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

وتمت الموافقة على التجارب المعروضة هنا من قبل مكتب البيطرية في كانتون زيورخ، سويسرا وونفذت وفقا للوائح وطنية ومؤسسية.

1. شروط التغذية

ملاحظة: يتم تنفيذ جميع الدورات التدريبية في إطار بروتوكول تغذية المحدد.

1. إطعام الفئران 50 جم / كجم من طعام القياسية مرة واحدة في اليوم، وبعد اكتمال التدريب. هذه الكمية من الغذاء ما يكفي لمنع فقدان الوزن الرئيسية (وزن الجسم> 90٪ من وزن تغذية خالية)، ولكن صغيرة بما يكفي لضمان تكييف السلوكي استنساخه. وزن الفئران يوميا لضمان وزن الجسم لا تزال مستقرة.
   قد يكون بين عشية وضحاها إضافية (10-12 ساعة) الحرمان من الغذاء المفيد قبل أول جلسة مكافأة للمس (الخطوة 2.3): ملاحظة.

2. إجراء تدريب للمهمة الوصول وسحب

1. إعداد: السماح للفئران لروض لمن أقفاص المنازل الجديدة لفي مرجةالحادي وبعد أسبوع من وصوله إلى منشأة الحيوان. التعامل مع الفئران بانتظام خلال هذا الوقت، وإعطاء الكريات الدقة بلا غبار في قفص المنزل إلى روض الفئران للغذاء جديد. وسوف تستخدم هذه الكريات كمكافآت في جميع أنحاء بروتوكول التدريب.
2. التعود: ضع الفئران في اختبار قفص ل30-45 دقيقة، وتقدم 30-50 الكريات في وعاء التغذية، ويخلط مع طعام مسحوق. فتح وإغلاق نافذة القفص وتشغيل موزع بيليه في بعض الأحيان إلى روض الفئران لصوتهم.
   1. كرر هذا لمدة 2-3 أيام.
3. مكافأة لمسة: تدريب الفئران للمس مقبض كروي من خلال النافذة قفص ثم الانتقال إلى الجانب الآخر من القفص لاسترداد مكافأة الغذاء.
   1. ضبط إعدادات البرنامج بحيث يقع مقبض خارج النافذة قفص اختبار في بداية كل محاكمة ومحاذاة التعامل مع وسط النافذة القفص. عندما التجارب الناجحة، أي </ م>، في أقرب وقت لمسة خفيفة على مقبض (0.25 ملم النزوح في أي اتجاه) تم الكشف، تسمع صوت نغمة والاستغناء مكافأة. تصنيف المحاكمات كما فشلت عندما تم الكشف عن أي اتصال لمدة 180 ق بعد فتح النافذة.
   2. وضع الفئران في قفص التدريب. مطالبة الفئران للوصول بها السماح لها الاستيلاء على بيليه الذي عقد بالقرب من المقبض. توجيه انتباه الفئران إلى مقبض والغذاء وعاء بالنقر على القفص.
   3. وقف دفع عند وصول الفئران بشكل مستقل من خلال نافذة القفص وباسترداد الغذاء بيليه.
   4. تستمر حتى يتم الانتهاء من 100 تجربة (لمسات) أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
   5. مواصلة التدريب لمدة 3-4 أيام وتبدأ المرحلة التالية من التدريب (الخطوة 2.4) عند الفئران تحقيق 100 المحاكمات في غضون 30 دقيقة في 2 أيام متتالية.
      ملاحظة: لا تبالغ في تدريب هذه الخطوة. الهدف من المكافأة التي تعمل باللمس هو تحقيق التفاعل موثوق بين الفئران والروبوت، بحيث يمكن أن تكون على شكل هذا السلوك فيالتدريب اللاحق.
4. سحب مجاني (FP): تدريب الفئران على التواصل وسحب مقبض الروبوت.
   1. ضبط إعدادات البرنامج بحيث مقبض يقع 18 ملم من نافذة في بداية كل تجربة، ويجب أن يتم سحبها لمدة 10 مم على الأقل دون انقطاع لتجربة ناجحة. لا توجد أية قيود الجانبية على حركة سحب في هذه المرحلة.
      1. تصنيف محاكمة كما فشلت عندما لم تحرك مقبض ل180 ق بعد فتح النافذة، وعندما يتم نقل المؤشر خارج مساحة العمل يمكن الوصول إليها (أكثر من 12 ملم من خط الوسط)، أو عندما تكون الفئران قد سحبت أقل من 10 ملم في وقد تم الكشف عن 5 ثوان بعد اول لمسة.
   2. يحيط علما عدة مرات وتستخدم مخلب اليسار واليمين خلال المحاكمات 20 الأولى من الدورة FP الأولى. يعتبر مخلب يستخدم في 80٪ على الأقل من المحاكمات مخلب المفضل.
      ملاحظة: باو تفضيل قد تكون واضحة في الثوابجلسات بلمسة و.
   3. حرك مقبض أفقيا حتى تتماشى مع حافة النافذة لتسهيل سحب مع مخلب المفضل (أي تحريك الروبوت 5 ملم إلى الجانب الأيسر من النافذة بالنسبة للفئران سلمت اليمين والعكس بالعكس).
      ملاحظة: ضع المؤشر في هذه بالضبط نفس الموقف بالنسبة للقفص لجميع الدورات التدريبية التالية لهذا الجرذ. ضمان وضع المحدد من قبل علامات على جدار القفص وعلى الروبوت.
   4. وضع الفئران في قفص التدريب وتدريب حتى يتم الانتهاء من 100 محاكمات أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
      ملاحظة: إذا لم الفئران التواصل بعيدا بما فيه الكفاية، يدفع من قبل السماح لها الاستيلاء على بيليه الذي عقد بالقرب من المقبض. قد يتوقف الفئران في محاولة لسحب بعد المحاولات الفاشلة المتكررة. اضغط على القفص، والسماح لهم الاستيلاء على كريات عقد مع زوج من الملقط أو الاستغناء عن بيليه لاستعادة دوافعهم.
   5. لالتجارب التي تنطوي على تدريب FP الوحيد، مواصلة التدريب كما هو موضح في 2.4.
      لاالشركة المصرية للاتصالات: عادة، هناك حاجة إلى 1-2 جلسات FP للمساعدة في الانتقال من لمسة مكافأة ليرة سورية (مستقيم السحب) التدريب. والهدف من هذه الدورات FP هو روض الفئران للوصول، والاستيلاء على سحب المقبض، بدلا من لمسة الوحيد الذي. كما هو الحال مع التدريب مكافأة للمس، فمن المهم عدم الإفراط في القطار إذا كان الهدف هو الانتقال إلى خطوة التدريب المقبلة.
5. سحب مباشرة (SP): تدريب الفئران لسحب مقبض دون الانحراف أكثر من 2 مم من خط الوسط.
   ملاحظة: يتم تعريف خط الوسط نسبة إلى موضع البدء الروبوت، وليس إلى منتصف نافذة القفص. وبالتالي، فإن محاولة سحب تنتهي في منتصف النافذة قفص يؤدي إلى مسار سحب أن ينحرف أكثر من 2 مم من خط الوسط.
   1. ضبط إعدادات البرنامج بحيث تتم مكافأة فقط محاكمات حيث لا حركة سحب تنحرف أكثر من 2 مم من خط الوسط على جانبي طريق لهجة وبيليه. إبقاء جميع العوامل الأخرى كما هو موضح في الخطوة 2.4.
   2. وضع الفئران في قفص التدريب وتدريب حتى يتم الانتهاء من 100 محاكمات أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
      ملاحظة: قد تصبح الجرذان غاية الإضطراب والتوقف عن محاولة سحب بعد المحاولات الفاشلة المتكررة. اضغط على القفص لإعادة توجيه انتباههم إلى مهمة الوصول، والسماح لهم الاستيلاء على كريات عقد مع زوج من الملقط أو الاستغناء عن بيليه لاستعادة دوافعهم.
   3. مواصلة التدريب حتى الفئران تصل أداء الهضبة، أو التكيف مع فترة التدريب وفقا للهدف من التجربة.

النتائج

هنا، وتبين لنا 3 اختلافات مهمة الوصول وسحب باستخدام ذكور فئران لونغ إيفانس (10-12 أسابيع من العمر). في المجموعة خالية من السحب (FP) (N = 6)، تم تدريب الفئران لسحب مقبض الروبوت لفترة 22 يوما دون قيود الجانبية. الحيوانات في مباشرة سحب و1 (SP1) مجموعة (N = 12) تم تدريبه...

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?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 x 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