Enquête sur les processus d'apprentissage de compétences du moteur avec une robotique manipulandum

Résumé

Un paradigme est présenté pour la formation et l'analyse d'une tâche qualifiée atteignant automatisée chez les rats. Analyse des tentatives de traction révèle sous-processus distincts de l'apprentissage moteur.

Résumé

tâches atteignant qualifiés sont couramment utilisés dans les études sur l'apprentissage des habiletés motrices et la fonction du moteur dans des conditions saines et pathologiques, mais peut-être temps-intensive et ambiguë pour quantifier au-delà des taux de réussite simples. Ici, nous décrivons la procédure de formation pour les tâches portée et de traction avec ETH Pattus, une plate-forme robotique pour forelimb automatisé atteindre la formation que les dossiers de traction et de mouvements de rotation de la main chez les rats. la quantification cinématique des essais de traction effectués révèle la présence de profils temporels distincts de paramètres de mouvement de traction, tels que la vitesse, la variabilité spatiale de la trajectoire de traction, toute déviation de la ligne médiane, ainsi que le tirant succès. Nous montrons comment des ajustements mineurs dans le paradigme de la formation entraînent des modifications de ces paramètres, révélant leur relation avec la difficulté des tâches, la fonction motrice générale ou de l'exécution des tâches du métier. Combiné avec des techniques électrophysiologiques, pharmacologiques et optogénétiques, ce paradigme peut être utiliséd'explorer les mécanismes sous - jacents de l' apprentissage moteur et la formation de la mémoire, ainsi que la perte et la récupération de la fonction (par exemple après un AVC).

Introduction

tâches à moteur sont largement utilisés pour évaluer les changements comportementaux et neuronaux liés à l'apprentissage moteur ou à des altérations de la fonction motrice dans des modèles animaux neurologiques ou pharmacologiques. fonction de la motricité fine peut être difficile à quantifier chez les rongeurs, cependant. Tâches nécessitant une dextérité manuelle, telles que la manipulation de céréales ^1, les pâtes ^2, ou de graines de tournesol ³ sont sensibles et ne nécessitent pas une formation approfondie de l'animal. Leur principal inconvénient est que ces tâches donnent des résultats essentiellement qualitatifs et peuvent être difficiles à marquer sans ambiguïté.

Tâches atteignant qualifiés, tels que les variations de la pastille unique pour atteindre la tâche sont plus simples à quantifier ^{4, 5.} Cependant, des facteurs cinématiques qui sous-tendent l'exécution réussie de ces tâches ne peuvent être déduites dans une mesure limitée et nécessitent de main-d'œuvre trame par trame vidéo d'unnalyse.

dispositifs robotiques ont gagné en popularité comme moyen de quantifier les aspects de la fonction forelimb et habileté motrice. Plusieurs tâches atteignant automatisé sont disponibles. L'objectif de la majorité sur un seul aspect d'un mouvement forelimb, comme tirant d'une poignée le long d' un guidage linéaire ^{6, 7,} simples mouvements des membres distaux ⁸ ou pronation et supination de la patte ^9. Bien que ces dispositifs sont prometteurs pour l'analyse de la fonction motrice, ils ne reflètent que les actions motrices complexes exécutées au cours culot unique atteint dans une mesure limitée.

Ici, nous démontrons l'utilisation d'un dispositif robotisé à trois degrés de liberté, ETH Pattus, mis au point pour la formation et l' évaluation des diverses tâches motrices chez les rats ^{10, 11.} Il enregistre plane et mouvement des mouvements des membres antérieurs du rat à portée, portée de rotation, eten tirant les tâches effectuées dans le plan horizontal. Les rats interagissent avec le robot par l'intermédiaire d'une poignée sphérique 6 mm de diamètre qui peut être atteint à travers une fenêtre dans la cage de test (largeur: 15 cm, longueur: 40 cm, hauteur: 45 cm) et déplacé dans le plan horizontal (en poussant et en tirant mouvements) et mis en rotation (mouvements pronation-supination). Ainsi, il permet le rat d'effectuer des mouvements qui se rapprochent de celles exécutées pendant les tâches classiques de granulés atteignant simples. La fenêtre est de 10 mm de large et situé à 50 mm au-dessus du plancher de la cage. La poignée est située à 55 mm au-dessus du sol. Un glissement des blocs de porte l'accès à la poignée entre l'atteinte des essais et ouvre lorsque le robot atteint sa position de départ et se ferme après un procès est terminé. Après un mouvement exécuté correctement, les rats reçoivent une récompense alimentaire sur le côté opposé de la cage de test.

Le robot est contrôlé par le logiciel et enregistre la sortie de 3 encodeurs rotatifs à 1000 Hz, ce qui entraîne des informations sur la position of la poignée dans le plan horizontal, ainsi que son angle de rotation (pour plus de détails, voir la référence ^11). Les conditions requises pour l' exécution des tâches de succès sont définis dans le logiciel avant chaque session de formation (par exemple , minimum requis tirant la distance et la déviation maximale de la ligne médiane dans une tâche portée et de traction). Une position de référence normalisée initiale de la poignée est enregistrée avec un support fixe, au début de chaque séance d'entraînement. Cette référence est utilisée pour tous les essais au sein d'une session, assurant une position de départ constante de la poignée pour chaque essai. Le positionnement constant de la poignée par rapport à la fenêtre de la cage est assurée par l' alignement des marques sur la cage et le robot (figure 1).

Les enregistrements vidéo des mouvements d'atteinte sont enregistrés en utilisant une petite caméra haute vitesse (120 images / s, résolution 640 x 480). Un petit écran dans la vue de la caméra montre le numéro d'identification du rat, la formation de session,Numéro d'essai et le résultat d'essai (réussite ou échec). Ces vidéos sont utilisés pour vérifier les résultats enregistrés et d'évaluer les effets d'atteindre les mouvements qui précèdent le toucher, tirer ou rotation de la poignée.

Ici, nous démontrons l'utilisation de cette plate-forme robotique dans les variations d'une tâche portée et de traction. Cette tâche peut être formé dans un délai de temps qui est comparable à d'autres paradigmes atteignant qualifiés et donne des résultats reproductibles. Nous décrivons un protocole typique de formation, ainsi que certains des principaux paramètres de sortie. De plus, nous montrons comment des changements mineurs dans le protocole de formation utilisé peut se traduire par des cours à temps altérés de résultats comportementaux qui peuvent représenter des sous-processus indépendants dans le processus d'apprentissage des habiletés motrices.

Protocole

Les expériences présentées ici ont été approuvés par l'Office vétérinaire du canton de Zurich, en Suisse et ont été réalisées conformément aux réglementations nationales et institutionnelles.

1. Alimentation Conditions

NOTE: Toutes les séances de formation sont effectuées en vertu d'un protocole d'alimentation programmée.

1. Nourrir les rats 50 g / kg de nourriture standard une fois par jour, une fois la formation terminée. Cette quantité de nourriture est suffisante pour empêcher une importante perte de poids (poids corporel est> 90% du poids sans alimentation), mais assez petit pour assurer le conditionnement comportemental reproductible. Peser les rats quotidiennement pour assurer leur poids corporel reste stable.
   REMARQUE: une nuit supplémentaire (10-12 h) la privation de nourriture peut être utile avant la première session récompense-touch (étape 2.3).

2. Procédure de formation pour un groupe de Reach-et-pull

1. Préparation: Laisser les rats habituent à leurs nouvelles cages à domicile pour encst une semaine après l'arrivée dans l'animalerie. Manipuler les rats régulièrement pendant ce temps et donner des pastilles de précision sans poussière dans la cage pour habituer les rats à la nouvelle nourriture. Ces pastilles seront utilisés comme récompenses à travers le protocole de formation.
2. Accoutumance: Placez les rats dans la cage d'essai pour 30-45 min et fournir 30-50 pellets dans le bol d'alimentation, mélangés avec chow en poudre. Ouvrir et fermer la fenêtre de la cage et faire fonctionner le distributeur de granulés de temps en temps pour habituer les rats à leur son.
   1. Répétez cette opération pour 2-3 jours.
3. Récompensez-touch: Former les rats de toucher la poignée sphérique à travers la fenêtre de la cage et se déplacer ensuite vers le côté opposé de la cage pour récupérer une récompense alimentaire.
   1. Réglez les paramètres du logiciel de telle sorte que la poignée se trouve juste en dehors de la fenêtre de la cage d'essai au début de chaque essai et aligner la poignée avec le centre de la fenêtre de la cage. Lorsque les essais sont concluants, à savoir </ Em>, dès qu'une touche de lumière sur la poignée (0,25 mm de déplacement dans une direction quelconque) a été détectée, un signal sonore retentit et une récompense est distribuée. Classez essais comme ayant échoué lorsque aucune touche n'a été détectée pendant 180 s après que la fenêtre ouvre.
   2. Mettez le rat dans la cage de formation. Invite le rat pour atteindre en le laissant attraper à une pastille tenue près de la poignée. Diriger l'attention du rat à la cuvette de poignée et de la nourriture en tapant sur la cage.
   3. Incitant s'arrêter lorsque le rat atteint de façon indépendante à travers la fenêtre de la cage et récupère le culot alimentaire.
   4. Continuez jusqu'à ce que 100 essais (petites touches) sont terminées ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
   5. Poursuivre la formation pendant 3-4 jours et commencer la prochaine étape de la formation (étape 2.4) lorsque les rats atteignent 100 essais en 30 minutes sur 2 jours consécutifs.
      REMARQUE: Ne pas trop former cette étape. L'objectif de la récompense-touch est de parvenir à une interaction fiable entre le rat et le robot, de sorte que ce comportement peut être façonné enformation ultérieure.
4. Traction libre (FP): Former les rats d'atteindre et de tirer la poignée du robot.
   1. Réglez les paramètres du logiciel de telle sorte que la poignée se trouve 18 mm à partir de la fenêtre au début de chaque essai, et doit être tiré au moins 10 mm sans interruption pendant un essai réussi. Il n'y a pas de restrictions latérales sur le mouvement de traction dans cette étape.
      1. Classez un procès comme ayant échoué lorsque la poignée n'a pas été déplacé pendant 180 s après que la fenêtre ouvre, lorsque la poignée est déplacée en dehors de l'espace de travail accessible (plus de 12 mm de la ligne médiane), ou lorsque le rat a tiré moins de 10 mm à l'intérieur 5 s après le premier contact a été détecté.
   2. Prenez note du nombre de fois que la patte gauche et à droite sont utilisés au cours des 20 premiers essais de la première session FP. La patte qui est utilisé dans au moins 80% des essais est considérée comme la patte préféré.
      NOTE: préférence Paw peut déjà être clair en récompensesessions -TOUCH.
   3. Déplacer la poignée latéralement jusqu'à ce qu'il soit aligné avec le bord de la fenêtre pour faciliter la traction avec la patte préférée (c. -à déplacer le robot 5 mm sur le côté gauche de la fenêtre pour les rats à droite et vice-versa).
      REMARQUE: Placez la poignée dans cette exacte même position par rapport à la cage pour toutes les sessions de formation suivantes pour ce rat. Assurer le placement exact par des marques sur la paroi de la cage et sur le robot.
   4. Mettez le rat dans la cage de la formation et de train jusqu'à 100 essais sont terminés ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
      NOTE: Si le rat ne parvient pas assez loin, il invite en le laissant attraper à une pastille tenue près de la poignée. Les rats peuvent cesser d'essayer de tirer après des tentatives infructueuses répétées. Appuyez sur la cage, laissez-les saisir pour les pastilles tenues avec une paire de pinces ou distribuent une pastille pour restaurer leur motivation.
   5. Pour les expériences impliquant seulement la formation FP, poursuivre la formation comme décrit dans 2.4.
      NONTE: En règle générale, 1-2 sessions de PF sont nécessaires pour aider à la transition de récompense tactile pour SP Formation (Pull droite). L'objectif de ces sessions de PF est d'habituer les rats pour atteindre, saisir et tirer la poignée, plutôt que de ne toucher. Comme pour la formation de récompense-touch, il est important de ne pas trop le train si le but est de passer à une étape de formation suivante.
5. Traction droit (SP): Former les rats pour tirer la poignée sans dévier de plus de 2 mm de la ligne médiane.
   REMARQUE: La ligne médiane est définie par rapport à la position initiale du robot, et non pas au milieu de la fenêtre de la cage. Ainsi, un effort de traction se terminant au milieu de la fenêtre de la cage se traduira par une trajectoire de traction qui dévie de plus de 2 mm de la ligne médiane.
   1. Réglez les paramètres du logiciel de sorte que seuls les essais où le mouvement de traction ne dévie pas plus de 2 mm de la ligne médiane de chaque côté sont récompensés par un ton et une pastille. Gardez tous les autres paramètres comme décrit dans l'étape 2.4.
   2. Mettez le rat dans la cage de la formation et de train jusqu'à 100 essais sont terminés ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
      NOTE: Les rats peuvent devenir extrêmement agités et arrêter d'essayer de tirer après des tentatives infructueuses répétées. Appuyez sur la cage pour rediriger leur attention à la tâche d'atteindre, laissez-les saisir pour les pastilles tenues avec une paire de pinces ou distribuent une pastille pour restaurer leur motivation.
   3. Poursuivre la formation jusqu'à ce que les rats atteignent la performance du plateau, ou d'adapter la période de formation en fonction de l'objectif d'une expérience.

Résultats

Ici, nous montrons 3 variations d'une tâche de portée et tirer en utilisant des rats Long-Evans mâles (10-12 semaines). Dans le groupe libre-pull (FP) (N = 6), les rats ont été formés pour tirer la poignée du robot pour une période de 22 jours sans restrictions latérales. Les animaux dans la ligne droite-pull 1 groupe (SP1) (N = 12) ont été formés pour tirer la poignée sans dévier de plus de 2 mm de la ligne médiane. Ces animaux directement à partir de la transition r...

Discussion

Tâches atteignant qualifiés sont couramment utilisés pour étudier l' acquisition des habiletés motrices ainsi que la dépréciation de la fonction motrice dans des conditions pathologiques ^6. analyse fiable et sans ambiguïté d'atteindre le comportement est essentiel pour l'étude des mécanismes cellulaires sous-jacents d'acquisition des habiletés motrices, ainsi que les processus neurophysiologiques impliqués dans la perte et la récupération ultérieure de la fonction ...

matériels

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