Name: investigating motor skill learning processes with a robotic manipulandum
Uploaded: 2017-02-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
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Questa ricerca è stata sostenuta dal Fondo Nazionale Svizzero, la Betty e David Koetser Fondazione per la Ricerca sul Cervello e la Fondazione Politecnico.

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&#39;ambito di un protocollo di alimentazione pianificata. <ol><li> 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&gt; 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). </li></ol> 2. Procedura di formazione per un compito Reach-e-pull <ol><li> Preparazione: Lasciare i ratti abituare alle loro nuove gabbie casa per a least una settimana dopo l&#39;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. </li><li> 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. <ol><li> Ripetere questa operazione per 2-3 giorni. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Regolare le impostazioni del software in modo che la maniglia si trova appena fuori dalla finestra gabbia test all&#39;inizio di ogni prova e allineare la maniglia con il centro della finestra gabbia. Quando le prove sono di successo, vale a dire &lt;/ Em&gt;, 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. </li><li> Mettere il topo nella gabbia di formazione. Prompt il ratto di raggiungere facendolo afferrare in un pellet tenuto vicino al manico. Dirigere l&#39;attenzione del topo alla ciotola maniglia e cibo toccando sulla gabbia. </li><li> Fermare spingendo quando il ratto raggiunge autonomamente attraverso la finestra gabbia e recupera il pellet cibo. </li><li> Continuare fino a 100 prove (tocca) sono stati completati o fino a 60 minuti sono passati, quello che viene prima. </li><li> 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&#39;obiettivo del premio-touch è realizzare interazione affidabile tra il ratto e robot, in modo che questo comportamento può essere plasmato insuccessiva formazione. </li></ol></li><li> Tiro libero (FP): Formare i ratti per raggiungere e tirare la maniglia del robot. <ol><li> Regolare le impostazioni del software in modo che la maniglia si trova 18 mm dalla finestra all&#39;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. <ol><li> Classificare un processo come guaste quando il manico non è stato spostato per 180 s dopo l&#39;apertura della finestra, quando la maniglia viene spostata al di fuori dell&#39;area di lavoro raggiungibile (più di 12 mm dalla linea mediana), o quando il ratto ha tirato inferiore a 10 mm all&#39;interno è stato rilevato 5 s dopo il primo tocco. </li></ol></li><li> 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&#39;80% delle prove è considerata la zampa preferito. NOTA: La zampa preferenza potrebbe essere già chiaro nella ricompensasessioni -Touch. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;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&#39;obiettivo è quello di passare ad una fase di formazione successiva. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Continuare la formazione fino a quando i ratti raggiungono prestazioni plateau, o adattare il periodo di formazione in base al l&#39;obiettivo di un esperimento. </li></ol></li></ol>

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	<li>Irvine, K. -. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+method+for+assessing+proximal+and+distal+forelimb+function+in+the+rat:+the+Irvine,+Beatties+and+Bresnahan+(IBB)+forelimb+scale.">A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale.</a> JoVE. (46), (2010).</li><li>Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pasta+matrix+reaching+task:+a+simple+test+for+measuring+skilled+reaching+distance,+direction,+and+dexterity+in+rats.">The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats.</a> J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).</li><li>Kemble, E. D., Wimmer, S. C., Konkler, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+varied+prior+manipulatory+or+consummatory+behaviours+on+nut+opening,+predation,+novel+foods+consumption,+nest+building,+and+food+tablet+grasping+in+rats.">Effects of varied prior manipulatory or consummatory behaviours on nut opening, predation, novel foods consumption, nest building, and food tablet grasping in rats.</a> Behav Proc. 8 (1), 33-44 (1983).</li><li>Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+motor+skill+and+instrumental+learning+time+scales+in+a+skilled+reaching+task+in+rat.">Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat.</a> Behav Brain Res. 155 (2), 249-256 (2004).</li><li>Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+structure+of+skilled+forelimb+reaching+in+the+rat:+A+proximally+driven+movement+with+a+single+distal+rotatory+component.">The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component.</a> Behav Brain Res. 41 (1), 49-59 (1990).</li><li>Hays, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+isometric+pull+task:+a+novel+automated+method+for+quantifying+forelimb+force+generation+in+rats.">The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats.</a> J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).</li><li>Sharp, K. G., Duarte, J. E., Gebrekristos, B., Perez, S., Steward, O., Reinkensmeyer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic+Rehabilitator+of+the+Rodent+Upper+Extremity:+A+System+and+Method+for+Assessing+and+Training+Forelimb+Force+Production+after+Neurological+Injury.">Robotic Rehabilitator of the Rodent Upper Extremity: A System and Method for Assessing and Training Forelimb Force Production after Neurological Injury.</a> J Neurotrauma. 33 (5), 460-467 (2016).</li><li>Hays, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+bradykinesia+assessment+task:+an+automated+method+to+measure+forelimb+speed+in+rodents.">The bradykinesia assessment task: an automated method to measure forelimb speed in rodents.</a> J Neurosci Meth. 214 (1), 52-61 (2013).</li><li>Meyers, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+supination+assessment+task:+an+automated+method+for+quantifying+forelimb+rotational+function+in+rats.">The supination assessment task: an automated method for quantifying forelimb rotational function in rats.</a> J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).</li><li>Lambercy, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-processes+of+motor+learning+revealed+by+a+robotic+manipulandum+for+rodents.">Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents.</a> Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).</li><li>Vigaru, B. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+robotic+platform+to+assess,+guide+and+perturb+rat+forelimb+movements.">A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 21 (5), 796-805 (2013).</li><li>Klein, A., Sacrey, L. -. A. R., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+rodent+skilled+reaching+as+a+translational+model+for+investigating+brain+damage+and+disease.">The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease.</a> Neurosci Biobehav Rev. 36 (3), 1030-1042 (2012).</li><li>Gharbawie, O. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+stages+of+learning+and+recovery+of+skilled+reaching+after+motor+cortex+stroke:+&amp;#34;Oppositions&amp;#34;+organize+normal+and+compensatory+movements.">Parallel stages of learning and recovery of skilled reaching after motor cortex stroke: &amp;#34;Oppositions&amp;#34; organize normal and compensatory movements.</a> Behav Brain Res. 175 (2), 249-262 (2006).</li><li>Palm&#233;r, T., Tamt&#232;, M., Halje, P., Enqvist, O., Petersson, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+system+for+automated+tracking+of+motor+components+in+neurophysiological+research.">A system for automated tracking of motor components in neurophysiological research.</a> J Neurosci Meth. 205 (2), 334-344 (2012).</li><li>Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+behavioral+method+for+identifying+recovery+and+compensation:+Hand+use+in+a+preclinical+stroke+model+using+the+single+pellet+reaching+task.">A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task.</a> Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).</li><li>Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compensation+aids+skilled+reaching+in+aging+and+in+recovery+from+forelimb+motor+cortex+stroke+in+the+rat.">Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat.</a> Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).</li><li>Molina-Luna, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopamine+in+motor+cortex+is+necessary+for+skill+learning+and+synaptic+plasticity.">Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity.</a> PloS one. 4 (9), (2009).</li><li>VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-Evans+rats+have+a+larger+cortical+topographic+representation+of+movement+than+Fischer-344+rats:+A+microstimulation+study+of+motor+cortex+in+na&#305;&#776;ve+and+skilled+reaching-trained+rats.">Long-Evans rats have a larger cortical topographic representation of movement than Fischer-344 rats: A microstimulation study of motor cortex in na&#305;&#776;ve and skilled reaching-trained rats.</a> Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).</li><li>Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-Evans+and+Sprague-Dawley+rats+have+similar+skilled+reaching+success+and+limb+representations+in+motor+cortex+but+different+movements:+some+cautionary+insights+into+the+selection+of+rat+strains+for+neurobiological+motor+research.">Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research.</a> Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).</li><li>Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+Spine+Expansion+and+Learning-Induced+Plasticity+in+Layer+1+Primary+Motor+Cortex.">Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex.</a> J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).</li><li>Metz, G. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skilled+reaching+an+action+pattern:+stability+in+rat+(Rattus+norvegicus)+grasping+movements+as+a+function+of+changing+food+pellet+size.">Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size.</a> Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare

Compiti che raggiungono qualificati sono comunemente utilizzati per studiare l&#39;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. ...

compiti motori sono ampiamente utilizzati per valutare i cambiamenti comportamentali e neurali legati all&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;inizio di ogni sessione di addestramento. Questo riferimento viene utilizzato per tutte le prove all&#39;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&#39;uso di questa piattaforma robotica in variazioni di un&#39;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&#39;ambito del processo di apprendimento di abilità motoria.

<table><tbody><tr><td>ETH Pattus</td><td></td><td></td><td>ETH Pattus was made by the Rehabilitation Engineering Laboratory of Prof. Gassert at ETH Zurich.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Training cage&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>The plexiglass training cage was made in-house.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Pellet dispenser</td><td>Campden Instruments</td><td>80209</td><td></td></tr><tr><td>45-mg dustless precision pellets</td><td>Bio-Serv</td><td>F0021-J</td><td></td></tr><tr><td>GoPro Hero 3+ Silver Edition&amp;nbsp;</td><td>digitec.ch</td><td>284528</td><td>Small highspeed camera&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Small display</td><td>Adafruit Industries</td><td>#50, #661</td><td>128 x 32 SPI OLED display controlled via an Arduino Uno microcontroller and Labview software</td></tr><tr><td>LabVIEW 2012</td><td>National Instruments</td><td>776678-3513</td><td>ETH Pattus is compatible with more recent Labview versions.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Matlab 2014b</td><td>The Mathworks</td><td>MLALL</td><td></td></tr></tbody></table>

investigating motor skill learning processes with a robotic manipulandum

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&#39;esecuzione dell&#39;attività qualificato. In combinazione con tecniche elettrofisiologiche, farmacologiche e optogenetic, questo paradigma può essere utilizzatoper esplorare i meccanismi alla base dell&#39;apprendimento motorio e la formazione della memoria, così come la perdita e il recupero della funzione (ad esempio, dopo l&#39;ictus).

Qui vi mostriamo 3 varianti di un&#39;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...

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Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Un paradigma è presentato per la formazione e l&#39;analisi di un compito di raggiungere abile automatizzata nei ratti. L&#39;analisi dei tentativi tirando rivela sottoprocessi distinti di apprendimento motorio.

Indagare abilità motorie processi di apprendimento con un robot Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

investigating-motor-skill-learning-processes-with-robotic

Research

JoVE Journal

Behavior

8.6K Views.  University Hospital Zurich.  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. 

Video: Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and retrieve food rewards positioned at a specific location, their motor performance (defined as accuracy and speed) improves progressively over time, and plateaus after persistent training. Once such reaching skill is mastered, its further maintenance does not require constant practice. Here we introduce a single-pellet reaching task to study the acquisition and maintenance of skilled forelimb movements in mice. In this video, we first describe the behaviors of mice that are commonly encountered in this learning and memory paradigm, and then discuss how to categorize these behaviors and quantify the observed results. Combined with mouse genetics, this paradigm can be utilized as a behavioral platform to explore the anatomical underpinnings, physiological properties, and molecular mechanisms of learning and memory.

Persistent practice improves the precision of coordinated movements.&#160;Here we introduce a single-pellet reaching task, which is designed to assess the learning and memory of forelimb skill in mice.&#160;

Studio Skill Motor Learning by Single-pellet attività Raggiungere in topi

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and ...

Ricerca

Comportamento

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are deliberately planned, while others spontaneously occur below conscious awareness. The deliberate component of this dichotomy has been studied extensively in several contexts, while the spontaneous component remains largely under-explored. Moreover, how perceptual processes modulate these movement classes is still unclear. In particular, a currently debated issue is whether the visuomotor system is governed by the spatial percept produced by a visual illusion or whether it is not affected by the illusion and is governed instead by the veridical percept. Bistable percepts such as 3D depth inversion illusions (DIIs) provide an excellent context to study such interactions and balance, particularly when used in combination with reach-to-grasp movements. In this study, a methodology is developed that uses a DII to clarify the role of top-down processes on motor action, particularly exploring how reaches toward a target on a DII are affected in both deliberate and spontaneous movement domains.

It is unclear how top-down signals from the ventral visual stream affect movement. We developed a paradigm to test motor behavior towards a target on a 3D depth inversion illusion. Significant differences are reported in both deliberate, goal-directed movements and automatic actions under illusory and veridical viewing conditions.

Metodi per Esplora l&#39;influenza di Top-down processi visivi sul comportamento motorio

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are ...

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor learning and execution is of critical importance in order to understand the principles and processes that underlie motor function. Here we present a paradigm to study movement acquisition within a daily session of training (within-session) representing the fast learning component and primary acquisition as well as skilled motor learning over several training sessions (between-session) representing the slow learning component and consolidation of the learned task. This behavioral paradigm increases the degree of difficulty and complexity of the motor skill task due to two features: First, the animal realigns its body prior to each pellet retrieval forcing renewed orientation and preventing movement execution from the same angle. Second, pellets are grasped from a vertical post that matches the diameter of the pellet and is placed in front of the cage. This requires a precise grasp for successful pellet retrieval and thus prevents simple pulling of the pellet towards the animal. In combination with novel genetics, imaging and electrophysiological technologies, this behavioral method will aid to understand the morphological, anatomical and molecular underpinnings of motor learning and memory.

A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.

Acquisizione di un alta precisione specializzata arti anteriori Raggiungere Task in Rats

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Using Virtual Reality to Transfer Motor Skill Knowledge from One Hand to Another

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by observation or passive movement of trainee&#39;s hands by a robotic device). This obviously presents a major challenge in the rehabilitation of a paretic limb since voluntary control of physical movement is limited. Here, we describe a novel training scheme we have developed that has the potential to circumvent this major challenge. We exploited the voluntary control of one hand and provided real-time movement-based manipulated sensory feedback as if the other hand is moving. Visual manipulation through virtual reality (VR) was combined with a device that yokes left-hand fingers to passively follow right-hand voluntary finger movements. In healthy subjects, we demonstrate enhanced within-session performance gains of a limb in the absence of voluntary physical training. Results in healthy subjects suggest that training with the unique VR setup might also be beneficial for patients with upper limb hemiparesis by exploiting the voluntary control of their healthy hand to improve rehabilitation of their affected hand.

We describe a novel virtual-reality based setup which exploits voluntary control of one hand to improve motor-skill performance in the other (non-trained) hand. This is achieved by providing real-time movement-based sensory feedback as if the non-trained hand is moving. This new approach may be used to enhance rehabilitation of patients with unilateral hemiparesis.

Utilizzo di realtà virtuale per trasferire conoscenza motoria da un lato a altro

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

L'attività di supinazione manopola: Un metodo semi-automatico per la valutazione della funzione degli arti anteriori in ratti

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

Progettazione e realizzazione di un manipolatore robotico su misura per ultrasuoni extracorporea

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

Ingegneria

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Dispositivo robotico isokinetico per migliorare l'affidabilità di Test-Retest e Inter-Rater per misurazioni Stretch Reflex nei pazienti colpiti da corsa con spasticità

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Bioingegneria

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries unique challenges in children. Similarly, transcranial direct current stimulation (tDCS) can improve motor learning in adults but has only recently been applied to children. The use of tDCS and emerging techniques like high&#8211;definition tDCS (HD-tDCS) require special methodological considerations in the developing brain. Robotic TMS motor mapping may confer unique advantages for mapping, particularly in the developing brain. Here, we aim to provide a practical, standardized approach for two integrated methods capable of simultaneously exploring motor cortex modulation and motor maps in children. First, we describe a protocol for robotic TMS motor mapping. Individualized, MRI-navigated 12x12 grids centered on the motor cortex guide a robot to administer single-pulse TMS. Mean motor evoked potential (MEP) amplitudes per grid point are used to generate 3D motor maps of individual hand muscles with outcomes including map area, volume, and center of gravity. Tools to measure safety and tolerability of both methods are also included. Second, we describe the application of both tDCS and HD-tDCS to modulate the motor cortex and motor learning. An experimental training paradigm and sample results are described. These methods will advance the application of non-invasive brain stimulation in children.

We demonstrate protocols for the modulation (tDCS, HD-tDCS) and mapping (robotic TMS) of the motor cortex in children.

Modulazione non invasiva e mappatura robotica della Corteccia motoria nel cervello in via di sviluppo

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

Neuroscienze

Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor control. However, it is unclear how conventional occupational training strategies can be applied to the use of rehabilitation robots. Novel robotic technologies and occupational therapy concepts are used to develop a protocol that allows patients with impaired upper limb function to grasp objects using their affected hand through a variety of pinching and grasping functions. To conduct this appropriately, we used five types of objects: a peg, a rectangular cube, a cube, a ball, and a cylindrical bar. We also equipped the patients with a robotic hand, the Mirror Hand, an exoskeleton&#160;hand that is fitted to the subject&#8217;s affected hand and follows the movement of the sensor glove fitted to their unaffected hand (bimanual movement training (BMT)). This study had two stages. Three healthy subjects were first recruited to test the feasibility and acceptability of the training program. Three patients with hand dysfunction caused by stroke were then recruited to confirm the feasibility and acceptability of the training program, which was conducted on 3 consecutive days. On each day, the patient was monitored during 5 min of movement in a passive range of motion, 5 min of robot-assisted bimanual movement, and task-oriented training using the five objects. The results showed that both healthy subjects and subjects who had suffered a stroke in conjunction with the robotic hand could successfully grasp the objects. Both healthy subjects and those who had suffered a stroke performed well with the robot-assisted task-oriented training program in terms of feasibility and acceptability.

This study reports the development of a novel robot-assisted task-oriented program for hand rehabilitation. The developmental process consists of experiments using both healthy subjects and subjects who have had a stroke and suffered from subsequent motor control dysfunction.

Sviluppo di un nuovo programma di riabilitazione orientato alle attività utilizzando una mano robotica dell'esoscheletro bimanuale

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor ...

Medicina

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these tasks require sensory-motor integration and involve precise control of bilateral brain circuits. Implementing unimanual behavioral paradigms in animal models will improve the understanding of the contribution of brain structures, like the striatum, to complex motor behavior as it allows manipulation and recording of neural activity of specific nuclei in control conditions and disease during the performance of the task. 
Since its creation, optogenetics has been a dominant tool for interrogating the brain by enabling selective and targeted activation or inhibition of neuronal populations. The combination of optogenetics with behavioral assays sheds light on the underlying mechanisms of specific brain functions. Wireless head-mounted systems with miniaturized light-emitting diodes (LEDs) allow remote optogenetic control in an entirely free-moving animal. This avoids the limitations of a wired system being less restrictive for animals' behavior without compromising light emission efficiency. The current protocol combines a wireless optogenetics approach with high-speed videography in a unimanual dexterity task to dissect the contribution of specific neuronal populations to fine motor behavior.

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

The present protocol describes how to use wireless optogenetics combined with high-speed videography in a single pellet reach-to-grasp task to characterize the neural circuits involved in the performance of skilled motor behavior in freely moving mice.

In vivo Controllo optogenetico wireless del comportamento motorio qualificato

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...