relay rack | Measurement Computing Corp. | SSR-RACK24 | Solid state relay backplane (Gordos/OPTO-22 type relays), 24-channel |
| DC switch | Measurement Computing Corp. | SSR-ODC-05 | Solid state relay module, single, DC switch, 3 to 60 VDC @ 3.5 A |
| DC Sense | Measurement Computing Corp. | SSR-IDC-05 | solid state relay module, single, DC sense, 3 to 32 VDC |
| DC Power Supply | BK Precision | 1671A | Triple-Output 30V, 5A Digital Display DC Power Supply |
| sugar pellets | Bio Serv | F0023 | Dustless Precision Pellets, 45 mg, Sucrose (Unflavored) |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2014 SP1, 64 and 32-bit versions | 64-bit LabVIEW is required to access enough memory to stream videos, but FPGA coding must be performed in 32-bit LabVIEW |
| MATLAB | Mathworks | Matlab R2019a | box calibration and trajectory reconstruction software is written in Matlab and requires the Computer Vision toolbox |
References
- Chen, J., et al. An automated behavioral apparatus to combine parameterized reaching and grasping movements in 3D space. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
- Sacrey, L. A. R. A., Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Similar hand shaping in reaching-for-food (skilled reaching) in rats and humans provides evidence of homology in release, collection, and manipulation movements. Behavioural Brain Research. 204, 153-161 (2009).
- Whishaw, I. Q., Kolb, B. Decortication abolishes place but not cue learning in rats. Behavioural Brain Research. 11, 123-134 (1984).
- Klein, A., Dunnett, S. B. Analysis of Skilled Forelimb Movement in Rats: The Single Pellet Reaching Test and Staircase Test. Current Protocols in Neuroscience. 58, 8.28.1-8.28.15 (2012).
- 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. Behavioural Brain Research. 41, 49-59 (1990).
- Zeiler, S. R., et al. Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke. Stroke. 44, 483-489 (2013).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavioural Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Azim, E., Jiang, J., Alstermark, B., Jessell, T. M. Skilled reaching relies on a V2a propriospinal internal copy circuit. Nature. , (2014).
- Guo, J. Z. Z., et al. Cortex commands the performance of skilled movement. Elife. 4, e10774 (2015).
- Nica, I., Deprez, M., Nuttin, B., Aerts, J. M. Automated Assessment of Endpoint and Kinematic Features of Skilled Reaching in Rats. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 11, 255 (2017).
- Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. Journal of Neuroscience Methods. 246, 30-37 (2015).
- Torres-Espín, A., Forero, J., Schmidt, E. K. A., Fouad, K., Fenrich, K. K. A motorized pellet dispenser to deliver high intensity training of the single pellet reaching and grasping task in rats. Behavioural Brain Research. 336, 67-76 (2018).
- Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21, 1281-1289 (2018).
- Ellens, D. J., et al. An automated rat single pellet reaching system with high-speed video capture. Journal of Neuroscience Methods. 271, 119-127 (2016).
