Indagare abilità motorie processi di apprendimento con un robot Manipulandum

Riepilogo

Un paradigma è presentato per la formazione e l'analisi di un compito di raggiungere abile automatizzata nei ratti. L'analisi dei tentativi tirando rivela sottoprocessi distinti di apprendimento motorio.

Abstract

compiti che raggiungono qualificati sono comunemente utilizzati negli studi di apprendimento delle capacità motorie e la funzione motoria in condizioni sane e patologiche, ma possono essere ambigue e ad alta intensità di tempo per quantificare al di là di semplici percentuali di successo. Qui, descriviamo la procedura di formazione per le attività di portata e trazione con ETH Pattus, una piattaforma robotica per zampa anteriore automatizzato raggiungere formazione che i record di trazione e movimenti di rotazione della mano nei ratti. quantificazione cinematica dei tentativi effettuati tirando rivela la presenza di profili temporali distinti di parametri movimento come tirando velocità, variabilità spaziale della traiettoria tirando, deviazione dalla linea mediana, e tirando successo. Mostriamo come piccoli aggiustamenti nel paradigma di formazione si traducono in alterazioni di questi parametri, rivelando la loro relazione al compito difficoltà, funzione generale del motore o l'esecuzione dell'attività qualificato. In combinazione con tecniche elettrofisiologiche, farmacologiche e optogenetic, questo paradigma può essere utilizzatoper esplorare i meccanismi alla base dell'apprendimento motorio e la formazione della memoria, così come la perdita e il recupero della funzione (ad esempio, dopo l'ictus).

Introduzione

compiti motori sono ampiamente utilizzati per valutare i cambiamenti comportamentali e neurali legati all'apprendimento motore o ad alterazioni nella funzione motoria nei modelli animali neurologici o farmacologici. funzione motoria fine può essere difficile da quantificare nei roditori, però. Compiti che richiedono destrezza manuale, come la manipolazione di cereali ^1, pasta ² o ³ semi di girasole sono sensibili e non richiedono una formazione completa dell'animale. Il loro principale svantaggio è che questi compiti producono risultati prevalentemente qualitativi e può essere difficile segnare ambiguità.

Compiti che raggiungono specializzati, come ad esempio le variazioni del singolo pellet raggiungendo compito sono più semplici da quantificare ^{4, 5.} Tuttavia, i fattori che stanno alla base cinematici esecuzione di successo di queste attività possono essere dedotte solo in misura limitata e richiedono alta intensità di lavoro fotogramma per fotogramma video di unANALISI.

dispositivi robotici hanno guadagnato popolarità come mezzo di quantificare aspetti della funzione degli arti anteriori e abilità motorie. Diverse le attività che raggiungono automatizzato sono disponibili. L'attenzione maggioranza su un singolo aspetto di un movimento zampa anteriore, come tirare una maniglia lungo una guida lineare ^{6, 7,} semplici movimenti distali ⁸ o pronazione e supinazione della zampa ^9. Mentre questi dispositivi sono promettenti per l'analisi della funzione motoria in, riflettono solo le azioni motorie complesse eseguite durante singolo pellet arrivando a un numero limitato di estendere.

Qui, dimostriamo l'uso di un dispositivo a tre gradi di libertà robotica, ETH Pattus, sviluppato per la formazione e la valutazione delle varie attività motorie nei ratti ^{10, 11.} Si registra planare e movimento di rotazione dei movimenti degli arti anteriori ratto a portata di mano, afferrare, etirando compiti svolti nel piano orizzontale. Ratti interagiscono con il robot tramite 6 mm di diametro impugnatura sferica che può essere raggiunto attraverso una finestra nella gabbia test (larghezza: 15 cm, lunghezza 40 cm, altezza 45 cm) e spostato nel piano orizzontale (spinta e trazione movimenti) e ruotati movimenti di pronazione-supinazione (). Così, consente il ratto di effettuare movimenti che approssimano quelli eseguiti durante convenzionali singoli compiti pellet raggiungere. La finestra è largo 10 mm e situato a 50 mm al di sopra del pavimento della gabbia. La maniglia si trova a 55 mm dal pavimento. A scorrevole blocchi porta di accesso al manico tra il raggiungimento prove e si apre quando il robot raggiunge la sua posizione di partenza e si chiude dopo un processo è completato. Dopo un movimento eseguito correttamente, ratti ricevono un premio cibo sul lato opposto della gabbia test.

Il robot è controllato via software e registra uscita da 3 encoder rotativi a 1000 Hz, con conseguente informazioni sulla posizione of la maniglia nel piano orizzontale, così come il suo angolo di rotazione (per dettagli vedi riferimento ^11). Le condizioni necessarie per l'esecuzione compito successo sono definiti nel software prima di ogni sessione di formazione (es minimo richiesto tirando distanza e massima deviazione dalla linea mediana in un compito portata-e-pull). Una posizione iniziale riferimento standardizzato del manico è registrato con un supporto fisso all'inizio di ogni sessione di addestramento. Questo riferimento viene utilizzato per tutte le prove all'interno di una sessione, assicurando una posizione di partenza costante della maniglia per ogni prova. Posizionamento costante del manico rispetto alla finestra gabbia è assicurata da allineamento dei segni sulla gabbia e robot (Figura 1).

Registrazioni video dei movimenti che raggiungono sono registrati utilizzando una piccola macchina fotografica ad alta velocità (120 fotogrammi / s, risoluzione 640 x 480). Un piccolo display nella visualizzazione della telecamera mostra il numero di identificazione del ratto, ALLENAMENTO,il numero di prova e il risultato di prova (successo o fallito). Questi video vengono utilizzati per verificare i risultati registrati e per valutare gli effetti di raggiungere movimenti che precedono il toccare, tirare o rotazione della maniglia.

Qui, dimostriamo l'uso di questa piattaforma robotica in variazioni di un'attività portata-and-pull. Questo compito può essere addestrato entro un periodo di tempo che è paragonabile ad altri paradigmi raggiungendo qualificati e produce risultati riproducibili. Descriviamo un tipico protocollo di formazione, così come alcuni dei parametri di uscita principali. Inoltre, si mostra come piccole modifiche nel protocollo di allenamento utilizzato può portare a corsi a tempo alterati di risultati comportamentali che possono rappresentare sottoprocessi indipendenti nell'ambito del processo di apprendimento di abilità motoria.

Protocollo

Gli esperimenti qui presentati sono stati approvati dal veterinario del Cantone di Zurigo, in Svizzera e sono state eseguite in conformità alle normative nazionali ed istituzionali.

1. condizioni di alimentazione

NOTA: Tutte le sessioni di formazione sono eseguiti nell'ambito di un protocollo di alimentazione pianificata.

1. Alimentare i ratti 50 g / kg di chow normale una volta al giorno, dopo la formazione è completata. Questa quantità di cibo è sufficiente per evitare perdita di peso maggiore (peso corporeo è> 90% del peso libero-alimentazione), ma abbastanza piccolo per garantire condizionamento comportamentale riproducibile. Pesare i ratti quotidianamente per garantire il loro peso corporeo rimane stabile.
   NOTA: durante la notte supplementare (10-12 h) privazione di cibo può essere utile prima della prima sessione di ricompensa-touch (passo 2.3).

2. Procedura di formazione per un compito Reach-e-pull

1. Preparazione: Lasciare i ratti abituare alle loro nuove gabbie casa per a least una settimana dopo l'arrivo nella struttura animali. Gestire i topi regolarmente durante questo periodo e dare pellet di precisione senza polvere nella gabbia casa per abituarsi i ratti al nuovo cibo. Queste palline saranno utilizzati come premi in tutto il protocollo di allenamento.
2. Assuefazione: Posizionare i topi in gabbia di prova per 30-45 min e fornire 30-50 pellet nella ciotola alimentazione, mescolato con Chow in polvere. Aprire e chiudere la finestra gabbia ed eseguire il distributore di pellet tanto in tanto per abituarsi i topi al loro suono.
   1. Ripetere questa operazione per 2-3 giorni.
3. Ricompensa-touch: Formare i ratti a toccare la maniglia sferica attraverso la finestra gabbia e per poi spostarsi verso il lato opposto della gabbia per recuperare una ricompensa in cibo.
   1. Regolare le impostazioni del software in modo che la maniglia si trova appena fuori dalla finestra gabbia test all'inizio di ogni prova e allineare la maniglia con il centro della finestra gabbia. Quando le prove sono di successo, vale a dire </ Em>, non appena un tocco leggero sul manico 0,25 mm (spostamento in qualsiasi direzione) è stato rilevato, un segnale acustico e un premio viene erogato. Classificare prove come non riuscito quando è stato rilevato alcun contatto per 180 s dopo si apre la finestra.
   2. Mettere il topo nella gabbia di formazione. Prompt il ratto di raggiungere facendolo afferrare in un pellet tenuto vicino al manico. Dirigere l'attenzione del topo alla ciotola maniglia e cibo toccando sulla gabbia.
   3. Fermare spingendo quando il ratto raggiunge autonomamente attraverso la finestra gabbia e recupera il pellet cibo.
   4. Continuare fino a 100 prove (tocca) sono stati completati o fino a 60 minuti sono passati, quello che viene prima.
   5. Continuare la formazione per 3-4 giorni e iniziare la prossima fase di formazione (passo 2,4) quando i ratti raggiungono 100 prove entro 30 minuti per 2 giorni consecutivi.
      NOTA: Non over-treno questo passaggio. L'obiettivo del premio-touch è realizzare interazione affidabile tra il ratto e robot, in modo che questo comportamento può essere plasmato insuccessiva formazione.
4. Tiro libero (FP): Formare i ratti per raggiungere e tirare la maniglia del robot.
   1. Regolare le impostazioni del software in modo che la maniglia si trova 18 mm dalla finestra all'inizio di ogni prova, e deve essere tirato per almeno 10 mm senza interruzione per una prova di successo. Non ci sono restrizioni laterali sul movimento tirando in questa fase.
      1. Classificare un processo come guaste quando il manico non è stato spostato per 180 s dopo l'apertura della finestra, quando la maniglia viene spostata al di fuori dell'area di lavoro raggiungibile (più di 12 mm dalla linea mediana), o quando il ratto ha tirato inferiore a 10 mm all'interno è stato rilevato 5 s dopo il primo tocco.
   2. Prendere nota del numero di volte in cui viene utilizzata la zampa sinistra e destra durante le prime 20 prove della prima sessione FP. La zampa che viene utilizzato in almeno l'80% delle prove è considerata la zampa preferito.
      NOTA: La zampa preferenza potrebbe essere già chiaro nella ricompensasessioni -Touch.
   3. Spostare la maniglia lateralmente finché non è allineata con il bordo della finestra per facilitare tirando con la zampa preferita (cioè spostare il robot di 5 mm verso sinistra della finestra per ratti destri e viceversa).
      NOTA: Posizionare la maniglia in questa stessa identica posizione rispetto alla gabbia per tutte le seguenti sessioni di formazione per questo topo. Assicurare posizionamento esatto da segni sulla parete della gabbia e sul robot.
   4. Mettere il topo nella gabbia formazione e treno fino a 100 prove sono stati completati o fino a 60 minuti sono passati, quello che viene prima.
      NOTA: se il ratto non raggiunge fuori abbastanza lontano, si chiederà facendolo afferrare in un pellet tenuto vicino al manico. I ratti possono smettere di cercare di tirare dopo ripetuti tentativi falliti. Toccare sulla gabbia, lasciarli afferrare pellet tenute con un paio di pinze o di dispensare un pellet di ripristinare la loro motivazione.
   5. Per gli esperimenti che coinvolgono solo la formazione FP, continuare la formazione come descritto in 2.4.
      NOTE: In genere, sono necessarie 1-2 sedute di FP per aiutare la transizione dal tocco ricompensa a SP (Straight Pull) di formazione. L'obiettivo di queste sessioni FP è quello di abituarsi ratti di raggiungere, afferrare e tirare la maniglia, piuttosto che solo toccarlo. Come ricompensa-touch di formazione, è importante non a un eccesso di treno se l'obiettivo è quello di passare ad una fase di formazione successiva.
5. Tirare dritto (SP): Treno i ratti per tirare la maniglia senza deviare più di 2 mm dalla linea mediana.
   NOTA: La linea mediana è definita rispetto alla posizione iniziale del robot, non al punto medio della finestra gabbia. Così, un tentativo tirando termina nel punto centrale della finestra gabbia si tradurrà in una traiettoria di trazione che si discosta di più di 2 mm dalla linea mediana.
   1. Regolare le impostazioni del software in modo che solo i processi in cui il movimento di trazione non si discosti più di 2 mm dalla linea mediana su entrambi i lati sono ricompensati da un tono e una pallina. Tenere tutti gli altri parametri come descritto al punto 2.4.
   2. Mettere il topo nella gabbia formazione e treno fino a 100 prove sono stati completati o fino a 60 minuti sono passati, quello che viene prima.
      NOTA: I ratti possono diventare estremamente agitato e smettere di cercare di tirare dopo ripetuti tentativi falliti. Toccare la gabbia per reindirizzare la loro attenzione al compito di raggiungere, far loro afferrare pellet tenute con un paio di pinze o di dispensare un pellet di ripristinare la loro motivazione.
   3. Continuare la formazione fino a quando i ratti raggiungono prestazioni plateau, o adattare il periodo di formazione in base al l'obiettivo di un esperimento.

Risultati

Qui vi mostriamo 3 varianti di un'attività portata e tirare utilizzando ratti maschi a lungo Evans (10-12 settimane). Nel gruppo libero-pull (FP) (n = 6), i ratti sono stati addestrati a tirare la maniglia del robot per un periodo di 22 giorni senza limitazioni laterali. Animali in rettilineo-tirano 1 gruppo (SP1) (n = 12) sono stati addestrati a tirare la maniglia senza deviare più di 2 mm dalla linea mediana. Questi animali transizione direttamente dal premio-touch (passo 2,3) al...

Discussione

Compiti che raggiungono qualificati sono comunemente utilizzati per studiare l'acquisizione delle capacità motorie, nonché compromissione della funzione motoria in condizioni patologiche ^6. analisi affidabile e inequivocabile di raggiungere comportamento è essenziale per lo studio dei meccanismi cellulari alla base acquisizione delle capacità motorie, nonché processi neurofisiologici coinvolti nella perdita e successivo recupero della funzione in modelli animali di malattia neurologica. ...

Materiali

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