स्वचालित चूहा एकल-गोली पंजा और अंक त्रासदियों के 3-आयाम पुनर्निर्माण के साथ पहुँचने
Summary
Rodent कुशल तक पहुँचने आमतौर पर कुशल कौशल का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता है, लेकिन महत्वपूर्ण समय और कार्य को लागू करने और व्यवहार का विश्लेषण करने के प्रयास की आवश्यकता है. हम गति ट्रैकिंग और पहुँच tractories के तीन आयामी पुनर्निर्माण के साथ कुशल तक पहुँचने के एक स्वचालित संस्करण का वर्णन.
Abstract
Rodent कुशल तक पहुँचने आमतौर पर कुशल कौशल का अध्ययन करने के लिए प्रयोग किया जाता है, लेकिन महत्वपूर्ण समय और कार्य को लागू करने और व्यवहार का विश्लेषण करने के प्रयास की आवश्यकता है. कुशल पहुंच के कई स्वचालित संस्करण हाल ही में विकसित किए गए हैं। यहाँ, हम एक संस्करण है कि स्वचालित रूप से चूहों को छर्रों प्रस्तुत करता है, जबकि उच्च फ्रेम दरों (300 एफपीएस) पर कई कोणों से उच्च परिभाषा वीडियो रिकॉर्डिंग का वर्णन. पंजा और व्यक्तिगत अंक DeepLabCut, मार्कर रहित मुद्रा आकलन के लिए एक मशीन सीखने एल्गोरिथ्म के साथ ट्रैक कर रहे हैं। इस प्रणाली को भी शारीरिक रिकॉर्डिंग के साथ सिंक्रनाइज़ किया जा सकता है, या शारीरिक हस्तक्षेप (उदाहरण के लिए, बिजली या ऑप्टिकल उत्तेजना) को गति प्रदान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
Introduction
मनुष्य निपुण कौशल पर भारी निर्भर करते हैं, जिसे उन आंदोलनों के रूप में परिभाषित किया जाता है जिन्हें ठीक समन्वित बहु-संयुक्त और अंक आंदोलनों की आवश्यकता होती है। ये कौशल संरचनात्मक घावों (जैसे, स्ट्रोक, ट्यूमर, demyelinating घावों), neurodegenerative रोग (जैसे, पार्किंसंस रोग), और मोटर के कार्यात्मक असामान्यताओं सहित आम केंद्रीय तंत्रिका तंत्र रोगों की एक श्रृंखला से प्रभावित हैं सर्किट (उदा., डिस्टोनिया)। समझ कैसे कुशल कौशल सीखा है और केंद्रीय मोटर सर्किट द्वारा लागू कर रहे हैं इसलिए एक बड़ी आबादी के लिए जीवन की गुणवत्ता में सुधार करने की क्षमता है. इसके अलावा, इस तरह की समझ प्रशिक्षण और पुनर्वास रणनीतियों के अनुकूलन के द्वारा स्वस्थ लोगों में मोटर प्रदर्शन में सुधार की संभावना है.
मानव में कुशल कौशल अंतर्निहित तंत्रिका सर्किट विच्छेदन तकनीकी और नैतिक विचारों द्वारा सीमित है, पशु मॉडल के उपयोग की आवश्यकता. गैर-मानव प्राइमेट्स का उपयोग आमतौर पर उनकी मोटर प्रणालियों की समानता और मनुष्यों के व्यवहार प्रदर्शनों को देखते हुए कुशल अंग आंदोलनों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है1. हालांकि, गैर मानव primates लंबी पीढ़ी के समय के साथ महंगे हैं, अध्ययन विषयों और आनुवंशिक हस्तक्षेप की संख्या सीमित. इसके अलावा, जबकि neuroवैज्ञानिक toolbox nonhuman primates के लिए लागू मनुष्य के लिए की तुलना में बड़ा है, कई हाल ही में तकनीकी प्रगति या तो अनुपलब्ध हैं या काफी primates में सीमित.
Rodent कुशल तक पहुँचने कुशल मोटर नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए एक पूरक दृष्टिकोण है. चूहे और चूहे मानव पहुँचने पैटर्न2के लिए homologous आंदोलनों की एक स्टीरियोटाइप अनुक्रम में एक चीनी गोली तक पहुँचने के लिए प्रशिक्षित किया जा सकता है, समझ, और पुनः प्राप्त . उनके अपेक्षाकृत कम पीढ़ी के समय और कम आवास लागत के कारण, साथ ही साथ सप्ताह के लिए दिन में कुशल पहुँचने के लिए अपनी क्षमता के कारण, यह दोनों सीखने और कौशल समेकन चरणों के दौरान विषयों की बड़ी संख्या का अध्ययन करने के लिए संभव है. कृन्तकों, विशेष रूप से चूहों का उपयोग, भी कुशल कौशल का अध्ययन करने के लिए शक्तिशाली आधुनिक neuroवैज्ञानिक उपकरण (उदा., optogenetics, कैल्शियम इमेजिंग, रोग के आनुवंशिक मॉडल) के उपयोग की सुविधा.
सामान्य मोटर नियंत्रण का अध्ययन करने के लिए दशकों से कुशल पहुंच का उपयोग किया गया है और यह स्ट्रोक और पार्किंसंस रोग3जैसे विशिष्ट रोगों से कैसे प्रभावित होता है। हालांकि, इस कार्य के अधिकांश संस्करणों श्रम और समय गहन हैं, कृन्तकों का अध्ययन करने के लाभों को कम करने. विशिष्ट implementations एक संकीर्ण स्लॉट जिसके माध्यम से कृन्तक तक पहुँचने चाहिए के सामने एक शेल्फ के साथ एक पहुंच कक्ष में कृन्तकों रखने शामिल है. एक शोधकर्ता मैन्युअल रूप से शेल्फ पर चीनी छर्रों देता है, पशु तक पहुँचने के लिए इंतजार कर रहा है, और फिर एक दूसरे को देता है. पहुँच वास्तविक समय में या वीडियो की समीक्षा4द्वारा या तो सफलता या विफलताओं के रूप में रन बनाए हैं. हालांकि, बस सफलता या विफलताओं के रूप में पहुँच स्कोरिंग अमीर शुद्ध गतिसेक डेटा है कि कैसे में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं पर ध्यान नहीं देता है (के रूप में बस के विरोध में कि क्या) तक पहुँचने बिगड़ा है. इस समस्या की पहचान करने के लिए वीडियो तक पहुँचने की विस्तृतसमीक्षा को लागू करने और अर्द्ध मात्रात्मक स्कोर उप-आंदोलन5 तक पहुँचने के द्वारा संबोधित किया गया था। हालांकि यह पहुँच शुद्ध गतिविज्ञान के बारे में कुछ डेटा जोड़ा, यह भी काफी प्रयोगकर्ता समय और प्रयास में वृद्धि हुई. इसके अलावा, प्रयोगकर्ता भागीदारी के उच्च स्तर पद्धति और डेटा विश्लेषण में विसंगतियों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं, यहां तक कि एक ही प्रयोगशाला के भीतर.
हाल ही में, कुशल पहुंच के कई स्वचालित संस्करण विकसित किए गए हैं। कुछ घर पिंजरे6,7,जानवरों के हस्तांतरण की जरूरत को नष्ट करने के लिए देते हैं। यह दोनों जानवरों पर तनाव कम कर देता है और उन्हें एक विशेष तक पहुँचने कक्ष के लिए acclimate की जरूरत समाप्त. अन्य संस्करण पंजा ट्रैकिंग की अनुमति देते हैं ताकि विशिष्ट हस्तक्षेपों के अंतर्गत शुद्ध परिवर्तनों का अध्ययनकियाजा सके8 ,9,10, या स्वचालित रूप से यह निर्धारित करने के लिए तंत्र हो कि छल्लों को शेल्फ11से गिरा दिया गया था या नहीं . स्वचालित कुशल पहुंच कार्य विशेष रूप से उच्च तीव्रता वाले प्रशिक्षण के लिए उपयोगी होते हैं , जो चोटकेबाद पुनर्वास के लिए आवश्यक हो सकते हैं 12 . स्वचालित प्रणाली जानवरों गहन शोधकर्ता भागीदारी की आवश्यकता के बिना समय की लंबी अवधि में पहुँच की बड़ी संख्या में प्रदर्शन करने के लिए अनुमति देते हैं. इसके अलावा, सिस्टम जो पंजा ट्रैकिंग और स्वचालित परिणाम स्कोरिंग कम शोधकर्ता समय प्रदर्शन डेटा विश्लेषण खर्च की अनुमति देते हैं.
हम कई विशेष सुविधाओं के साथ एक स्वचालित चूहे कुशल पहुंच प्रणाली विकसित की है. सबसे पहले, नीचे से “पहुँच स्थिति” में गोली लाने के लिए एक चल कुरसी का उपयोग करके, हम forelimb के एक लगभग unobstructed दृश्य प्राप्त करते हैं. दूसरा, दर्पण की एक प्रणाली एक ही कैमरे के साथ पहुँच के कई एक साथ विचारों की अनुमति देता है, तीन आयामी (3-डी) एक उच्च संकल्प, उच्च गति (300 एफपीएस) कैमरे का उपयोग कर पहुँच tractories के पुनर्निर्माण की अनुमति देता है. मार्कररहित गति पर नज़र रखने के लिए मजबूत मशीन सीखने एल्गोरिदम के हाल के विकास के साथ13,अब हम विस्तृत पहुंच और समझ शुद्ध गति विज्ञान निकालने के लिए न केवल पंजा लेकिन व्यक्तिगत पोर ट्रैक। तीसरा, एक फ्रेम-गब्बर जो सरल वीडियो प्रोसेसिंग करता है, विशिष्ट पहुँचने वाले चरणों की वास्तविक समय पहचान की अनुमति देता है। यह जानकारी वीडियो अधिग्रहण को ट्रिगर करने के लिए प्रयोग किया जाता है (निरंतर वीडियो अधिग्रहण फ़ाइल आकार के कारण व्यावहारिक नहीं है), और यह भी सटीक क्षणों में हस्तक्षेप (उदा., optogenetics) को ट्रिगर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. अंत में, व्यक्तिगत वीडियो फ्रेम ट्रांजिस्टर-ट्रांसिस्टर तर्क (TTL) दालों द्वारा ट्रिगर कर रहे हैं, वीडियो ठीक तंत्रिका रिकॉर्डिंग (उदा., electrophysiology या photometry) के साथ सिंक्रनाइज़ किया जा करने के लिए अनुमति देता है। यहाँ, हम वर्णन कैसे इस प्रणाली का निर्माण करने के लिए, चूहों को प्रशिक्षित करने के लिए कार्य करने के लिए, बाहरी प्रणालियों के साथ उपकरण सिंक्रनाइज़, और 3-डी तक पहुँचने tractories पुनर्निर्माण.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rodent कुशल तक पहुँचने मोटर प्रणाली शरीर क्रिया विज्ञान और pathophysiology का अध्ययन करने के लिए एक मानक उपकरण बन गया है. हम कैसे एक स्वचालित चूहे कुशल तक पहुँचने के कार्य है कि अनुमति देता है लागू करने के लिए वर्णित ह…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक कुशल पहुंच कार्य के बारे में सलाह के लिए करुणेश गांगुली और उनकी प्रयोगशाला को धन्यवाद देना चाहते हैं, और अलेक्जेंडर और मैकेंज़ी मैथिस DeepLabCut अनुकूलन में उनकी मदद के लिए. यह काम राष्ट्रीय न्यूरोलॉजिकल रोग और स्ट्रोक संस्थान द्वारा समर्थित किया गया था (संख्या K08-NS072183 अनुदान) और मिशिगन विश्वविद्यालय.
Materials
| clear polycarbonate panels | TAP Plastics | cut to order (see box design) | |
| infrared source/detector | Med Associates | ENV-253SD | 30" range |
| camera | Basler | acA2000-340kc | 2046 x 1086 CMV2000 340 fps Color Camera Link |
| camera lens | Megapixel (computar) | M0814-MP2 | 2/3" 8mm f1.4 w/ locking Iris & Focus |
| camera cables | Basler | #2000031083 | Cable PoCL Camera Link SDR/MDR Full, 5 m – Data Cables |
| mirrors | Amazon | ||
| linear actuator | Concentrics | LACT6P | Linear Actuator 6" Stroke (nominal), 110 Lb Force, 12 VDC, with Potentiometer |
| pellet reservoir/funnel | Amico (Amazon) | a12073000ux0890 | 6" funnel |
| guide tube | ePlastics | ACREXT.500X.250 | 1/2" OD x 1/4" ID Clear. Extruded Plexiglass Acrylic Tube x 6ft long |
| pellet delivery rod | ePlastics | ACRCAR.250 | 0.250" DIA. Cast Acrylic Rod (2' length) |
| plastic T connector | United States Plastic Corp | #62065 | 3/8" x 3/8" x 3/8" Hose ID Black HDPE Tee |
| LED lights | Lighting EVER | 4100066-DW-F | 12V Flexible Waterproof LED Light Strip, LED Tape, Daylight White, Super Bright 300 Units 5050 LEDS, 16.4Ft 5 M Spool |
| Light backing | ePlastics | ACTLNAT0.125X12X36 | 0.125" x 12" x 36" Natural Acetal Sheet |
| Light diffuser films | inventables | 23114-01 | .007×8.5×11", matte two sides |
| cabinet and custom frame materials | various (Home Depot, etc.) | 3/4" fiber board (see protocol for dimensions of each structure) | |
| acoustic foam | Acoustic First | FireFlex Wedge Acoustical Foam (2" Thick) | |
| ventilation fans | Cooler Master (Amazon) | B002R9RBO0 | Rifle Bearing 80mm Silent Cooling Fan for Computer Cases and CPU Coolers |
| cabinet door hinges | Everbilt (Home Depot | #14609 | continuous steel hinge (1.4" x 48") |
| cabinet wheels | Everbilt (Home Depot | #49509 | Soft rubber swivel plate caster with 90 lb. load rating and side brake |
| cabinet door handle | Everbilt (Home Depot | #15094 | White light duty door pull (4.5") |
| computer | Hewlett Packard | Z620 | HP Z620 Desktop Workstation |
| Camera Link Frame Grabber | National Instruments | #781585-01 | PCIe-1473 Virtex-5 LX50 Camera Link – Full |
| Multifunction RIO Board | National Instruments | #781100-01 | PCIe-17841R |
| Analog RIO Board Cable | National Instruments | SCH68M-68F-RMIO | Multifunction Cable |
| Digital RIO Board Cable | National Instruments | #191667-01 | SHC68-68-RDIO Digital Cable for R Series |
| Analog Terminal Block | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A Noise Rejecting, Shielded I/O Connector Block |
| Digital Terminal Block | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A Noise Rejecting, Shielded I/O Connector Block |
| 24 position relay rack | Measurement Computing Corp. | SSR-RACK24 | Solid state relay backplane (Gordos/OPTO-22 type relays), 24-channel |
| DC switch | Measurement Computing Corp. | SSR-ODC-05 | Solid state relay module, single, DC switch, 3 to 60 VDC @ 3.5 A |
| DC Sense | Measurement Computing Corp. | SSR-IDC-05 | solid state relay module, single, DC sense, 3 to 32 VDC |
| DC Power Supply | BK Precision | 1671A | Triple-Output 30V, 5A Digital Display DC Power Supply |
| sugar pellets | Bio Serv | F0023 | Dustless Precision Pellets, 45 mg, Sucrose (Unflavored) |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2014 SP1, 64 and 32-bit versions | 64-bit LabVIEW is required to access enough memory to stream videos, but FPGA coding must be performed in 32-bit LabVIEW |
| MATLAB | Mathworks | Matlab R2019a | box calibration and trajectory reconstruction software is written in Matlab and requires the Computer Vision toolbox |
References
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