Diseño y uso de un aparato para presentar objetos agarrables en el espacio de trabajo 3D
Summary
Aquí se presenta un protocolo para construir un aparato automático que guía a un mono a realizar la tarea flexible de alcance a agarre. El aparato combina un dispositivo traslacional 3D y una mesa giratoria para presentar múltiples objetos en una posición arbitraria en el espacio 3D.
Abstract
Alcanzar y agarrar son movimientos altamente acoplados, y su dinámica neuronal subyacente ha sido ampliamente estudiada en la última década. Para distinguir las codificaciones de alcance y comprensión, es esencial presentar diferentes identidades de objeto independientes de sus posiciones. Aquí se presenta el diseño de un aparato automático que se monta con una mesa giratoria y un dispositivo traslacional tridimensional (3D) para lograr este objetivo. La mesa de torneado cambia diferentes objetos correspondientes a diferentes tipos de pinzamiento, mientras que el dispositivo traslacional 3D transporta la mesa de torneado en espacio 3D. Ambos son impulsados independientemente por motores para que la posición de destino y el objeto se combinen arbitrariamente. Mientras tanto, la trayectoria de la muñeca y los tipos de agarre se registran a través del sistema de captura de movimiento y los sensores táctiles, respectivamente. Además, se describen los resultados representativos que demuestran el mono entrenado con éxito utilizando este sistema. Se espera que este aparato facilite a los investigadores el estudio de la cinemática, los principios neuronales y las interfaces cerebro-máquina relacionadas con la función de las extremidades superiores.
Introduction
Se han desarrollado varios aparatos para estudiar los principios neuronales subyacentes al movimiento de alcance y agarre en primates no humanos. Al llegar a las tareas, pantalla táctil1,2, cursor de pantalla controlado por un joystick3,4,5,6,7, y la tecnología de realidad virtual8 , 9 , 10 se han empleado todos para presentar objetivos 2D y 3D, respectivamente. Para introducir diferentes tipos de pinzamientos, los objetos de forma diferente fijados en una posición o girando alrededor de un eje se utilizaron ampliamente en las tareas de agarre11,12,13. Una alternativa es utilizar señales visuales para informar a los sujetos para agarrar el mismo objeto con diferentes tipos de agarre14,15,16,17. Más recientemente, los movimientos de alcance y agarre se han estudiado juntos (es decir, los sujetos alcanzan múltiples posiciones y se agarran con diferentes tipos de agarre en una sesión experimental)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Los primeros experimentos han presentado objetos manualmente, lo que inevitablemente conduce a un tiempo bajo y precisión espacial20,21. Para mejorar la precisión experimental y ahorrar mano de obra, los dispositivos de presentación automática controlados por programas han sido ampliamente utilizados. Para variar la posición de destino y el tipo de pinzamiento, los experimentadores han expuesto varios objetos simultáneamente, pero la posición relativa (o absoluta) de los objetivos y los tipos de pinzamiento están unidos entre sí, lo que provoca patrones de disparo rígidos a través del entrenamiento a largo plazo22 ,27,28. Los objetos se presentan generalmente en un plano 2D, lo que limita la diversidad de alcanzar el movimiento y la actividad neuronal19,25,26. Recientemente, la realidad virtual24 y el brazo robot23,29 se han introducido para presentar objetos en el espacio 3D.
Aquí se presentan protocolos detallados para la construcción y el uso de un aparato automatizado30 que puede lograr cualquier combinación de múltiples posiciones de destino y tipos de agarre en el espacio 3D. Diseñamos una mesa de torneado para cambiar objetos y dispositivos traslacionales 3D para transportar la mesa de torneado en espacio 3D. Tanto la mesa de torneado como el dispositivo traslacional son impulsados por motores independientes. Mientras tanto, la trayectoria 3D de las señales neuronales y de muñeca del sujeto se registra simultáneamente a lo largo del experimento. El aparato proporciona una plataforma valiosa para el estudio de la función de las extremidades superiores en el mono rhesus.
Protocol
Representative Results
Discussion
El aparato conductual se describe aquí permite una combinación en sentido de prueba de diferentes movimientos de alcance y agarre (es decir, el mono puede agarrar objetos de formas diferentes en cualquier lugar 3D arbitrario en cada ensayo). Esto se logra mediante la combinación de una tabla de torneado personalizada que cambia diferentes objetos y un dispositivo de traslacional lineal que transporta la tabla de torneado a varias posiciones en el espacio 3D. Además, las señales neuronales del mono, la trayectoria de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al Sr. Shijiang Shen su consejo sobre el diseño de aparatos y a la Sra. Guihua Wang por su asistencia en el cuidado y el entrenamiento de los animales. Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional De Investigación y Desarrollo Clave de China (2017YFC1308501), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31627802), los Proyectos Públicos de la Provincia de Zhejiang (2016C33059), y los Fondos Fundamentales de Investigación para la Universidades Centrales.
Materials
| Active X-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 600 mm; Load, 25 kg |
| Active Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm, Load 35 kg |
| Active Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Bearing | Taobao.com | 6004-2RSH | Acrylic |
| Case | Custom mechanical processing | TT-C | Acrylic |
| Connecting ring | CCM Automation technology Inc., China | 57/60-W50 | |
| Connecting shaft | CCM Automation technology Inc., China | D12-700 | Diam., 12 mm;Length, 700 mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-12 | Inner diam., 12-12mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-14 | Inner diam., 14-12mm |
| Electric slip ring | Semring Inc., China | SNH020a-12 | Acrylic |
| Locating bar | Custom mechanical processing | TT-L | Acrylic |
| Motion capture system | Motion Analysis Corp. US | Eagle-2.36 | |
| Neural signal acquisition system | Blackrock Microsystems Corp. US | Cerebus | |
| NI DAQ device | National Instruments, US | USB-6341 | |
| Object | Custom mechanical processing | TT-O | Acrylic |
| Passive Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm; Load 35 kg |
| Passive Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Pedestal | CCM Automation technology Inc., China | 80-W60 | |
| Peristaltic pump | Longer Inc., China | BT100-1L | |
| Planetary gearhead | CCM Automation technology Inc., China | PLF60-5 | Flange, 60×60 mm; Reduction ratio, 1:5 |
| Right triangle frame | CCM Automation technology Inc., China | 290-300 | |
| Rotator | Custom mechanical processing | TT-R | Acrylic |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01930 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.91 N·m; for Y- and Z-rail |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01330 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.27 N·m; for X-rail |
| Shaft | Custom mechanical processing | TT-S | Acrylic |
| Stepping motor | Taobao.com | 86HBS120 | Flange, 86×86 mm; Torque, 1.27 N·m; Driving turning table |
| Touch sensor | Taobao.com | CM-12X-5V | |
| Tricolor LED | Taobao.com | CK017, RGB | |
| T-shaped connecting board | CCM Automation technology Inc., China | 110-120 |
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