Investigação dos processos de aprendizagem motora habilidade com uma Robotic Manipulandum
Summary
Um paradigma é apresentado para o treinamento e análise de uma tarefa atingindo qualificados automatizado em ratos. Análise de tentativas de puxar revela subprocessos distintas de aprendizagem motora.
Abstract
tarefas atingindo qualificados são comumente usados em estudos de aprendizagem de habilidades motoras e função motora em condições saudáveis e patológicas, mas pode ser demorada e ambígua para quantificar as taxas de sucesso para além simples. Aqui, descrevemos o procedimento de formação para tarefas de alcance e-pull com ETH Pattus, uma plataforma robótica para forelimb automatizado treinamento de alcance que os registros de puxar e movimentos de rotação da mão em ratos. quantificação cinemática das tentativas realizadas puxando revela a presença de perfis temporais distintas de parâmetros do movimento, tais como a velocidade de puxar, a variabilidade espacial da trajectória de puxar, o desvio da linha média, assim como puxando sucesso. Nós mostramos como pequenos ajustes no paradigma de formação resultar em alterações nestes parâmetros, revelando sua relação com a tarefa de dificuldade, função motora geral ou execução de tarefa especializada. Combinado com técnicas electrofisiológicas, farmacológicos e optogenetic, este paradigma podem ser utilizadospara explorar os mecanismos subjacentes a aprendizagem motora e formação da memória, bem como a perda ea recuperação da função (por exemplo, após acidente vascular cerebral).
Introduction
tarefas motoras são amplamente utilizados para avaliar as mudanças comportamentais e neurológicos relacionados à aprendizagem motora ou a alterações na função motora em modelos animais neurológicas ou farmacológicos. função motora fina pode ser difícil de quantificar em roedores, no entanto. Tarefas que exigem destreza manual, como a manipulação dos cereais 1, massas 2, ou sementes de girassol 3 são sensíveis e não requerem treinamento extensivo do animal. A sua principal desvantagem é que essas tarefas produzir resultados qualitativos e principalmente pode ser difícil para marcar de forma inequívoca.
Tarefas atingindo especializados, tais como variações do pellet única atingindo tarefa são mais simples de quantificar 4, 5. No entanto, fatores cinemáticas que fundamentam a execução bem sucedida destas tarefas só pode ser inferida de forma limitada e requerem mão de obra intensiva quadro-a-quadro de vídeo análise.
dispositivos robóticos ganharam popularidade como meio de quantificar aspectos da função forelimb e habilidade motora. Várias tarefas atingindo automatizado estão disponíveis. O foco maior em um único aspecto de um movimento do membro anterior, como puxar uma alça ao longo de uma guia linear 6, 7, simples movimentos dos membros distais 8 ou pronação e supinação da pata 9. Embora estes dispositivos mostram a promessa para a análise da função motora, eles só refletem as ações motoras complexas executadas durante pellet única chegando a um número limitado de estender.
Aqui, nós demonstrar o uso de um dispositivo de três graus de liberdade robótico, ETH Pattus, desenvolvido para a formação e avaliação das diversas tarefas motoras em ratos 10, 11. Ele registra planar e movimento rotacional dos movimentos forelimb rato em alcance, alcance, epuxando as tarefas realizadas no plano horizontal. Ratos interagir com o robô através de um punho esférica a 6mm de diâmetro, que pode ser alcançado através de uma janela na gaiola teste (largura: 15 cm, comprimento: 40 cm, altura: 45 cm) e movido em relação ao plano horizontal (empurrando e puxando movimentos) e rodado (movimentos de pronação-supinação). Assim, ele permite que o rato para realizar movimentos que se aproximam os executados durante as tarefas de pelotização atingindo individuais convencionais. A janela é de 10 mm de largura e localizado a 50 mm acima do chão da gaiola. O identificador é localizado a 55 mm acima do piso. Um deslizamento de blocos porta de acesso ao cabo entre o final de ensaios e abre quando o robô atinge a sua posição inicial e fecha depois de um julgamento seja concluído. Depois de um movimento executado correctamente, os ratos recebem uma recompensa alimentar no lado oposto da gaiola de teste.
O robô é controlado via software e registra a saída de 3 rotativos a 1000 Hz, resultando em informações sobre a posição of a pega em relação ao plano horizontal, bem como o seu ângulo de rotação (para detalhes, ver referência 11). As condições necessárias para a execução da tarefa com sucesso são definidas no software antes de cada sessão de treino (por exemplo mínima exigida puxando distância e desvio máximo da linha média em uma tarefa alcance-and-pull). Uma posição de referência inicial normalizado da pega é gravado com um suporte fixo no início de cada sessão de treino. Esta referência é utilizado para todos os ensaios dentro de uma sessão, assegurando uma posição inicial constante do identificador para cada ensaio. Posicionamento constante da pega em relação à janela da gaiola é assegurada por alinhamento das marcas na gaiola e robô (Figura 1).
gravações de vídeo dos movimentos de alcance são gravados usando uma pequena câmera de alta velocidade (120 frames / s, resolução de 640 x 480). Um pequeno display na visão da câmera mostra o número de identificação do rato, sessão de treinamento,número de tentativas e resultado de teste (sucesso ou falha). Estes vídeos são utilizados para verificar os resultados registados e para avaliar os efeitos de se chegar a movimentos que precedem a tocar, ou puxando a rotação da pega.
Aqui, demonstramos a utilização dessa plataforma robótica em variações de uma tarefa alcance-e-pull. Esta tarefa pode ser formado dentro de um período de tempo que é comparável com outros paradigmas atingindo especializados e produz resultados reprodutíveis. Descreve-se um protocolo de treino típico, bem como alguns dos principais parâmetros de saída. Além disso, vamos mostrar como pequenas mudanças no protocolo de treinamento utilizado pode resultar em cursos de tempo alterados de resultados comportamentais que podem representar subprocessos independentes dentro do processo de aprendizagem de habilidades motoras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tarefas atingindo qualificados são comumente usados para estudar aquisição de habilidades motoras, bem como comprometimento da função motora em condições patológicas 6. análise confiável e inequívoca de alcançar comportamento é essencial para o estudo dos mecanismos celulares subjacentes aquisição de habilidades motoras, bem como processos neurofisiológicos envolvidos na perda e subsequente recuperação da função em modelos animais de doença neurológica. Os resultados aqui ap…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation suíço, a Betty e David Koetser Fundação para Pesquisa do Cérebro e da Fundação 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 |
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