עכברוש אוטומטי-גלולה יחידה להגיע עם 3-מימדי שחזור של כפה ומסלולי ספרות
Summary
מכרסם מיומנים להגיע משמש בדרך כלל כדי ללמוד כישורי מיומנות, אבל דורש זמן ומאמץ משמעותיים כדי ליישם את המשימה ולנתח את ההתנהגות. אנו מתארים גרסה אוטומטית של מיומנים להגיע עם מעקב תנועה ושחזור תלת מימדי של מסלולי הגעה.
Abstract
מכרסם מיומנים להגיע משמש בדרך כלל כדי ללמוד כישורי מיומנות, אבל דורש זמן ומאמץ משמעותיים כדי ליישם את המשימה ולנתח את ההתנהגות. מספר גרסאות אוטומטיות של הגעה מיומנים פותחו לאחרונה. כאן, אנו מתארים גרסה באופן אוטומטי מציג כדורי לחולדות תוך הקלטת וידאו בהבחנה גבוהה מזוויות מרובות בקצבי מסגרת גבוהה (300 fps). כף היד והספרות בודדים מסומנים עם DeepLabCut, אלגוריתם למידה מכונה עבור הערכה מרקרבלי. מערכת זו יכולה גם להיות מסונכרנת עם הקלטות פיזיולוגיות, או לשמש כדי להפעיל התערבויות פיזיולוגיים (למשל, גירוי חשמלי או אופטי).
Introduction
בני האדם תלויים במיומנות מיומנות, המוגדרים כתנועות הדורשות מתואם בדיוק תנועות רב מפרקים וספרות. כישורים אלה מושפעים ממגוון הפתווגיות נפוצות מערכת העצבים כולל נגעים מבניים (g., שבץ, גידול, נגעים deמיאלואידית), מחלות ניווניות (למשל, מחלת פרקינסון), ומומים פונקציונליים של מנוע מעגלים (לדוגמה, דייסטוניה). להבין כיצד מיומנויות מיומנות לומדים ומיושמים על ידי מעגלים מוטוריים מרכזיים ולכן יש פוטנציאל לשפר את איכות החיים עבור אוכלוסיה גדולה. יתר על כן, הבנה כזו עשויה לשפר את ביצועי המנוע באנשים בריאים על ידי אופטימיזציה של אימונים ואסטרטגיות שיקום.
מבתר את המעגלים העצביים שבבסיס מיומנות המיומנות בבני אדם מוגבל על ידי שיקולים טכנולוגיים ואתיים, המחייב את השימוש במודלים של בעלי חיים. פרימטים שאינם אנושיים משמשים בדרך כלל כדי ללמוד תנועות הגפיים מיומן בהתחשב הדמיון של מערכות מוטוריות שלהם רפרטואר התנהגותי לבני אדם1. עם זאת, פרימטים לא אנושיים יקרים עם פעמים דור ארוך, הגבלת מספר נושאים לימוד התערבויות גנטיות. יתרה מזאת, בעוד שארגז הכלים הנוירודעי הרלוונטי לפרימטים לא אנושיים גדול יותר מבני אדם, מקדמות טכנולוגיות רבות אינן זמינות או מוגבלות באופן משמעותי בפרימטים.
מכרסם מיומנים להגיע היא גישה משלימה לימוד שליטה מוטורית מיומנת. חולדות ועכברים יכולים להיות מאומנים כדי להגיע, לתפוס, ולאחזר גלולה סוכר ברצף סטריאוטיפי של תנועות הומוולוגי לדפוסי ההגעה האנושית2. בשל הזמן שלהם הדור הקצר יחסית ועלויות דיור נמוכות יותר, כמו גם יכולתם לרכוש מיומנים להגיע במשך ימים עד שבועות, ניתן ללמוד מספר רב של נושאים במהלך שלבים למידה וקונסולידציה מיומנות. השימוש של מכרסמים, במיוחד עכברים, גם מקל על השימוש בכלים נוירודעיים מודרניים חזקים (למשל, אלקטרואופטיקה, הדמיית סידן, מודלים גנטיים של מחלות) כדי ללמוד מיומנות מיומן.
מכרסם מיומנים להגיע שימש במשך עשרות שנים כדי ללמוד שליטה רגילה מוטוריים וכיצד הוא מושפע הפתווגיות ספציפיות כמו שבץ מחלת פרקינסון3. עם זאת, רוב הגירסאות של משימה זו הן העבודה ואינטנסיבית הזמן, מקלים את היתרונות של לימוד מכרסמים. יישומים טיפוסיים כוללים הצבת מכרסמים בחדר להגיע עם מדף מול חריץ צר שדרכו מכרסם חייב להגיע. חוקר מציב באופן ידני כדורי סוכר על המדף, מחכה לבעל החיים להגיע ולאחר מכן מציב עוד אחד. מגיע הבקיע כהצלחות או כשלים או בזמן אמת או על ידי סקירת וידאו4. עם זאת, הבקיע פשוט מגיע כמו הצלחות או כישלונות מתעלמת מידע קימטי עשיר שיכול לספק תובנה לגבי איך (בניגוד רק אם) להגיע הוא לקוי. בעיה זו טופלה על-ידי יישום סקירה מפורטת של הגעה לקטעי וידאו כדי לזהות ולתת הציון למחצה להגיע לתנועות משנה5. בעוד זה הוסיף כמה נתונים לגבי הגעה kinאמאם, זה גם הגביר באופן משמעותי את הזמן והמאמץ להיכנס. יתרה מזאת, רמות גבוהות של ניסויים מעורבות יכולות להוביל לחוסר עקביות בניתוח מתודולוגיה ומידע, גם בתוך אותה מעבדה.
לאחרונה, מספר גרסאות אוטומטיות של הגעה מיומנים פותחו. כמה לצרף לכלוב הבית6,7, ביטול הצורך להעביר בעלי חיים. זה גם מפחית את הלחץ על בעלי החיים ומבטלת את הצורך למזג אותם לחדר מיוחד להגיע. גירסאות אחרות מאפשרות מעקב אחר כפה כך ששינויים קימטיים תחת התערבויות ספציפיות ניתן ללמוד8,9,10, או יש מנגנונים לקבוע באופן אוטומטי אם כדורי הפילו את המדף11. משימות מיומנות אוטומטיות שימושיות במיוחד להכשרה בעוצמה גבוהה, כפי שניתן לעשות לשיקום לאחר פציעה12. מערכות אוטומטיות מאפשרות לבעלי חיים לבצע מספר רב של הגעה לפרקי זמן ארוכים ללא צורך במעורבות חוקרת אינטנסיבית. יתרה מזאת, מערכות המאפשרות מעקב אחר כפה ותוצאות אוטומטיות מפחיתות את זמן החוקר שהושקע בביצוע ניתוח נתונים.
פיתחנו עכברוש אוטומטי מיומנים להגיע למערכת עם מספר תכונות מיוחדות. ראשית, באמצעות המעמד הנייד כדי להביא את הגלולה לתוך “מיקום הגעה” מלמטה, אנחנו משיגים מבט כמעט ללא הכול של forelimb. שנית, מערכת של מראות מאפשרת תצוגות מרובות בו זמנית של ההישג עם מצלמה אחת, המאפשר שחזור תלת מימדי (3-D) של מסלולים להגיע ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה (300 fps) מצלמה. עם הפיתוח האחרון של אלגוריתמים למידה מכונה חזקה עבור מעקב תנועה markerless13, אנחנו עכשיו מעקב לא רק את הכף אבל האצבעות הפרט כדי לחלץ הגישה המפורטת לתפוס את הקינמטיקה. שלישית, תופש מסגרת המבצע עיבוד וידאו פשוט מאפשר זיהוי בזמן אמת של שלבים המגיעים בנפרד. מידע זה משמש כדי להפעיל רכישת וידאו (רכישת וידאו רציפה אינה מעשית בשל גודל הקובץ), והוא יכול לשמש גם כדי להפעיל התערבויות (למשל, אלקטרואופטיקה) ברגעים מדויקים. לבסוף, מסגרות וידאו בודדות מופעלות על ידי פולסים לוגיקה טרנזיסטור-טרנזיסטור (TTL), המאפשר את הווידאו להיות מסונכרן בדיוק עם הקלטות עצביות (למשל, אלקטרופיזיולוגיה או פוטומטריקה). כאן, אנו מתארים כיצד לבנות את המערכת, להכשיר חולדות כדי לבצע את המשימה, לסנכרן את המנגנון עם מערכות חיצוניות, ולשחזר 3-D מסלולים להגיע.
Protocol
Representative Results
Discussion
מכרסם מיומנים להגיע הפך כלי סטנדרטי ללמוד פיזיולוגיה מערכת מוטורית פתופסולוגיה. יש לנו לתאר כיצד ליישם עכברוש אוטומטי מיומנים להגיע משימה המאפשרת: הדרכה ובדיקות עם פיקוח מינימלי, כף יד תלת-ממדי שחזור המסלול הספרה (במהלך ההגעה, אוחז, ו כפה הנסיגה), זיהוי בזמן אמת של כפה במהלך ההגעה, וסנכרון ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות Karunesh Ganguly והמעבדה שלו לקבלת ייעוץ על המשימה להגיע מיומנים, אלכסנדר ומקנזי מאטיס על עזרתם בהתאמת DeepLabCut. עבודה זו היתה נתמכת על ידי המכון הלאומי למחלות נוירולוגיות שבץ (גרנט מספר K08-NS072183) ו אוניברסיטת מישיגן.
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).
