Bir Robotik Manipulandum ile motor Beceri Öğrenme Süreçlerinin İncelenmesi
Summary
Bir paradigma sıçanlarda otomatik yetenekli ulaşan görevin eğitim ve analizi için sunulmuştur. çekme girişimlerinin analizi, motor öğrenme farklı subprocesses ortaya koymaktadır.
Abstract
Nitelikli ulaşan görevler genellikle sağlıklı ve patolojik koşullar altında motor beceri öğrenme ve motor fonksiyon çalışmalarında kullanılır, ancak zaman yoğun ve belirsiz basit başarı oranları ötesinde ölçmek için olabilir. Burada, ETH Pattus, kayıtları çekme ve sıçanlarda el rotasyon hareketleri o eğitimi ulaşan otomatik ön ayakları için bir robot platformu ile erişim-ve-çekme görevler için eğitim prosedürü açıklar. gerçekleştirilen çekme girişimleri kinematik ölçümü gibi orta hattan hızı, çekme yörünge mekansal değişkenlik, sapma çekerek, yanı sıra başarıyı çekerek olarak hareket parametrelerinin farklı zamansal profilleri varlığını ortaya koymaktadır. Biz eğitim paradigmasında küçük ayarlamalar zorluk, genel motor fonksiyon veya yetenekli görev yürütme görev onların ilişkisini ifşa bu parametrelerdeki değişiklikler neden göstermek. Elektrofizyolojik, farmakolojik ve optogenetic teknikleri ile birleştiğinde, bu paradigma kullanılabilir(inme sonrası örneğin) Motor öğrenme ve hafıza oluşumunun yanı sıra kaybı ve fonksiyon kurtarma altında yatan mekanizmaları keşfetmek için.
Introduction
Motor görevleri yaygın nörolojik ya da farmakolojik hayvan modellerinde motor fonksiyon değişikliklere motor öğrenme veya ilgili davranışsal ve nöral değişiklikleri değerlendirmek için kullanılır. Ince motor fonksiyon, ancak kemirgenlerde ölçmek zor olabilir. Bu tür tahıl 1 manipülasyon, makarna 2 veya ayçiçeği tohumu 3 olarak el becerisi gerektiren görevler, duyarlı ve hayvan kapsamlı bir eğitim gerektirmez. Onların büyük dezavantajı bu görevleri çoğunlukla nitel sonuçlar ve net bir şekilde skor zor olabilir olmasıdır.
Böyle bir görevi ulaşan tek pelet varyasyonları olarak Nitelikli ulaşan görevleri, 4, 5 ölçmek için daha basittir. Ancak, bu görevlerin başarılı bir şekilde yürütülmesini altında yatan kinematik faktörler yalnızca sınırlı ölçüde olayla ve emek-yoğun kare-kare, video a gerektirir edilebilirnalysis.
Robotik cihazlar ön ayakları fonksiyonu ve motor beceri yönlerini miktarının aracı olarak popülerlik kazanmıştır. Çeşitli otomatik ulaşan görevler mevcuttur. Böyle bir doğrusal kılavuz boyunca bir sapın 6, 7, basit distal ekstremite hareketleri pençe 9 8 veya pronasyonu ve supinasyon çekerek bir ön ayakları hareketinin tek yönü üzerinde çoğunluk odak. bu cihazlar içinde motor fonksiyon analizi için umut vaat ederken, onlar sadece karmaşık motor eylemleri uzatmak sınırlı ulaşan tek pelet sırasında idam yansıtmaktadır.
Burada, sıçanlarda 10, 11 çeşitli motorlu görevleri eğitim ve değerlendirilmesi için geliştirilmiş bir üç derecelik serbestlik robotik cihaz, ETH Pattus, kullanımını göstermektedir. Bu düzlemsel ve erişim, kavramak sıçan ön ayakları hareketleri dönme hareketini ve kaydederyatay düzlemde yürütülen görevler çekerek. (Itme ve çekme ve yatay düzlemde hareket fareler test kafesine (45 cm x 15 cm, uzunluk: 40 cm, yükseklik genişlik) bir pencereden ulaşılabilir 6 mm çaplı, küresel kolu ile robot ile etkileşime hareketleri) ve döndürülmüş (pronasyon-supinasyon hareketleri). Bu nedenle, geleneksel tek pelet ulaşan görevler sırasında idam benzeşmekte hareketleri yürütmek için sıçan sağlar. Pencere 10 mm genişliğinde ve kafes yerden 50 mm yer almaktadır. sap yerden 55 mm yer almaktadır. Bir sürgülü kapı blokları deneme ulaşan ve robot başlangıç konumuna ulaştığında ve deneme tamamlandıktan sonra kapandığında açılır arasındaki sapa erişir. düzgün bir şekilde yürütülür hareket sonra, sıçanlar test kafesine karşı tarafında bir gıda ödül almak.
Robot yazılım üzerinden kontrol ve pozisyon o hakkında bilgi sonuçlanan 1000 Hz de 3 döner enkoderler çıktı kayıtları olduğuyatay bir düzlemde, hem de kendi dönme açısı sapa F (Daha fazla bilgi için, 11 referans bakınız). Başarılı bir görev yürütülmesi için gerekli koşullar (örneğin asgari bir erişim-ve-çekme görevi orta hat mesafe ve maksimum sapmayı çekerek gerekli) her antrenmandan önce yazılımda tanımlanır. sapın bir başlangıç standart referans konumu her eğitim oturumunun başında sabit tutucu ile kaydedilir. Bu referans her deneme için sapın sabit başlama pozisyonu güvence, bir oturum içinde tüm çalışmalar için kullanılır. Kafes penceresine tanıtıcı göreceli sabit konumlandırma kafes ve robot (Şekil 1) işaretleri uyum ile güvence altına alınmıştır.
ulaşan hareketlerin Video kayıtları, küçük bir yüksek hızlı kamera (120 kare / sn, 640 x 480 çözünürlük) kullanılarak kaydedilir. Kameranın görünümünde küçük bir ekran oturumu eğitim, sıçan kimlik numarasını gösterir,deneme numarası ve deneme sonucu (başarı ya da başarısız). Bu videolar kaydedilen sonuçları doğrulamak ve dokunma önce hareketleri ulaşan sapı çekerek veya rotasyon etkilerini değerlendirmek için kullanılır.
Burada, bir erişim-ve-çekme görevi varyasyonları bu robot platformunun kullanımını göstermektedir. Bu görev, diğer yetenekli ulaşan paradigmalar karşılaştırılabilir ve tekrarlanabilir sonuçlar verir bir süre içinde eğitilmiş olabilir. Biz tipik bir eğitim protokolü, yanı sıra bazı temel çıkış parametreleri açıklar. Ayrıca, biz kullanılan eğitim protokolü küçük değişiklikler motor beceri öğrenme süreci içinde bağımsız subprocesses temsil edebilir davranışsal sonuçlar değişmiş zamanlı kurslar neden olabilir nasıl gösterir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nitelikli ulaşan görevler genellikle patolojik durumlar 6 altında motor beceri edinimi yanı sıra motor fonksiyon bozukluğunu incelemek için kullanılır. davranışı ulaşma güvenilir ve kesin analizi motor beceri kazanımı, hem de kayıp ve nörolojik hastalığın hayvan modellerinde fonksiyonunun geri kazanılması yer nörofizyolojik işlemleri altında yatan hücresel mekanizmaları üzerinde çalışılması için gereklidir. Burada sunulan sonuçlar çekerek hareketin mekansal ve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma İsviçre Ulusal Bilim Vakfı, Betty ve David Koetser Vakfı Beyin Araştırmaları ve ETH Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
