חקירת Motor מיומנות תהליכי למידה עם רובוטית Manipulandum

Summary

פרדיגמה מוצג לאימונים וניתוח של משימת לכת מיומנת אוטומטית בחולדות. ניתוח של ניסיונות משייכים מגלה subprocesses הברור של למידה מוטורית.

Abstract

משימות לכת מיומנות נפוצות במחקרי של למידה מיומנות מוטורי ותפקוד מוטורי בתנאים בריאים ופתולוגיים, אבל יכולות להיות זמן עתיר ומעורפל לכמת מעבר שיעורי הצלחה פשוט. כאן, אנו מתארים את הליך ההכשרה למשימות יד-ו-משיכה עם ETH Pattus, פלטפורמה רובוטית עבור forelimb האוטומטית לכת אימון שרשומות מושכות תנועות סיבוב יד בחולדות. כימות קינמטית של ניסיונות המשייכים בצעו כדי לגלות את נוכחותם של פרופילים זמניים ברורים של פרמטרי תנועה כגון משייכת מהירות, השתנות מרחבית של המסלול מושך, סטיית קו האמצע, כמו גם משייך הצלחה. אנו מראים כיצד שינויים קלים בתוך הפרדיגמה ההכשרה לגרום שינויים בפרמטרים אלה, ובכך והקשר שלהם קושי מטלה, תפקוד מוטורי בכלל או ביצוע משימה מיומן. בשילוב עם טכניקות אלקטרו, תרופתי optogenetic, פרדיגמה זו יכולה לשמשכדי לחקור את המנגנונים למידה מוטורית היווצרות הזיכרון, כמו גם אובדן התאוששות של תפקוד (למשל לאחר שבץ).

Introduction

משימות מנוע נמצאים בשימוש נרחב כדי להעריך שינויים התנהגותיים עצביים הקשורים למידה מוטורית או שינויים בתפקוד המוטורי במודלים של בעלי חיים נוירולוגיות או תרופתי. תפקוד מוטורי פיין יכול להיות קשה לכמת במכרסמים, זאת. משימות הדורשות מיומנות ידנית, כגון מניפולציה של דגני בוקר ^1, פסטה ^2, או גרעיני חמניות ³ רגישים ואינם דורשים הכשרה מקיפה של החיה. החסרון העיקרי שלהם הוא כי משימות אלה להניב תוצאות איכותיות בעיקר ויכולות להיות קשה להבקיע באופן חד משמעי.

משימות לכת מיומנות, כגון וריאציות של הגלולה האחת לכת משימה יותר פשוטות לכמת ^{4, 5.} עם זאת, גורמי קינמטיקה העומד בבסיס ביצוע מוצלח של משימות אלה ניתן להסיק רק במידה מוגבלת ודורשים עתיר עבודת מסגרת לפי מסגרת וידאוnalysis.

התקנים רובוטיים צברו פופולריות כאמצעי לכימות ההיבטים של תפקוד forelimb ו מיומנות מוטורית. מספר משימות לכת אוטומטית זמינות. המוקד הרוב על היבט אחד של תנועה forelimb, כגון משיכת ידית לאורך מדריך ליניארית ^{6, 7,} תנועות הגפיים דיסטלי פשוט ^8, או פרונציה ו סופינציה של כפה ^9. בעוד מכשירים אלה מראים תוצאות מבטיחות בתחום הניתוח של תפקוד מוטורי, הם רק משקפים את הפעולות המוטוריות המורכבות שבוצעו במהלך גלולה אחת להגיע אל מוגבל להאריך.

הנה, אנחנו מדגימים את השימוש במכשיר שלוש מעלות-של-חופש רובוטית, ETH Pattus, שפותח לאימון והערכה של מטלות מוטוריות שונות בחולדות ^{10, 11.} היא מתעד מישוריים תנועה סיבובית של תנועות forelimb עכברוש ידם, לחוש,משייך משימות שבוצעו במישור האופקי. חולדות אינטראקציה עם הרובוט באמצעות ידית כדורית 6 מ"מ בקוטר כי ניתן להגיע דרך חלון בכלוב בדיקות (רוחב: 15 ס"מ, אורך: 40 ס"מ, גובה: 45 ס"מ) ועבר במישור האופקי (דוחפים ומושכים תנועות) וסובב (תנועות-סופינציה פרונציה). לפיכך, הוא מאפשר החולדה לבצע תנועות קרובות לאלה שבוצעו במהלך משימות לכת גלולות אחת קונבנציונליות. החלון הוא 10 מ"מ רחב וממוקם 50 מ"מ מעל רצפת הכלוב. הידית ממוקמת 55 מ"מ מעל הרצפה. חוסם דלת זזה לגשת לידית בין לכת ניסויים ופותחים כאשר הרובוט מגיע מיקום ההתחלה שלו וסוגר אחרי משפט הושלם. לאחר תנועת להורג כראוי, חולדות לקבל פרס מזון בצד השני של כלוב הבדיקות.

הרובוט נשלט באמצעות תוכנה ורשומה פלט 3 אנקודר ב 1000 הרץ, וכתוצאה מכך המידע לגבי המיקום of הידית במישור האופקי, כמו גם זווית הסיבוב שלה (לפרטים, ראה חומר עזר ^11). התנאים הנדרשים לביצוע משימה מוצלח מוגדרים בתוכנה לפני כל אימון (מינימום למשל נדרש משייך מרחק וסטייה מקסימלית מפני קו אמצע משימת יד-ו-pull). עמדת התייחסות סטנדרטית ראשונית של הידית הוא הקליט עם בעל קבוע בתחילת כל אימון. אזכור זה משמש עבור כל הניסויים בתוך מושב, והבטיח בעמדת תחילה מתמדת של הידית עבור כל ניסוי. מיצוב הקבוע של יחסי הידית לחלון הכלוב מובטח על ידי יישור של סימנים על כלוב רובוט (איור 1).

הקלטות וידאו של תנועות הלכת נרשמות באמצעות מצלמת מהירות גבוהה קטנה (120 מסגרות / s, 640 x 480 רזולוציה). תצוגה קטנה הראייה של המצלמה מראה את מספר זיהוי של העכברוש, אימון פגישה,מספר בדיקת תוצאת משפט (הצלחה או נכשלו). קטעי וידאו אלה משמשים כדי לאמת את תוצאות רשמו ועל מנת להעריך את ההשפעות של לכת תנועות קודמות הנגיעה, מושכים או סיבוב של הידית.

הנה, אנחנו מדגימים את השימוש בפלטפורמה רובוטית זו בוריאציות של משימת יד-ו-משיכה. משימה זו יכולה להיות מאומנת בתוך פרק הזמן זה ניתן להשוות פרדיגמות לכת מיומנות אחרות מניב תוצאות לשחזור. אנו מתארים פרוטוקול אימון טיפוסי, כמו גם כמה פרמטרי הפלט הראשיים. יתר על כן, אנו מראים כיצד שינויים קלים בפרוטוקול הכשרה בשימוש יכול לגרום קורסים הזמן שינו תוצאות התנהגותיות שעשויים לייצג subprocesses עצמאית בתוך תהליך הלמידה מיומנות מוטורית.

Protocol

הניסויים שהוצגו כאן אושרו על ידי משרד הווטרינרית של קנטון ציריך, שוויץ בוצעו בהתאם לתקנות לאומיות ומוסדיות.

1. תנאי האכלה

הערה: כל האימונים מתבצעים תחת פרוטוקול האכלה מתוזמנת.

1. להאכיל את החולדות 50 גרם / ק"ג של צ'או תקן פעם ביום, לאחר השלמת אימונים. סכום זה של מזון הוא מספיק כדי למנוע ירידה במשקל גדולה (משקל גוף הוא> 90% מהמשקל ללא האכלה), אך קטן מספיק כדי להבטיח מיזוג התנהגותיים לשחזור. לשקול החולדות יומיות על מנת להבטיח ממשקל גופם נשאר יציב.
   הערה: לילה נוסף (10-12 שעות) מניעת מזון עשויה להיות שימושית לפני פגישת גמול בנגיעה הראשונה (שלב 2.3).

2. נוהל הדרכה עבור משימת Reach-ו-משיכה

1. אופן הכנה: אפשר החולדות להרגיל כלובים לביתם החדשים במשך לאהרח שבוע לאחר הגעתו למתקן בעלי החיים. טפלו חולדות באופן קבוע באותה תקופה ולתת כדורי דיוק dustless בכלוב בבית להרגיל את החולדות את המזון החדש. כדורים אלה ישמשו כגמול ברחבי פרוטוקול אימון.
2. הרגלה: מניחה את החולדות בכלוב הבדיקות 30-45 דקות ולספק 30-50 כדורים בקערת ההאכלה, מעורבב עם אוכל אבקה. לפתוח ולסגור את חלון הכלוב ולהפעיל את מנפק גלולה מדי פעם כדי להרגיל את החולדות הצליל שלהם.
   1. חזור על פעולה זו במשך 2-3 ימים.
3. Reward בנגיעה: לאלף את החולדות לגעת בידית הכדורית מבעד לחלון הכלוב אז לעבור לצד השני של הכלוב כדי לאחזר פרסי מזון.
   1. התאם את גדרות תוכנה כך הידית ממוקמת ממש מחוץ לחלון כלוב הבדיקות בתחילת כל ניסוי וליישר את הידית עם במרכז החלון בכלוב. כאשר ניסויים מוצלחים, כלומר </ Em>, בהקדם במגע קל על הידית (עקירת 0.25 מ"מ בכל כיוון) התגלה, יישמע צליל גמול הוא חלק. לסווג ניסויים כמו נכשל כשאף מגע שזוהה עבור 180 s לאחר החלון נפתח.
   2. מכניסים את החולדה בכלוב אימון. הצג בפני החולדה להושיט ידי לתת לה לתפוס בכל גלולה שנערך ליד הידית. מפנה את תשומת לבו של חולדת קערת הידית ומזון ידי קשה על הכלוב.
   3. עצור מה שגרם כאשר החולדה מגיעה באופן עצמאי דרך חלון כלוב מאחזר גלול מזון.
   4. המשך עד 100 ניסויים (נגיעות) הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
   5. המשך ההכשרה במשך 3-4 ימים ולהתחיל לשלב הבא של אימון (שלב 2.4) כאשר חולדות להשיג 100 ניסויים בתוך 30 דקות על 2 ימים רצופים.
      הערה: אל יתר להכשיר את הצעד הזה. המטרה בנגיעת גמול היא להשיג אינטראקציה אמינה בין חולדת הרובוט, כך שהתנהגות זו יכולה להיות מעוצבת בהכשרה שלאחר מכן.
4. משיכה חינם (FP): לאלף את החולדות להושיט יד ולמשוך את הידית של הרובוט.
   1. התאם את הגדרות התוכנה כך הידית ממוקם 18 מ"מ מהחלון בתחילת כל ניסוי, וחייב להיות משך במשך 10 מ"מ לפחות ללא הפרעה למשפט מוצלח. אין הגבלות לרוחב על התנועה המשייכת בשלב זה.
      1. לסווג משפט כמו נכשל כאשר הידית לא זזו ממקומם 180 אחרי החלון נפתח, כאשר הידית מועבר מחוץ לסביבת העבודה ניתן להשגה (יותר מ -12 מ"מ קו האמצע), או כאשר החולדה משכה פחות מ -10 מ"מ בתוך 5 ים לאחר המגע הראשון זוהה.
   2. לרשום את מספר הפעמים כפה על ימין ועל השמאל משמשים במהלך 20 הניסויים הראשונים של פגישת FP הראשונה. הכף המשמש לפחות 80% של הניסויים נחשבת כפה המועדפת.
      הערה: העדפת Paw עשויה להיות כבר ברורה בשכרהפעלות -touch.
   3. הזז את הידית רוחבית עד שהוא מיושר עם קצה החלון כדי להקל משייכת עם הכפה המועדפת (כלומר להעביר את מ"מ רובוט 5 אל הצד השמאלי של החלון לחולדות ימניות ולהיפך).
      הערה: הנח את הידית באותו המיקום היחסי הזה בדיוק לכלוב לכל האימונים הבאים עכברוש זה. הבטח מיקום מדויק על ידי סימנים על קיר הכלוב על הרובוט.
   4. מכניסים את החולדה בכלוב הכשרה הרכבת עד 100 ניסויים הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
      הערה: אם החולדה לא להושיט יד רחוקה מספיק, להנחות אותו לתת לה לתפוס בכל גלולה שנערכה ליד הידית. חולדות יכולות להפסיק לנסות למשוך אחרי ניסיונות כושלים חוזרים ונשנים. קש על הכלוב, לתת להם לתפוס כדורים שנערכו עם זוג מלקחיים או לוותר גלולה לשחזר את המוטיבציה שלהם.
   5. בניסויים מעורבים אימונים FP בלבד, להמשיך באימונים כמתואר 2.4.
      לאTE: בדרך כלל, 1-2 מפגשי FP נדרשים כדי לעזור מעבר מגע גמול SP ההדרכה (ישר Pull). מטרת המפגשים FP אלה הוא להרגיל חולדות להושיט יד, לתפוס ולמשוך את הידית, ולא לגעת רק זה. כמו אימון גמול-מגע, חשוב לא מעל הרכבת אם המטרה היא לעבור צעד בהדרכה הבא.
5. ישר משיכה (SP): לאלף את החולדות למשוך בידית בלי לחרוג יותר מ -2 מ"מ מן קו האמצע.
   הערה: קו האמצע מוגדר ביחס למיקום ההתחלה של הרובוט, לא אל נקודת האמצע של החלון בכלוב. לפיכך, ניסיון משייך וכלה בנקודת האמצע של החלון בכלוב יגרום למסלול משייך שחורג יותר מ -2 מ"מ מן קו אמצע.
   1. התאם את הגדרות התוכנה כך שרק ניסויים שבהם התנועה משיכת אינה חורגת יותר מ -2 מ"מ מן קו האמצע צידיו מתוגמלים על ידי הטון גלולה. שמור את כל הפרמטרים האחרים כפי שמתואר בשלב 2.4.
   2. מכניסים את החולדה בכלוב הכשרה הרכבת עד 100 ניסויים הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
      הערה: חולדות עשויות להיות מאוד נסערות ולהפסיק לנסות למשוך אחרי ניסיונות כושלים חוזרים ונשנים. קש על הכלוב כדי להפנות את תשומת לבם את המשימה להגיע, לתת להם לתפוס כדורים שנערכו עם זוג מלקחיים או לוותר גלולה לשחזר את המוטיבציה שלהם.
   3. המשך אימונים עד החולדות להגיע לביצועים רמים, או להתאים את תקופת ההכשרה בהתאם למטרה של ניסוי.

תוצאות

כאן, אנו מציגים 3 וריאציות של משימת יד-ו משיכה באמצעות חולדות לונג-אוונס זכר (10-12 שבועות). בשנות ה pull-חינם (FP) קבוצה (N = 6), חולדות אומנו למשוך בידית של הרובוט לתקופה 22 יום ללא הגבלות לרוחב. בעלי חיים תחת הישר למשוך 1 (SP1) קבוצה (N = 12) הוכשרו למשוך בידית בלי לחר...

Discussion

להגיע משימות מיומנות משמשות כדי ללמוד רכישת מיומנות מוטורית וכן ירידת ערך של תפקוד מוטורי מתחת לגיל ⁶ במצבים פתולוגיים. ניתוח אמין וחד משמעי להגיע התנהגות חיוני לחקר מנגנונים תאיים בבסיס רכישת מיומנות מוטורית, כמו גם תהליכים נוירופיזיולוגיים מעורבים א?...

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