التحقيق عمليات التعلم المهارات الحركية مع الروبوتية Manipulandum
Summary
ويرد نموذج للتدريب وتحليل مهمة التوصل الماهرة الآلي في الفئران. تحليل محاولات سحب يكشف فرعية متميزة من التعلم الحركي.
Abstract
وتستخدم المهام الوصول المهرة عادة في الدراسات من تعلم المهارات الحركية وظيفة الحركة في ظل ظروف صحية ومرضية، ولكن يمكن أن يكون للزمن مكثف وغامضة لقياس ما وراء معدلات النجاح بسيطة. هنا، نحن تصف الإجراء التدريب للقيام بمهام الوصول وسحب مع ETH Pattus، منصة روبوتية لforelimb الآلي الوصول إلى التدريب الذي سجلات الشد والجذب حركات دوران اليد في الفئران. الكمي الحركية من محاولات سحب تنفيذ يكشف وجود ملامح الزمنية متميزة من المعلمات حركة مثل سحب سرعة، التغير المكاني للمسار سحب والانحراف من خط الوسط، وكذلك سحب نجاح. وتبين لنا كيف تعديلات طفيفة في نموذج التدريب تؤدي إلى إحداث تغييرات في هذه المعايير، وكشف عن علاقتها تكليف صعوبة، وظيفة السيارات العامة أو تنفيذ المهمة المهرة. جنبا إلى جنب مع تقنيات الكهربية، الدوائية وعلم البصريات الوراثي، وهذا النموذج يمكن استخدامهالاستكشاف الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي وتشكيل الذاكرة، فضلا عن فقدان واستعادة وظيفة (على سبيل المثال بعد السكتة الدماغية).
Introduction
وتستخدم على نطاق واسع المهام الحركية لتقييم التغيرات السلوكية والعصبية المتعلقة التعلم الحركي أو إلى تغيرات في وظيفة الحركة في النماذج الحيوانية عصبية أو الدوائية. وظيفة الحركية الدقيقة يمكن أن يكون من الصعب تحديد في القوارض، ولكن. المهام التي تتطلب المهارة اليدوية، مثل التلاعب من الحبوب 1، المعكرونة 2، أو بذور عباد الشمس 3 حساسة ولا تتطلب تدريبا مكثفا للحيوان. العيب الرئيسي هو أن هذه المهام تسفر عن نتائج معظمها النوعية، ويمكن أن يكون من الصعب أن يسجل بشكل لا لبس فيه.
المهام التوصل الماهرة، مثل الاختلافات من بيليه واحد الوصول مهمة هي الأكثر وضوحا لتحديد 4، 5. ومع ذلك، والعوامل الحركية التي تكمن وراء التنفيذ الناجح لهذه المهام لا يمكن إلا أن يستدل على نطاق محدود وتتطلب كثيفة العمالة الإطار حسب الإطار الفيديوnalysis.
اكتسبت الأجهزة الروبوتية شعبية كوسيلة لقياس جوانب وظيفة forelimb والمهارات الحركية. تتوفر العديد من المهام الآلي الوصول. التركيز الأغلبية على جانب واحد من حركة forelimb، مثل سحب من مؤشر على طول دليل خطي 6 و 7 و بسيطة وحركات الأطراف البعيدة 8، أو كب والبسط من مخلب 9. في حين تظهر هذه الأجهزة وعد لتحليل وظيفة الحركة في، فإنها تعكس فقط الإجراءات الحركية المعقدة نفذت خلال بيليه واحد الوصول إلى محدودة تمديد.
هنا، ونحن لشرح استخدام جهاز ثلاثة درجة-من-الحرية الروبوتية، ETH Pattus، وضعت لتدريب وتقييم المهام الحركية المختلفة في الفئران 10 و 11. فإنه يسجل مستو وحركة دورانية من الحركات الفئران forelimb في متناول اليد، فهم، وسحب المهام التي نفذت في المستوى الأفقي. الفئران تتفاعل مع الروبوت عن طريق مقبض كروي 6 مم القطر التي يمكن الوصول إليها من خلال نافذة في اختبار قفص (العرض: 15 سم، الطول: 40 سم، الطول: 45 سم) وانتقل في المستوى الأفقي (دفع وسحب الحركات) وتناوب (حركات كب-استلقاء). وبالتالي، فإنه يمكن الفئران لتنفيذ الحركات التي تقارب الذين أعدموا خلال المهام بيليه الوصول إلى واحدة التقليدية. نافذة هو 10 ملم واسعة وتقع على بعد 50 مم فوق أرضية القفص. يقع المقبض 55 مم فوق الأرض. والأبواب لبنات انزلاق الوصول إلى مقبض بين الوصول إلى المحاكمات ويفتح عند وصول الروبوت موقف بدايته ويغلق بعد اكتمال المحاكمة. بعد حركة نفذ بشكل صحيح، تتلقى الفئران مكافأة الطعام على الجانب الآخر من اختبار القفص.
يتم التحكم في الروبوت عن طريق برنامج ويسجل الناتج من 3 الترميز دوارة في 1000 هرتز، مما أسفر عن معلومات حول موقف سو المقبض في المستوى الأفقي، وكذلك زاوية دورانه (لمزيد من التفاصيل، أنظر المرجع 11). وقد حددت شروط المطلوبة لتنفيذ المهمة بنجاح في البرنامج قبل كل دورة تدريبية (على سبيل المثال الحد الأدنى المطلوب سحب المسافة وأقصى انحراف عن خط الوسط في مهمة الوصول وسحب). يتم تسجيل موقف مرجعية موحدة الأولي للمقبض مع حامل ثابت في بداية كل دورة تدريبية. يستخدم هذا المرجع لجميع التجارب خلال فترة الدورة، مؤكدا موقف بداية المستمر من المقبض لكل محاكمة. وأكد المواقع المستمر للمقبض المتعلقة نافذة قفص من قبل محاذاة علامات على القفص والروبوت (الشكل 1).
وتسجل تسجيلات فيديو للحركات الوصول باستخدام سرعة عالية كاميرا صغيرة (120 لقطة / ثانية، 640 × 480). والشاشة الصغيرة في عرض الكاميرا يظهر رقم تعريف الفئران، وتدريب الدورة،عدد المحاكمة ونتيجة المحاكمة (نجاح أو فشل). وتستخدم هذه أشرطة الفيديو للتحقق من النتائج المسجلة، وتقييم الآثار التوصل الحركات التي تسبق اللمس، وسحب أو دوران المقبض.
هنا، ونحن لشرح استخدام هذه المنصة الروبوتية في اختلافات مهمة الوصول وسحب. يمكن تدريب هذه المهمة في غضون فترة زمنية يمكن مقارنتها نماذج التوصل الماهرة الأخرى، ويعطي نتائج قابلة للتكرار. نحن تصف بروتوكول تدريب نموذجي، وكذلك بعض من معلمات الإخراج الرئيسية. وعلاوة على ذلك، وتبين لنا كيف يمكن للتغييرات طفيفة في بروتوكول التدريب المستخدمة يمكن أن يؤدي إلى دوام غيرت من النتائج السلوكية التي قد تمثل فرعية مستقلة في إطار عملية تعلم المهارات الحركية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتستخدم المهام الوصول المهرة عادة لدراسة المحركات اكتساب المهارات وكذلك ضعف وظيفة الحركة في ظل ظروف مرضية 6. تحليل موثوق واضح للوصول إلى السلوك ضروري لدراسة الآليات الخلوية الكامنة وراء اكتساب المهارات الحركية، وكذلك العمليات العصبية المشاركة في الخس?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية، مؤسسة بيتي وديفيد Koetser لأبحاث الدماغ ومؤسسة ETH.
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).
