MPI Postdoc Stipendien für MB-C und TM; koreanischen NRF (R31-2008-000-10008-0) zu HHB. Dank Karl Beykirch, Michael Kerger &amp; Joachim Tesch, um technische Unterstützung und wissenschaftliche Diskussion.

1. KUKA Roboter GmbH <ol><li> Das MPI CyberMotion Simulator besteht aus einem Sechs-Joint serielle Roboter in einer 3-2-1 Konfiguration (Abbildung 1). Es basiert auf dem kommerziellen KUKA Robocoaster (ein modifiziertes KR-500 Industrieroboter mit einer 500 kg Nutzlast) basiert. Die physikalischen Veränderungen und die Software-Steuerung Struktur benötigt wird, um eine flexible und sichere Versuchsaufbau haben, wurden bisher beschrieben, einschließlich der Bewegungssimulator die Geschwindigkeit und Beschleunigung Einschränkungen, und die Verzögerungen und Übertragungsfunktion des Systems 9. Änderungen von dieser vorherigen Setup sind nachstehend definiert. </li></ol><img alt="1" src="/files/ftp_upload/3436/3436fig1.jpg" /> Abbildung 1. Grafische Darstellung der aktuellen MPI CyberMotion Simulator Arbeitsbereich. <ol start="2"><li> Komplexe Bewegungsprofile, die seitlichen Bewegungen verbinden sich mit Drehungen sind möglich mit dem MPI CyberMotion Simulator. Achsen 1, 4 und 6 ca.<html> n kontinuierlich zu drehen. 4 Paar Hardware Endanschläge Grenze Axis 2, 3 und 5 in beiden Richtungen. Die maximale Reichweite von linearen Bewegungen ist stark abhängig von der Position, aus der die Bewegung beginnt. Die aktuelle Hardware Endanschläge des MPI CyberMotion Simulator sind in Tabelle 1 dargestellt. <table border="1"><tbody><tr><td> Achse </td><td> Messbereich [deg] </td><td> Max. Geschwindigkeit [° / s] </td></tr><tr><td> Achse 1 </td><td> Kontinuierlich </td><td> 69 </td></tr><tr><td> Schwerpunkt 2 </td><td> -128 Bis -48 </td><td> 57 </td></tr><tr><td> Schwerpunkt 3 </td><td> -45 Bis 92 </td><td> 69 </td></tr><tr><td> Axis 4 </td><td> Kontinuierlich </td><td> 76 </td></tr><tr><td> Achse 5 </td><td> -58 Bis +58 </td><td> 76 </td></tr><tr><td> Achse 6 </td><td> Kontinuierlich </td><td> 120 </td></tr></tbody></table></li></ol>nt &quot;&gt; Tabelle 1. Aktuelle technische Spezifikationen des MPI CyberMotion Simulator. <ol start="3"><li> Vor jedem Experiment am MPI CyberMotion Simulator durchgeführt wird, wird jede experimentelle Bewegungsbahn eine Testphase auf einer Simulation KUKA PC (Office-PC). Das &quot;Office PC&quot; ist ein spezielles Produkt von KUKA, die den realen Roboterarm simuliert und beinhaltet die gleiche Betriebssystem und die Kontrolle Bildschirm-Layout wie die reale Roboter verkauft. Ein schematischer Überblick über die Steuerung des MPI CyberMotion Simulator für Open-Loop-Konfiguration ist in 2 gezeigt. </li></ol><img alt="2" src="/files/ftp_upload/3436/3436fig2.jpg" /> Abbildung 2. Schematischer Überblick über die Open-Loop-Steuerung des MPI CyberMotion Simulator. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/3436/3436fig2large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung</a> . <ol start="4"><li> Die Details der Steuerung struktur finden Sie hier 9 gefunden werden. In Kürze, eine Open-Loop-Konfiguration wie die in der aktuellen Experiment verwendet werden, sind Trajektorien vorprogrammierten durch Umsetzen von Eingangsdaten Trajektorien in kartesischen Koordinaten in Gelenkraum Winkel durch inverse Kinematik (2). </li><li> Die MPI-Steuerung liest in diesen gewünschten Gelenkwinkel Schritten und sendet diese an der KUKA Steuerung zu Achsbewegungen über Motorströme durchzuführen. Gemeinsame Resolver-Werte werden in der KUKA Steuerung, die die aktuellen Gelenkwinkel Positionen bestimmt, an einem internen Zinsfuß von 12 ms, was wiederum lösen die nächsten gemeinsamen Zuwachs an von Datei, die vom MPI-Steuerung gelesen werden gesendet als auch schreiben, die aktuelle gemeinsame Winkelpositionen auf die Festplatte. Die Kommunikation zwischen dem MPI und KUKA Steuerung ist durch eine Ethernet-Verbindung mit dem KUKA-RSI-Protokoll. </li><li> Ein Rennwagen Sitz (RECARO Pole Position) mit einem 5-Punkt-Sicherheitsgurt-System (Schroth) ausgestattet ist, an einem Chassis befestigt which eine Fußstütze. Das Chassis ist mit dem Flansch des Roboterarms (3a) angebracht ist. Experimente sind auch von Sitzplätzen Teilnehmer innerhalb einer geschlossenen Kabine (Abbildung 3b) möglich. </li></ol><img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3436/3436fig3.jpg" /> Abbildung 3. MPI CyberMotion Simulator-Setup. a) Konfiguration für aktuelle Experiment mit LCD-Display. b) Konfiguration für Experimente erfordern eine geschlossene Kabine mit Front-Projektion Stereo-Anzeige. c) Aufprojektion Mono-Display. d) Head-Mounted-Display. <ol start="7"><li> Da das Experiment in der Dunkelheit durchgeführt wird, erlauben Infrarot-Kameras Video-Überwachung der von der Leitwarte aus. </li></ol> 2. Visualisierung <ol><li> Mehrere Visualisierung Konfigurationen sind möglich mit dem MPI CyberMotion Simulator wie LCD, Stereo oder Mono Frontprojektion und Head Mounted Displays (Abbildung 3). Für das laufendeExperiment visuelle Hinweise zur Selbst-Bewegung werden von einem LCD-Display (Abbildung 3a) platziert 50 cm vor der Beobachter, die sonst in der Dunkelheit getestet wurden zur Verfügung gestellt. </li><li> Die visuelle Darstellung wurde unter Verwendung Virtools 4.1-Software und bestand aus einer zufälligen, begrenzte Lebensdauer Punkt-Feld. Quaderförmiger sich acht virtuelle Einheiten nach vorne, rechts, links, oben und unten aus der Sicht des Teilnehmers (dh 16 x 16 x 8 Einheiten) wurde mit 200.000 gleich Teilchen, bestehend aus weißen Kreisen 0,02 Einheiten gefüllt im Durchmesser vor einem schwarzen Hintergrund. Die Punkte wurden nach dem Zufallsprinzip durch den Raum (homogene Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb des Raumes) verteilt. Die Bewegung in virtuellen Einheiten skaliert wurde zu 1 zu 1 entsprechen mit körperlicher Bewegung (1 virtuelle Einheit = 1 physikalische Meter). </li><li> Jedes Teilchen wurde für zwei Sekunden vor dem Verschwinden gezeigt und sofort zeigt sich wieder an einem beliebigen Ort innerhalb des Raumes. So die Hälfte der Punkte verändert ihrePosition innerhalb einer Sekunde. Punkte zwischen einem Abstand von 0,085 und 4 Einheiten wurden den Teilnehmern (: 13 ° und 0,3 ° entsprechenden Blickwinkel) angezeigt. </li><li> Bewegung innerhalb der dot-Feld wurde mit körperlicher Bewegung durch den Empfang Bewegungsprofile von der MPI-Kontrolle durch Computer eine Ethernet-Verbindung über das UDP-Protokoll übertragen synchronisiert. Wenn sich durch den Punkt-Feld die durchschnittliche Anzahl der Punkte waren für alle Bewegungen konstant. Diese Anzeige sofern keine absolute Größe Maßstab, aber optischen Fluss und Bewegung Parallaxe als Punkte waren Sphären mit einer festen Größe; suchen kleineren nach ihrem Abstand relativ zum Beobachter. </li></ol> 3. Experimentelles Design <ol><li> 16 Teilnehmer, die naiv zu dem Experiment mit der Ausnahme von einem Autor (MB-C) waren, trug Noise-Cancelling-Kopfhörer mit einem Mikrofon, um Zwei-Wege-Kommunikation mit dem Experimentator erlauben. Zusätzliche akustische Rauschen wurde kontinuierlich durch den Kopfhörern gespielt<html> nes weiteren Maske Lärm durch den Roboter produziert. </li><li> Die Teilnehmer verwendet einen speziell angefertigten Joystick mit Tasten Antwort mit Daten über ein Ethernet-Verbindung über das UDP-Protokoll übertragen ausgestattet. </li><li> Der Winkel der beiden Segmente Bewegung war entweder 45 ° oder 90 °. Bewegungen in horizontaler, Sagittal-und Frontalebene bestand aus: die Zukunft nach rechts (FR) oder rechts-vorwärts (RF), nach unten-vorne (DF) oder vorwärts-abwärts (FD), und nach unten-rechts (DR) oder rechts- nach unten (RD) Bewegungen (Abbildung 4a). </li></ol><img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/3436/3436fig4.jpg" /> Abbildung 4. Geschäftsordnung. a) Schematische Darstellung der Bahnen in dem Experiment verwendet. b) sensorische Informationen für jede Flugbahn typgeprüft zur Verfügung gestellt. c) Zeigen Aufgabe verwendet werden, um die Herkunft von denen die Teilnehmer dachten, sie hätten aus bewegt zeigen.rge.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicken Sie hier für eine größere Abbildung. <ol start="4"><li> Sensorische Informationen wurden durch die Bereitstellung manipuliert visuellen (optischen Flusses, begrenzte Lebensdauer Sterne-Bereich), vestibulär-kinästhetischen (passive Bewegung selbst mit geschlossenen Augen) oder visuelle und vestibulär-kinästhetischen Bewegungsreize (Abb. 4b). </li><li> Bewegungstrajektorien bestand aus zwei Segmentlängen (1.: 0,4 m, 2.: 1 m; ± 0,24 m / s 2 Spitzenbeschleunigung; Abbildung 4b). Trajectories bestand aus nur Übersetzung. Keine Drehungen der Teilnehmer vor. Um mögliche Störungen durch Bewegung vor jedem Versuch zu reduzieren und sicherzustellen, dass das vestibuläre System getestet wurde, ausgehend von einem stabilen Zustand, ging eine 15 s Pause jede Flugbahn. </li><li> Beobachter wiesen zu ihrem Ursprung zurück, indem Sie einen Pfeil, der auf einen Avatar auf dem Bildschirm (Abbildung 4c) präsentiert überlagert wurde. Die Bewegung des Pfeils wurde, um die Flugbahn der Ebene eingeschränkt und kontrolliert von ter Joystick. Der Avatar wurde von Frontal-, Sagittal und horizontale Blickwinkel präsentiert. Beobachter durften einzelne oder alle Standpunkte zu verwenden, um zu antworten. Das Ausgangsmaterial Orientierung des Pfeils wurde randomisiert in den Studien. </li><li> Wie das Aufzeigen Aufgabe erforderte die Teilnehmer geistig verwandeln ihre Perspektive zeigt aus einer egozentrischen zu einem exozentrisch Darstellung wurden die Teilnehmer Anleitungen zum Punkt zurück zu ihrem Ursprung mit Verweis auf den Avatar vor der Praxis und experimentelle Studien gegeben. Die Teilnehmer erfuhren, dass zeigen werden sollten, als ob der Avatar waren ihren eigenen Körper werden. Die Teilnehmer wurden dann angewiesen, um physische Ziele in Bezug auf das Selbst mit dem exozentrisch Messverfahren hinweisen. Zum Beispiel wurden die Teilnehmer instruiert, auf dem Joystick ruhen sich auf ihren Schoß auf halbem Weg zwischen sich und der Bildschirm, die Teilnehmer auf den Pfeil nach vorne und unten relativ zu den avatar gewünschten Punkt. Alle Teilnehmer waren in der Lage, diese auszuführenAufgaben ohne Ausdruck Verwirrung. </li><li> Jede Versuchsbedingung wurde 3-mal wiederholt und in zufälliger Reihenfolge präsentiert. Unterschrieben Fehler und Reaktionszeit wurden als abhängige Variablen in zwei getrennten 3 (Flugzeug) * 2 (Winkel) * 3 (Modalität) ANOVA mit wiederholten Messungen analysiert. Reaktionszeiten von einem Extrem Ausreißer Teilnehmer wurden von der Analyse entfernt. </li></ol> 4. Repräsentative Ergebnisse Unterschrieben Fehler Ergebnisse werden über die Modalitäten und Winkel zusammengebrochen, da keine signifikanten Haupteffekte für diesen Faktoren gefunden wurden. 5a zeigt die signifikanten Haupteffekt der Bewegungsebene (F (2,30) = 7.0, p = 0,003), wo Beobachtern unterschätzt Winkel Größe ( Durchschnittswerte weniger als 0 °) für eine Bewegung in der horizontalen Ebene (-8,9 °, sich 1.8). In der Frontalebene Beobachter waren eher durchschnittlich, um Winkel Größe (5,3 °, SE 2,6) zu überschätzen, während es keine solche Voreingenommenheit in der Sagittalebene (-0,7 °, SE 3,7). While Haupteffekte des Winkels und der Modalität waren nicht signifikant, wurde Winkel signifikant mit dem Flugzeug zu interagieren (F (2,30) = 11,1, p &lt;0,001), so daß Überschätzung in der Frontalebene größer waren für Bewegungen um 45 ° (7,9 ° , SE 2.6) als um 90 ° (2,8 °, sich 2.7), während eine solche Diskrepanz abwesend den anderen Ebenen ist. Darüber hinaus wurde Modalität signifikant mit Winkel zu interagieren (F (2,30) = 4,7, p = 0,017), so daß Unterschätzung von vestibulären Information allein für Bewegungen um 90 ° deutlich größer waren (-4,3 °, SE 2.1) gegenüber die visuelle (-2,0 °, SE 2,4) und vestibuläre und visuelle Informationen kombiniert (2,3 °, SE 2.2) Bedingungen, während die solche Abweichungen fehlten für Bewegungen bis 45 °. Kein signifikanter Effekt war zwischen den Fächern für signierte Fehler (F (1,15) = 0,7, p = 0,432). 5b zeigt die Reaktionszeit Ergebnisse. Es gab einen signifikanten Haupteffekt derModalität (F (2,28) = 22,6, p &lt;0,001), wo Beobachter reagierten langsamsten bei der Beantwortung basierend auf vestibulär-kinästhetischen Informationen allein (11,0 S, Se 1,0) im Vergleich zur visuellen (9,3 S, Se 0,8) und kombinierte (9,0 S, Se 0,8) Bedingungen. Es wurde auch eine signifikante Haupteffekt der Ebene (F (2,28) = 7,5, p = 0,002), wo Beobachter reagiert am langsamsten, wenn in der horizontalen Ebene (10,4 S, Se 1.0) bewegt im Vergleich zu der Sagittalebene (9,4 s, SE 0.8 ) und den frontalen (9,4 S, Se 0,9) Ebenen. Es gab keinen signifikanten Haupteffekt der Segment Winkel oder es Wechselwirkungen. Ein signifikanter Effekt wurde zwischen Subjekten bezüglich der Reaktionszeiten (F (1,14) = 129,1, p &lt;0,001) gefunden. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/3436/3436fig5.jpg" /> Abbildung 5. Ergebnisse. a) Signed Fehler zusammengebrochen über Modalität für die Flugzeuge getestet. b) Ansprechzeit zusammengebrochen über Bewegungsebenen für die Modalitätengetestet. Fehlerbalken sind + / - 1 SEM

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	<li>Loomis, J. M., Klatzky, R. L., Golledge, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Navigating+without+vision:+Basic+and+applied+research.">Navigating without vision: Basic and applied research.</a> Optometry and Vision Science. 78, 282-289 (2001).</li><li>Vidal, M., Amorim, M. A., Berthoz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Navigating+in+a+virtual+three-dimensional+maze:+how+do+egocentric+and+allocentric+reference+frames+interact.">Navigating in a virtual three-dimensional maze: how do egocentric and allocentric reference frames interact.</a> Cognitive Brain Research. 19, 244-258 (2004).</li><li>Vidal, M., Amorim, M. 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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Path-Integration wurde auch als ein Mittel benutzt, um zu lösen, wo ein Beobachter stammten, sondern neigt zu einer Unterschätzung des Winkels ein etabliert hat über 5 bewegt. Unsere Ergebnisse zeigen, das für eine Translationsbewegung, sondern nur in der horizontalen Ebene. In den vertikalen Ebenen Teilnehmer sind eher überschätzen die Winkel bewegt durch oder haben keinen Bias überhaupt. Diese Ergebnisse könnten erklären, warum die Schätzungen der Höhe über Gelände-verfahren zu übertrieben werden 10 neigen und auch, warum räumlichen Navigation zwischen den verschiedenen Stockwerken eines Gebäudes ist schlecht 11. Diese Ergebnisse können auch mit bekannten Asymmetrien in dem Anteil, der Sacculus an Rezeptoren (~ 0,58) 12 utricule stehen. Langsamere Reaktionszeit basierend auf vestibulär-kinästhetischen Informationen allein im Vergleich zu, wenn visuelle Informationen vorhanden suggeriert, dass es möglicherweise zusätzliche Verzögerungen mit dem Versuch, seine Herkunft auf inertialer Information basiert allein bestimmen verbunden sein, welchekann auf neuere Studien zeigen, dass die vestibuläre Wahrnehmung beziehen wird langsam zu den anderen Sinnen 13-16 verglichen. Insgesamt deuten die Ergebnisse an, dass alternative Strategien für die Bestimmung eigenen Ursprung verwendet werden, wenn vertikal bewegt was zu der Tatsache, dass Menschen Erfahrungen Bewegung meist innerhalb der horizontalen Ebene beziehen. Während weiterhin sequentielle Übersetzungen sind selten erlebt sie am häufigsten auftreten, in der Sagittalebene - wo Fehler sind minimal - wie wenn wir in Richtung zu gehen und auf einer Rolltreppe bewegen. Während Post-Experiment Interviews nicht unbedingt haben verschiedene Strategien unter den Flugzeugen, sollten Experimente erforschen diese Möglichkeit. Experimente mit Trajektorien mit zusätzlichen Freiheitsgrade, längere Wege, mit dem Körper unterschiedlich orientierten Verhältnis zur Schwerkraft, sowie mit größeren Sichtfelder, die heute mit dem MPI CyberMotion Simulator möglich sind geplant, um weiter zu untersuchen Pfadintegration Leistung in drei Dimensionen.

<a href="http://www.kuka-robotics.com/en/products/industrial_robots/heavy/kr500_2/start.htm" target="_blank">KUKA KR 500 Heavy Duty Industrial Robot</a> <a href="http://www.kuka-robotics.com/en/products/controllers/kcp/start.htm" target="_blank">KUKA KCP KUKA Control Panel</a> <a href="http://www.kuka-robotics.com/en/products/controllers/kr_c2_ed05/start.htm" target="_blank">KUKA KR C2 edition2005</a> <a href="http://www.kuka-robotics.com/en/products/controllers/kmc/start.htm" target="_blank">KUKA KUKA Motion Control</a> <a href="http://www.motorsportseats.com/recaro/pole_position.html" target="_blank">RECARO Pole Position Sitz</a> <a href="http://www.schrothracing.com/store/Competition/profi/profi-II" target="_blank">Schroth Enduro Gürtel</a> Dell 24 &quot;1920x1200 LCD-Display (effektive Feldder Blick maskiert, um 1200 x 1200) <a href="http://www.virtools.com" target="_blank">Virtools 4,1</a> Maßarbeit Joystick mit UDP-Kommunikation

mpi cybermotion simulator: implementation of a novel motion simulator to investigate multisensory path integration in three dimensions

Pfad Integration ist ein Prozess, in dem Selbst-Bewegung über die Zeit integriert wird, um eine Schätzung eines aktuellen Position relativ zu einem Startpunkt 1 zu erhalten. Der Mensch kann tun Pfadintegration ausschließlich auf visuelle 2-3, auditive 4 oder 5 auf der Grundlage Inertial-Cues. Allerdings mit mehreren Cues vorhanden, inertialer Information - besonders kinästhetischen - scheinen zu dominieren 6-7. In Ermangelung einer Vision, neigen Menschen zu kurze Entfernungen (&lt;5 m) und Drehwinkel (&lt;30 °) zu überschätzen, aber unterschätzen längeren 5. Bewegung durch physische Raum erscheint daher nicht genau im Gehirn repräsentiert werden. Umfangreiche Arbeit ist auf die Bewertung Pfadintegration in der horizontalen Ebene getan worden, aber wenig über vertikale Bewegung (siehe 3 für virtuelle Bewegung von der Vision allein) bekannt. Ein Grund dafür ist, dass die traditionellen Bewegungs-Simulatoren haben einen kleinen Bewegungsspielraum Einschränkungenten hauptsächlich auf der horizontalen Ebene. Hier profitieren Sie von einem Bewegungssimulator 9.8 mit einer großen Palette von Bewegung zu beurteilen, ob Pfadintegration ähnlich zwischen horizontalen und vertikalen Ebenen ist. Die relativen Beiträge der trägen und visuelle Hinweise für Pfad-Navigation wurden ebenfalls erfasst. 16 Beobachter richtete sich in einem Sitz angebracht ist, um den Flansch eines modifizierten KUKA anthropomorphen Roboterarm. Sensorische Informationen wurden durch die Bereitstellung visueller (optischen Flusses, begrenzte Lebensdauer Sterne-Feld), vestibulär-kinästhetischen (passive Bewegung selbst mit geschlossenen Augen) oder visuelle und vestibulär-kinästhetischen Bewegungsreize manipuliert. Bewegungsbahnen in der horizontalen, Sagittal-und Frontalebene bestand aus zwei Segmentlängen (1.: 0,4 m, 2.: 1 m; ± 0,24 m / s 2 Peak-Beschleunigung). Der Winkel der beiden Segmente war entweder 45 ° oder 90 °. Beobachter wiesen zu ihrem Ursprung zurück, indem Sie einen Pfeil, der auf einem Avatar auf dem SCRE präsentiert überlagert wurdeen. Beobachter waren eher Winkelgröße für eine Bewegung zu unterschätzen in der horizontalen Ebene im Vergleich zu den vertikalen Ebenen. In der Frontalebene Beobachter waren eher Winkel Größe überschätzen, während es keine solche Voreingenommenheit in der Sagittalebene. Schließlich reagierte Beobachter langsamer bei der Beantwortung basierend auf vestibulär-kinästhetischen Informationen allein. Menschliche Pfadintegration auf vestibulär-kinästhetischen Informationen basieren allein dadurch länger dauert als wenn visuelle Information vorhanden ist. Das zeigt im Einklang mit Unterschätzung und Überschätzung der Winkel ist durch ein in den horizontalen und vertikalen Ebene bewegt bzw. ist, legt nahe, dass die neuronale Repräsentation des Selbst-Bewegung durch den Raum nicht symmetrisch ist, die möglicherweise auf die Tatsache, dass Menschen Erfahrungen Bewegung meist innerhalb der Beziehung horizontalen Ebene.

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MPI CyberMotion Simulator: Implementation of a Novel Motion Simulator to Investigate Multisensory Path Integration in Three Dimensions

Eine effiziente Möglichkeit, Einblick, wie Menschen navigieren sich in drei Dimensionen gewinnen wird beschrieben. Das Verfahren nutzt eine Bewegungssimulator Lage ist, sich Beobachter in einer Weise, unerreichbar von traditionellen Simulatoren. Die Ergebnisse bestätigen, dass Bewegung in der horizontalen Ebene unterschätzt wird, während die vertikale Bewegung wird überschätzt.

MPI CyberMotion Simulator: Implementierung eines neuartigen Motion Simulator zu Multisensorische Pfadintegration in drei Dimensionen erforschen

Path integration is a process in which self-motion is integrated over time to obtain an estimate of one's current position relative to a starting point 1. ...

mpi-cybermotion-simulator-implementation-novel-motion-simulator-to

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.5K Aufrufe.  Max Planck Institute for Biological Cybernetics. Eine effiziente Möglichkeit, Einblick, wie Menschen navigieren sich in drei Dimensionen gewinnen wird beschrieben. Das Verfahren nutzt eine Bewegungssimulator Lage ist, sich Beobachter in einer Weise, unerreichbar von traditionellen Simulatoren. Die Ergebnisse bestätigen, dass Bewegung in der horizontalen Ebene unterschätzt wird, während die vertikale Bewegung wird überschätzt.

Serie: MPI CyberMotion Simulator: Implementation of a Novel Motion Simulator to Investigate Multisensory Path Integration in Three Dimensions

Using a Comparative Species Approach to Investigate the Neurobiology of Paternal Responses

A goal of behavioral neuroscience is to identify underlying neurobiological factors that regulate specific behaviors. Using animal models to accomplish this goal, many methodological strategies require invasive techniques to manipulate the intensity of the behavior of interest (e.g., lesion methods, pharmacological manipulations, microdialysis techniques, genetically-engineered animal models). The utilization of a comparative species approach allows researchers to take advantage of naturally occurring differences in response strategies existing in closely related species. In our lab, we use two species of the Peromyscus genus that differ in paternal responses. The male California deer mouse (Peromyscus californicus) exhibits the same parental responses as the female whereas its cousin, the common deer mouse (Peromyscus maniculatus) exhibits virtually no nurturing/parental responses in the presence of pups. Of specific interest in this article is an exploration of the neurobiological factors associated with the affiliative social responses exhibited by the paternal California deer mouse. Because the behavioral neuroscience approach is multifaceted, the following key components of the study will be briefly addressed: the identification of appropriate species for this type of research; data collection for behavioral analysis; preparation and sectioning of the brains; basic steps involved in immunocytochemistry for the quantification of vasopressin-immunoreactivity; the use of neuroimaging software to quantify the brain tissue; the use of a microsequencing video analysis to score behavior and, finally, the appropriate statistical analyses to provide the most informed interpretations of the research findings.

The comparative species approach allows behavioral neuroscientists to explore various neurobiological factors associated with specific behaviors viewed as characteristic of a specific animal model. Taking advantage of naturally occurring differences in behavior between closely related species, this technique doesn&#x2019;t require invasive techniques to manipulate the expression of the behavior.

Mit einem vergleichenden Arten Ansatz zur Neurobiologie der väterlichen Responses Untersuchen

A goal of behavioral neuroscience is to identify underlying neurobiological factors that regulate specific behaviors.  Using animal models to accomplish ...

Forschung

Neurowissenschaften

Three Dimensional Vestibular Ocular Reflex Testing Using a Six Degrees of Freedom Motion Platform

The vestibular organ is a sensor that measures angular and linear accelerations with six degrees of freedom (6DF). Complete or partial defects in the vestibular organ results in mild to severe equilibrium problems, such as vertigo, dizziness, oscillopsia, gait unsteadiness nausea and/or vomiting. A good and frequently used measure to quantify gaze stabilization is the gain, which is defined as the magnitude of compensatory eye movements with respect to imposed head movements. To test vestibular function more fully one has to realize that 3D VOR ideally generates compensatory ocular rotations not only with a magnitude (gain) equal and opposite to the head rotation but also about an axis that is co-linear with the head rotation axis (alignment). Abnormal vestibular function thus results in changes in gain and changes in alignment of the 3D VOR response.
Here we describe a method to measure 3D VOR using whole body rotation on a 6DF motion platform. Although the method also allows testing translation VOR responses 1, we limit ourselves to a discussion of the method to measure 3D angular VOR. In addition, we restrict ourselves here to description of data collected in healthy subjects in response to angular sinusoidal and impulse stimulation.
Subjects are sitting upright and receive whole-body small amplitude sinusoidal and constant acceleration impulses. Sinusoidal stimuli (f = 1 Hz, A = 4&deg;) were delivered about the vertical axis and about axes in the horizontal plane varying between roll and pitch at increments of 22.5&deg; in azimuth. Impulses were delivered in yaw, roll and pitch and in the vertical canal planes. Eye movements were measured using the scleral search coil technique 2. Search coil signals were sampled at a frequency of 1 kHz.
The input-output ratio (gain) and misalignment (co-linearity) of the 3D VOR were calculated from the eye coil signals 3.
Gain and co-linearity of 3D VOR depended on the orientation of the stimulus axis. Systematic deviations were found in particular during horizontal axis stimulation. In the light the eye rotation axis was properly aligned with the stimulus axis at orientations 0&deg; and 90&deg; azimuth, but gradually deviated more and more towards 45&deg; azimuth.
The systematic deviations in misalignment for intermediate axes can be explained by a low gain for torsion (X-axis or roll-axis rotation) and a high gain for vertical eye movements (Y-axis or pitch-axis rotation (see Figure 2). Because intermediate axis stimulation leads a compensatory response based on vector summation of the individual eye rotation components, the net response axis will deviate because the gain for X- and Y-axis are different.
In darkness the gain of all eye rotation components had lower values. The result was that the misalignment in darkness and for impulses had different peaks and troughs than in the light: its minimum value was reached for pitch axis stimulation and its maximum for roll axis stimulation.
Case Presentation
Nine subjects participated in the experiment. All subjects gave their informed consent. The experimental procedure was approved by the Medical Ethics Committee of Erasmus University Medical Center and adhered to the Declaration of Helsinki for research involving human subjects.
Six subjects served as controls. Three subjects had a unilateral vestibular impairment due to a vestibular schwannoma. The age of control subjects (six males and three females) ranged from 22 to 55 years. None of the controls had visual or vestibular complaints due to neurological, cardio vascular and ophthalmic disorders.
The age of the patients with schwannoma varied between 44 and 64 years (two males and one female). All schwannoma subjects were under medical surveillance and/or had received treatment by a multidisciplinary team consisting of an othorhinolaryngologist and a neurosurgeon of the Erasmus University Medical Center. Tested patients all had a right side vestibular schwannoma and underwent a wait and watch policy (Table 1; subjects N1-N3) after being diagnosed with vestibular schwannoma. Their tumors had been stabile for over 8-10 years on magnetic resonance imaging.

A method is described to measure three-dimensional vestibulo ocular reflexes (3D VOR) in humans using a six degrees of freedom (6DF) motion simulator. The gain and misalignment of the 3D angular VOR provide a direct measure of the quality of vestibular function. Representative data on healthy subjects are provided

Dreidimensional Vestibuläre Ocular Reflex-Test mit Six Degrees of Freedom Bewegung Platform

The vestibular organ is a sensor that measures angular and linear accelerations with six degrees of freedom (6DF). Complete or partial defects in the ...

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. Understanding repair and regeneration in animals is a key question in biology. The damaged human CNS does not regenerate, and understanding how to promote the regeneration is one of main goals of medical neuroscience. The powerful genetic toolkit of Drosophila can be used to tackle the problem of CNS regeneration.
A lesion to the CNS ventral nerve cord (VNC, equivalent to the vertebrate spinal cord) is applied manually with a tungsten needle. The VNC can subsequently be filmed in time-lapse using laser scanning confocal microscopy for up to 24 hr to follow the development of the lesion over time. Alternatively, it can be cultured, then fixed and stained using immunofluorescence to visualize neuron and glial cells with confocal microscopy. Using appropriate markers, changes in cell morphology and cell state as a result of injury can be visualized. With ImageJ and purposely developed plug-ins, quantitative and statistical analyses can be carried out to measure changes in wound size over time and the effects of injury in cell proliferation and cell death. These methods allow the analysis of large sample sizes. They can be combined with the powerful genetics of Drosophila to investigate the molecular mechanisms underlying CNS regeneration and repair.

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An injury paradigm using the Drosophila larval ventral nerve cord to investigate central nervous system regeneration and repair is described. Stabbing followed by laser scanning confocal microscopy in time-lapse and fixed specimens, combined with quantitative analysis with purposefully developed software and genetics, are used to investigate the molecular mechanisms of CNS regeneration and repair.

Eine Verletzung Paradigm Central Nervous System Repair in Untersuchen<em&gt; Drosophila</em

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. ...

Fast Micro-iontophoresis of Glutamate and GABA: A Useful Tool to Investigate Synaptic Integration

One of the fundamental interests in neuroscience is to understand the integration of excitatory and inhibitory inputs along the very complex structure of the dendritic tree, which eventually leads to neuronal output of action potentials at the axon. The influence of diverse spatial and temporal parameters of specific synaptic input on neuronal output is currently under investigation, e.g. the distance-dependent attenuation of dendritic inputs, the location-dependent interaction of spatially segregated inputs, the influence of GABAergig inhibition on excitatory integration, linear and non-linear integration modes, and many more.
With fast micro-iontophoresis of glutamate and GABA it is possible to precisely investigate the spatial and temporal integration of glutamatergic excitation and GABAergic inhibition. Critical technical requirements are either a triggered fluorescent lamp, light-emitting diode (LED), or a two-photon scanning microscope to visualize dendritic branches without introducing significant photo-damage of the tissue. Furthermore, it is very important to have a micro-iontophoresis amplifier that allows for fast capacitance compensation of high resistance pipettes. Another crucial point is that no transmitter is involuntarily released by the pipette during the experiment.
Once established, this technique will give reliable and reproducible signals with a high neurotransmitter and location specificity. Compared to glutamate and GABA uncaging, fast iontophoresis allows using both transmitters at the same time but at very distant locations without limitation to the field of view. There are also advantages compared to focal electrical stimulation of axons: with micro-iontophoresis the location of the input site is definitely known and it is sure that only the neurotransmitter of interest is released. However it has to be considered that with micro-iontophoresis only the postsynapse is activated and presynaptic aspects of neurotransmitter release are not resolved. In this article we demonstrate how to set up micro-iontophoresis in brain slice experiments.

In this article we introduce fast micro-iontophoresis of neurotransmitters as a technique to investigate integration of postsynaptic signals with high spatial and temporal precision.

Schnelle Micro-Iontophorese von Glutamat und GABA: Ein nützliches Tool, um Synaptic Integration Untersuchen

One of the fundamental interests in neuroscience is to understand the integration of excitatory and inhibitory inputs along the very complex structure of ...

Stab Wound Injury of the Zebrafish Adult Telencephalon: A Method to Investigate Vertebrate Brain Neurogenesis and Regeneration

Adult zebrafish have an amazing capacity to regenerate their central nervous system after injury. To investigate the cellular response and the molecular mechanisms involved in zebrafish adult central nervous system (CNS) regeneration and repair, we developed a zebrafish model of adult telencephalic injury.
In this approach, we manually generate an injury by pushing an insulin syringe needle into the zebrafish adult telencephalon. At different post injury days, fish are sacrificed, their brains are dissected out and stained by immunohistochemistry and/or in situ hybridization (ISH) with appropriate markers to observe cell proliferation, gliogenesis, and neurogenesis. The contralateral unlesioned hemisphere serves as an internal control. This method combined for example with RNA deep sequencing can help to screen for new genes with a role in zebrafish adult telencephalon neurogenesis, regeneration, and repair.

To shed light on the cellular and molecular mechanisms of zebrafish adult neurogenesis and regeneration, we developed a protocol for invasive surgery causing mechanical injuries in the zebrafish adult telencephalon and subsequent monitoring of changes in the stabbed hemisphere by immunohistochemistry or in situ hybridization.

Stichwunde Verletzung des Zebrafisch Erwachsene Telen: eine Methode, um Wirbel Gehirn Neurogenese und Regeneration Untersuchen

Adult zebrafish have an amazing capacity to regenerate their central nervous system after injury. To investigate the cellular response and the molecular ...

Protocol for Three-dimensional Confocal Morphometric Analysis of Astrocytes

As glial cells in the brain, astrocytes have diverse functional roles in the central nervous system. In the presence of harmful stimuli, astrocytes modify their functional and structural properties, a condition called reactive astrogliosis. Here, a protocol for assessment of the morphological properties of astrocytes is presented. This protocol includes quantification of 12 different parameters i.e. the surface area and volume of the tissue covered by an astrocyte (astrocyte territory), the entire astrocyte including branches, cell body, and nucleus, as well as total length and number of branches, the intensity of fluorescence immunoreactivity of antibodies used for astrocyte detection, and astrocyte density (number/1,000 &#181;m2). For this purpose three-dimensional (3D) confocal microscopic images were created, and 3D image analysis software such as Volocity 6.3 was used for measurements. Rat brain tissue exposed to amyloid beta1-40 (A&#946;1-40) with or without a therapeutic&#160;intervention was used to present the method. This protocol can also be used for 3D morphometric analysis of other cells from either in vivo or in vitro conditions.

Astrocytes in the CNS change their functional and structural properties in response to harmful stimuli. This report presents a protocol for assessment of three-dimensional astrocyte morphology in diseased conditions or after therapeutic interventions.

Protokoll zur dreidimensionalen konfokalen morphometrische Analyse der Astrozyten

As glial cells in the brain, astrocytes have diverse functional roles in the central nervous system. In the presence of harmful stimuli, astrocytes modify ...

Foraging Path-length Protocol for Drosophila melanogaster Larvae

The Drosophila melanogaster larval path-length phenotype is an established measure used to study the genetic and environmental contributions to behavioral variation. The larval path-length assay was developed to measure individual differences in foraging behavior that were later linked to the foraging gene. Larval path-length is an easily scored trait that facilitates the collection of large sample sizes, at minimal cost, for genetic screens. Here we provide a detailed description of the current protocol for the larval path-length assay first used by Sokolowski. The protocol details how to reproducibly handle test animals, perform the behavioral assay and analyze the data. An example of how the assay can be used to measure behavioral plasticity in response to environmental change, by manipulating feeding environment prior to performing the assay, is also provided. Finally, appropriate test design as well as environmental factors that can modify larval path-length such as food quality, developmental age and day effects are discussed.

Foraging Path-length Protocol for Drosophila melanogaster Larvae

We provide a detailed protocol for a Drosophila melanogaster foraging path-length assay. We discuss the preparation and handling of test animals, how to perform the assay and analyze the data.

Futter suchen Pfad-Länge-Protokoll für<em&gt; Drosophila melanogaster</em&gt; Larvae

The Drosophila melanogaster larval path-length phenotype is an established measure used to study the genetic and environmental contributions to behavioral ...

A Novel Behavioral Assay to Investigate Gustatory Responses of Individual, Freely-moving Bumble Bees (Bombus terrestris)

Generalist pollinators like the buff-tailed bumble bee, Bombus terrestris, encounter both nutrients and toxins in the floral nectar they collect from flowering plants. Only a few studies have described the gustatory responses of bees toward toxins in food, and these experiments have mainly used the proboscis extension response on restrained honey bees. Here, a new behavioral assay is presented for measuring the feeding responses of freely-moving, individual worker bumble bees to nutrients and toxins. This assay measures the amount of solution ingested by each bumble bee and identifies how tastants in food influence the microstructure of the feeding behavior.
The solutions are presented in a microcapillary tube to individual bumble bees that have been previously starved for 2-4 hr. The behavior is captured on digital video. The fine structure of the feeding behavior is analyzed by continuously scoring the position of the proboscis (mouthparts) from video recordings using event logging software. The position of the proboscis is defined by three different behavioral categories: (1) proboscis is extended and in contact with the solution, (2) proboscis is extended but not in contact with the solution and (3) proboscis is stowed under the head. Furthermore the speed of the proboscis retracting away from the solution is also estimated.
In the present assay the volume of solution consumed, the number of feeding bouts, the duration of the feeding bouts and the speed of the proboscis retraction after the first contact is used to evaluate the phagostimulatory or the deterrent activity of the compounds tested.
This new taste assay will allow researchers to measure how compounds found in nectar influence the feeding behavior of bees and will also be useful to pollination biologists, toxicologists and neuroethologists studying the bumble bee&#39;s taste system.

A Novel Behavioral Assay to Investigate Gustatory Responses of Individual, Freely-moving Bumble Bees Bombus terrestris

A novel behavioral assay is described for investigating the short term gustatory responses of the mouthparts of freely-moving bumble bees (Bombus terrestris) toward nutrients and toxins in solution.

A Novel Verhaltenstest Gustatory Antworten einzelner, frei beweglichen Bumble Bees zur Untersuchung (<em&gt; Bombus terrestris</em&gt;)

Generalist pollinators like the buff-tailed bumble bee, Bombus terrestris, encounter both nutrients and toxins in the floral nectar they collect from ...

A Novel Method to Model Chronic Traumatic Encephalopathy in Drosophila

Chronic Traumatic Encephalopathy (CTE) is an established neurodegenerative disease that is closely associated with exposure to repetitive mild Traumatic Brain Injury (mTBI). The mechanisms responsible for its complex pathological changes remain largely elusive, despite a recent consensus to define the neuropathological criteria. Here, we describe a novel method to develop a model of CTE in Drosophila melanogaster&#160;(Drosophila&#160;)&#160;in an attempt to identify the key genes and pathways that lead to the characteristic hyperphosphorylated tau accumulation and neuronal death in the brain. Adjustable-strength impacts to inflict mild closed injury are delivered directly to the fly head, subjecting the head to rapid acceleration and deceleration. Our method eliminates the potential problems inherent with other Drosophila mTBI models (e.g.,animal death might be induced by damage to other parts of the body or to internal organs). The less labor- and cost-intensive animal care, short life span, and extensive genetic tools make the fruit fly ideal to study CTE pathogenesis and make it possible to perform large-scale, genome-wide forward genetic and pharmacological screens. We anticipate that the ongoing characterization of the model will generate important mechanistic insights on disease prevention and therapeutic approaches.

A Novel Method to Model Chronic Traumatic Encephalopathy in Drosophila

Here, we describe a new approach to inflict closed-head traumatic brain injury in Drosophila melanogaster. Our method has the advantage of directly delivering repetitive impacts with adjustable strength to the head alone. Further exploration of the invertebrate system will help to illuminate the pathogenesis of chronic traumatic encephalopathy.

Eine neuartige Methode zur Modellierung chronisch traumatischer Enzephalopathie in<em&gt; Drosophila</em

Chronic Traumatic Encephalopathy (CTE) is an established neurodegenerative disease that is closely associated with exposure to repetitive mild Traumatic ...

Assay Development for High Content Quantification of Sod1 Mutant Protein Aggregate Formation in Living Cells

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease that can be caused by inherited mutations in the gene encoding copper-zinc superoxide dismutase 1 (SOD1). The structural instability of SOD1 and the detection of SOD1-positive inclusions in familial-ALS patients supports a potential causal role for misfolded and/or aggregated SOD1 in ALS pathology. In this study, we describe the development of a cell-based assay designed to quantify the dynamics of SOD1 aggregation in living cells by high content screening approaches. Using lentiviral vectors, we generated stable cell lines expressing wild-type and mutant A4V SOD1 tagged with yellow fluorescent protein and found that both proteins were expressed in the cytosol without any sign of aggregation. Interestingly, only SOD1 A4V stably expressed in HEK-293, but not in U2OS or SH-SY5Y cell lines, formed aggregates upon proteasome inhibitor treatment. We show that it is possible to quantify aggregation based on dose-response analysis of various proteasome inhibitors, and to track aggregate-formation kinetics by time-lapse microscopy. Our approach introduces the possibility of quantifying the effect of ALS mutations on the role of SOD1 in aggregate formation as well as screening for small molecules that prevent SOD1 A4V aggregation.

We describe a method to quantify the aggregation of misfolded proteins. Our protocol details lentiviral induced stable cell line generation, automated confocal imaging, and image analysis of protein aggregates. As an illustrative application, we studied the effect of small molecules in promoting SOD1 aggregation in a time- and dose-dependent manner.

Assay-Entwicklung für hohe Content Quantifizierung der Sod1 mutierten Proteins Aggregatbildung in lebenden Zellen

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease that can be caused by inherited mutations in the gene encoding copper-zinc ...