Paw ve digit yörüngeleri 3 boyutlu yeniden yapılanma ile ulaşan otomatik Rat tek Pellet
Summary
Kemirgen yetenekli ulaşan yaygın becerikli becerileri çalışmak için kullanılır, ama önemli zaman ve çaba görevi uygulamak ve davranışı analiz gerektirir. Biz hareket izleme ve erişim yörüngeleri üç boyutlu yeniden yapılanma ile yetenekli ulaşmanın otomatik bir sürümünü tarif.
Abstract
Kemirgen yetenekli ulaşan yaygın becerikli becerileri çalışmak için kullanılır, ama önemli zaman ve çaba görevi uygulamak ve davranışı analiz gerektirir. Yetenekli ulaşmanın birkaç otomatik sürümleri son zamanlarda geliştirilmiştir. Burada, yüksek kare oranlarında (300 fps) çoklu açılardan yüksek çözünürlüklü video kaydederken otomatik olarak fareler için Pelet sunan bir sürümü tarif ediyoruz. Paw ve bireysel basamak ile izlenir deeplabcut, bir makine öğrenme algoritması için işaretsizdir poz tahmini. Bu sistem ayrıca fizyolojik kayıtlarla senkronize edilebilir veya fizyopatolojik müdahaleleri (örn. elektrik veya optik stimülasyon) tetiklemek için kullanılabilir.
Introduction
İnsanlar tam olarak koordine çok eklem ve basamak hareketleri gerektiren hareketler olarak tanımlanan, becerikli beceri üzerinde ağır bağlıdır. Bu beceriler, yapısal lezyonlar (örneğin inme, tümör, demyelasyon lezyonları), nörodejeneratif hastalık (örneğin Parkinson hastalığı) ve motor fonksiyonel anomalileri de dahil olmak üzere bir dizi ortak merkezi sinir sistemi patolojilerinden etkilenir (örn. dystonia). Merkezi motor devreleri tarafından nasıl becerikli becerileri öğrendiklerini ve uygulandığını anlamak, bu nedenle büyük bir nüfus için yaşam kalitesini artırma potansiyeline sahiptir. Ayrıca, bu tür anlayış eğitim ve rehabilitasyon stratejileri optimize ederek sağlıklı insanlarda motor performansını artırmak olasıdır.
İnsanlarda becerikli beceri temelindeki nöral devrelerin kesilmesi, hayvan modellerinin kullanımını gerektiren teknolojik ve etik hususlar ile sınırlıdır. İnsan dışı primatlar genellikle onların motor sistemlerinin benzerlik ve insanlara davranışsal repertuar verilen becerikli ekstremite hareketleri çalışmak için kullanılır1. Ancak, insan olmayan primatlar uzun nesil kez pahalı, çalışma konuları ve genetik müdahalelerin sayısını sınırlandırmak. Ayrıca, insan dışı primatlar için geçerli olan nörobilimsel Toolbox insanlar için daha büyükse, birçok son teknolojik gelişmeler ya kullanılamıyor ya da önemli ölçüde primatlarda sınırlıdır.
Kemirgen yetenekli ulaşmak, becerikli motor kontrolünü incelemek için tamamlayıcı bir yaklaşımdır. Rats ve fareler için ulaşmak için eğitimli olabilir, kavramak, ve insan ulaşan desenler2homolog hareketlerin bir klişe dizi bir şeker pelet almak. Nispeten kısa nesil zaman ve düşük konut maliyetleri nedeniyle, yanı sıra yeteneklerini haftalara gün içinde ulaşan yetenekli elde etmek için, hem öğrenme ve beceri konsolidasyon aşamaları sırasında konuların çok sayıda çalışmak mümkündür. Kemirgenlerin kullanımı, özellikle fareler, ayrıca güçlü modern nörooscientifik araçların kullanımını kolaylaştırır (örn., optogenetik, kalsiyum görüntüleme, hastalığın genetik modelleri) becerikli beceri çalışması için.
Kemirgen yetenekli ulaşan normal motor kontrolü ve nasıl inme ve Parkinson hastalığı3gibi belirli patolojiler tarafından etkilenir çalışmak için onlarca yıldır kullanılmıştır. Ancak, bu görevin çoğu sürümleri emek ve zaman yoğundur, kemirgenler eğitim yararları Azaltıcı. Tipik uygulamalar, kemirgenin ulaşması gereken dar bir yuvanın önünde bir raf ile bir erişim odasına kemirgenler yerleştirerek içerir. Bir araştırmacı elle rafta şeker Pellet yerleştirir, hayvan ulaşmak için bekler, ve sonra başka bir yere yerleştirir. Ulaşır başarı veya başarısızlıklar ya gerçek zamanlı olarak veya video İnceleme4olarak puan vardır. Ancak, başarılar ya da arızalar, sadece ulaşmanın bozulduğu şekilde nasıl (aksine) nasıl bilgi sağlayabilirler zengin kinematik verileri yoksayar olarak sadece Puanlama ulaşır. Bu sorun, tanımlamak ve yarı-nicematif puan erişim alt hareketleri5ulaşmak için videolar ulaşmak ayrıntılı inceleme uygulayarak giderildi. Bu erişim kinematikleri ile ilgili bazı veriler ekledi iken, aynı zamanda önemli ölçüde deney zaman ve çaba arttı. Ayrıca, yüksek düzeyde deney katılımı metodoloji ve veri analizi, aynı laboratuar içinde bile tutarsızlıklara yol açabilir.
Daha Geçenlerde, yetenekli ulaşmanın birkaç otomatik sürümleri geliştirilmiştir. Bazı ev kafesi6,7, hayvanları aktarmak için ihtiyaç ortadan kaldırmak ekleyin. Bu hem hayvanların stres azaltır ve özel bir ulaşan odasına onları gelmesini ihtiyacını ortadan kaldırır. Diğer sürümler, böylece belirli müdahaleler altında kinematik değişiklikler8,9,10, veya otomatik olarak Pellet raf11gitti olup olmadığını belirlemek için mekanizmalar var, böylece Paw izleme sağlar. Otomatik vasıflı ulaşmak görevleri özellikle yüksek yoğunluklu eğitim için yararlıdır, bir yaralanma sonra rehabilitasyon için gerekli olabilir12. Otomatik sistemler, hayvanların uzun süreler boyunca yoğun araştırmacı tutulumu gerektirmeden çok sayıda ulaşmasına olanak sağlar. Ayrıca, Paw izleme ve otomatik sonuç Puanlama izin sistemleri araştırmacı zaman veri analizi gerçekleştirmek için harcanan azaltır.
Biz çeşitli uzmanlaşmış özellikleri ile otomatik bir sıçan yetenekli ulaşan sistemi geliştirdi. İlk olarak, aşağıda “ulaşmak konumuna” içine Pelet getirmek için hareketli bir kaide kullanarak, biz forelimb neredeyse kesintisiz bir görünüm elde. İkinci olarak, bir ayna sistemi, yüksek çözünürlüklü, yüksek hızlı (300 fps) kamera kullanarak erişim yörüngeleri üç boyutlu (3-D) yeniden yapılanma sağlayan, tek bir kamera ile erişim birden fazla eşzamanlı görünümleri sağlar. İşaretsizdir hareket izleme13için sağlam makine öğrenme algoritmaları son gelişimi ile, şimdi sadece pençe ama bireysel Knuckles ayrıntılı erişim ayıklamak ve kinematik kavramak için takip. Üçüncü olarak, basit video işleme gerçekleştiren bir Frame-Grabber farklı ulaşan aşamaların gerçek zamanlı tanımlaması sağlar. Bu bilgiler video edinme tetiklemek için kullanılır (sürekli video edinme dosya boyutu nedeniyle pratik değildir), ve aynı zamanda kesin anlarda müdahaleleri (örn. optogenetiği) tetiklemek için kullanılabilir. Son olarak, tekil video çerçeveleri transistör-transistör mantığı (TTL) darbeleri ile tetiklenir ve videonun sinir kayıtlarıyla (örn. Elektrofizyoloji veya fotometri) tam olarak senkronize edilmesini sağlar. Burada, bu sistemin nasıl inşa edildiğini, görevi gerçekleştirmek için fareler eğitmesini, cihazı harici sistemlerle senkronize etmeyi ve 3-D erişim yörüngeleri yeniden inşa etmeyi tarif ediyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kemirgen yetenekli ulaşmak motor sistemi fizyolojisi ve patofizyolojisi incelemek için standart bir araç haline gelmiştir. Biz sağlayan otomatik bir sıçan yetenekli ulaşmak görev nasıl uygulanacağını tarif ettik: eğitim ve minimal gözetim ile test, 3-D pençe ve basamak yörünge yeniden yapılanma (ulaşan sırasında, açgözlü, ve Paw retraksiyon), gerçek zamanlı kimlik ulaşmak sırasında pençe ve dış elektronik ile senkronizasyon. Forelimb kinematikleri fizyolojiyle ilişkilendirmek ya da harek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Karunesh gok ve onun laboratuvarı yetenekli ulaşan görev ve Alexander ve Mackenzie Mathis üzerinde tavsiye için teşekkür etmek istiyorum DeepLabCut uyarlama onların yardım için. Bu çalışma Ulusal nörolojik hastalık ve Inme Enstitüsü (Grant numarası K08-NS072183) ve Michigan Üniversitesi tarafından destekleniyordu.
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).
