La investigación de los procesos de aprendizaje de habilidades motoras con una robótica Manipulandum

Summary

Un paradigma se presenta para la formación y el análisis de una tarea de alcanzar experto automatizado en ratas. Análisis de los intentos de tracción revela distintos subprocesos del aprendizaje motor.

Abstract

tareas que alcanzan cualificados son comúnmente utilizados en estudios sobre el aprendizaje de habilidades motoras y la función motora en condiciones sanas y patológicas, pero puede ser mucho tiempo y ambigua para cuantificar las tasas de éxito más allá de simples. A continuación, se describe el procedimiento de entrenamiento para las tareas de alcance y afloja con ETH Pattus, una plataforma robótica para la extremidad anterior automatizado llegar a la formación que los registros de tracción y movimientos de rotación mano en ratas. cuantificación cinemática de los intentos de tracción realizados revela la presencia de los perfiles temporales distintos de los parámetros de movimiento, tales como velocidad de tracción, la variabilidad espacial de la trayectoria de tracción, la desviación de la línea media, así como tirando de éxito. Se muestra cómo los ajustes de menor importancia en el paradigma de formación dan lugar a alteraciones en estos parámetros, revelando su relación con la dificultad de la tarea, la función motora general o ejecución de la tarea especializada. En combinación con técnicas electrofisiológicas, farmacológicas y optogenética, este paradigma se puede utilizarpara explorar los mecanismos que subyacen en el aprendizaje motor y la formación de la memoria, así como la pérdida y recuperación de la función (por ejemplo, después del accidente cerebrovascular).

Introduction

tareas motoras son ampliamente utilizados para evaluar los cambios de comportamiento y neuronales relacionados con el aprendizaje motor o a alteraciones en la función motora en modelos animales neurológicos o farmacológicos. la función motora fina puede ser difícil de cuantificar en roedores, sin embargo. Las tareas que requieren destreza manual, como la manipulación de los cereales ^{1, 2} pastas, o semillas de girasol ³ son sensibles y no requieren una amplia formación del animal. Su principal inconveniente es que estas tareas dan resultados cualitativos y sobre todo pueden ser difíciles de conseguir sin ambigüedades.

Tareas que alcanzan cualificados, tales como las variaciones de la sola pastilla alcanzar tarea son más fáciles de cuantificar ^{4, 5.} Sin embargo, los factores cinemáticos que subyacen a la ejecución con éxito de estas tareas sólo se pueden inferir de forma limitada y requieren mucha mano de obra fotograma a fotograma de vídeo de unanálisis.

dispositivos robóticos han ganado popularidad como medio de cuantificar aspectos de la función de la extremidad anterior y las habilidades motoras. Varias tareas de alcance automatizado están disponibles. La mayoría se centra en un solo aspecto de un movimiento de la extremidad anterior, tal como tirando de un mango a lo largo de una guía lineal ^{6, 7,} simples movimientos de las extremidades distales ^8, o pronación y supinación de la pata ^9. Aunque estos dispositivos son prometedores para el análisis de la función motora en, que sólo reflejan las acciones motoras complejas ejecutadas durante sola pastilla de llegar a un número limitado de extender.

A continuación, se demuestra el uso de un dispositivo de tres grados de libertad robótico, ETH Pattus, desarrollado para la formación y evaluación de diversas tareas motoras en ratas ^{10, 11.} Se registra plana y el movimiento de rotación de los movimientos de las extremidades anteriores en ratas alcance, agarre, ytirando de las tareas llevadas a cabo en el plano horizontal. Las ratas interactúan con el robot a través de un mango esférico 6 mm de diámetro que se puede alcanzar a través de una ventana en la jaula de prueba (anchura: 15 cm, longitud: 40 cm, altura: 45 cm) y se movió en el plano horizontal (empujar y tirar movimientos) y los movimientos de pronación-supinación (giradas). De este modo, se permite a la rata para llevar a cabo los movimientos que se aproximan a los ejecutados durante las tareas de pellets llegar individuales convencionales. La ventana es de 10 mm de ancho y situado a 50 mm por encima del suelo de la jaula. El mango se encuentra 55 mm por encima del suelo. A bloques de la puerta corredera de acceso al asa entre llegar a los ensayos y se abre cuando el robot alcanza su posición inicial y se cierra después de que se complete un ensayo. Después de un movimiento ejecutado correctamente, las ratas reciben una recompensa de comida en el lado opuesto de la jaula de prueba.

El robot es controlado a través del software y los registros de salida de 3 codificadores rotatorios a 1000 Hz, lo que resulta en información acerca de la posición o,f el mango en el plano horizontal, así como su ángulo de rotación (para más detalles, véase la referencia ^11). Las condiciones requeridas para la ejecución de la tarea con éxito se definen en el software antes de cada sesión de entrenamiento (por ejemplo, mínimo requerido tirando distancia y desviación máxima de la línea media en una tarea de alcance-y-pull). Una posición de referencia estandarizada inicial de la manija se registra con un soporte fijo en el inicio de cada sesión de entrenamiento. Esta referencia se utiliza para todos los ensayos dentro de una sesión, asegurando una posición de inicio constante de la manija para cada ensayo. Posicionamiento constante de la empuñadura con relación a la ventana de la jaula está asegurada por la alineación de las marcas en la jaula y robot (Figura 1).

Las grabaciones de vídeo de los movimientos de extensión se registran utilizando una pequeña cámara de alta velocidad (120 frames / s, 640 x 480 de resolución). Una pequeña pantalla en vista de la cámara muestra el número de identificación de la rata, la sesión de entrenamiento,Número de prueba y el resultado del ensayo (éxito o fracaso). Estos vídeos se utilizan para verificar los resultados registrados y para evaluar los efectos de llegar a los movimientos que preceden al tocar, tirar o giro de la manivela.

A continuación, se demuestra el uso de esta plataforma robótica en variaciones de una tarea de alcance y afloja. Esta tarea puede ser entrenado en un plazo de tiempo que es comparable a otros paradigmas que alcanzan cualificados y produce resultados reproducibles. Se describe un protocolo de entrenamiento típico, así como algunos de los principales parámetros de salida. Por otra parte, se muestra cómo pequeños cambios en el protocolo de entrenamiento utilizado puede dar lugar a cursos de tiempo alterados de los resultados conductuales que pueden representar subprocesos independientes dentro del proceso de aprendizaje de habilidades motoras.

Protocol

Los experimentos presentados aquí fueron aprobados por la Oficina veterinaria del Cantón de Zurich, Suiza, y se llevaron a cabo según las normas nacionales e institucionales. 1. Las condiciones de alimentación NOTA: Todas las sesiones de entrenamiento se realizan bajo un protocolo de alimentación programada. Alimentar a las ratas 50 g / kg de pienso estándar una vez al día, una vez finalizada la formación. Esta cantidad de comida es suficiente …

Representative Results

Aquí, mostramos 3 variaciones de una tarea de alcance y de tracción utilizando ratas Long-Evans machos (10-12 semanas de edad). En el grupo sin tracción (FP) (N = 6), las ratas fueron entrenadas para tirar de la manija del robot durante un periodo de 22 días sin restricciones laterales. Los animales en el método lineal, tirar de 1 grupo (SP1) (N = 12) fueron entrenados para tirar de la palanca sin desviarse más de 2 mm de la línea media. Estos animales transición directamente de …

Discussion

Tareas que alcanzan cualificados son comúnmente utilizados para estudiar la adquisición de habilidades motoras, así como el deterioro de la función motora en condiciones patológicas ^6. análisis fiable y sin ambigüedades de alcanzar comportamiento es esencial para el estudio de los mecanismos celulares subyacentes adquisición de habilidades motoras, así como procesos neurofisiológicos involucrados en la pérdida y la posterior recuperación de la función en modelos animales de enfermeda…

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