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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この研究は、スイス国立科学財団、ベティと脳研究ETH FoundationのデビッドKoetser財団によってサポートされていました。

ここで紹介する実験はチューリッヒ、スイスのカントンの獣医局によって承認された国や機関の規制に従って実施しました。 1.摂食条件注：すべてのトレーニングセッションが予定さ給電プロトコルの下で行われています。 <ol><li>トレーニングが完了した後、1日1回、ラットに標準飼料を50g / kgのフィード。食品のこの量は、（体重は自由摂食体重の&gt; 90％）、主要な重量損失を防止するのに十分であるが、再現性のある行動コンディショニングを確保するのに十分に小さいです。自分の体重は安定したまま確保するために毎日ラットを計量。 注：追加で一晩（10〜12時間）絶食は最初の報酬タッチセッション（ステップ2.3）の前に有用である可能性があります。 </li></ol>リーチとプルタスク2.トレーニング手順<ol><li>準備：ラットはリーでのために彼らの新しいホームケージに慣らすすることを許可しますST動物施設に到着後一週間。この期間中に定期的にラットを処理し、新しい食品にラットを慣らすためにホームケージにほこりのない精度のペレットを与えます。これらのペレットは、訓練プロトコルを通じて報酬として使用されます。 </li><li> 慣れは：30-45分間の試験ケージにラットを置き、粉末飼料に混合給餌ボウルに30-50ペレットを、提供します。オープンケージウィンドウを閉じて、その音にラットを慣らすために時折ペレットディスペンサーを実行します。 <ol><li> 2-3日のためにこれを繰り返します。 </li></ol></li><li> 報酬タッチ：ケージ窓から球状のハンドルに触れることを、ラットを訓練した後、食品の報酬を取得するために、ケージの反対側に移動します。 <ol><li>ハンドルは、各試験の開始時にちょうどテストケージウィンドウの外側に位置するように、ソフトウェアの設定を調整し、ケージ窓の中心とハンドルの位置を合わせます。試験はすなわち 、成功したとき&lt;/全角&gt;は、とすぐに検出されたハンドル（任意の方向に0.25ミリメートル変位）に軽いタッチのように、音が鳴り、報酬が分配されます。ウィンドウが開いた後にはタッチが180秒間検出されなかったときに失敗したとして裁判を分類します。 </li><li>訓練ケージにラットを入れてください。それはハンドルの近くに開催されたペレットでつかむせることで手を差し伸べるために、ラットを促します。ケージをタップして、ハンドルとフードボウルにラットの注意を向けます。 </li><li>ラットは独立して、ケージの窓を介して到達したと食品ペレットを取得するときにプロンプ​​トを停止します。 </li><li> 60分が経過するまでのいずれか早い方、100試験（タッチ）が完了するまで続行しますか。 </li><li> 3-4日間の研修を継続し、ラットが2日間連続して30分以内に100の試験を達成する際のトレーニング（ステップ2.4）の次の段階を開始します。 注：このステップを過剰訓練しないでください。この動作はで成形することができるように、報酬タッチの目的は、ラットとロボットとの間の信頼性のある相互作用を達成することですその後のトレーニング。 </li></ol></li><li> 無料プル（FP）：手を差し伸べるとロボットのハンドルを引くために、ラットを訓練。 <ol><li>ハンドルは、各試験の開始時に窓から18ミリメートルに配置され、かつ成功した裁判のために中断することなく、少なくとも10ミリメートルのために引っ張られなければならないように、ソフトウェアの設定を調整します。この段階で引っ張って移動に横方向の制限はありません。 <ol><li>ハンドルはウィンドウが開いた後、180秒のために移動されていないときに失敗したとして裁判を分類し、ハンドルが到達可能なワークスペース（正中線から以上12ミリメートル）の外に移動したとき、またはラットが内10mm未満を引っ張ったとき最初のタッチ後の5秒が検出されました。 </li></ol></li><li>最初のFPセッションの最初の20試験中左右の足が使用されている回数をメモしておいてください。試験の少なくとも80％で使用されている足は、好ましい足考えられます。 注：足の嗜好が既に報酬で明らかにすることができます- タッチセッション。 </li><li>好ましい足で引っ張っ容易にするために、ウィンドウの端に位置合わせされるまで、横方向にハンドルを移動する（ すなわち右利きのラットおよびその逆のためのウィンドウの左側に、ロボット5ミリメートルを移動します）。 注：このラットのための以下のすべてのトレーニングセッションのためのケージにこれと同じ位置にハンドルを置きます。ケージの壁に、ロボット上のマークによって正確な配置を確保します。 </li><li> 100試験が完了するまで訓練ケージや電車の中でラットを入れるか、60分が経過するまで、どちらが最初に来ます。 注：ラットは十分アウトに達していない場合、それはハンドルの近くに開催されたペレットでつかむせることで、それを促します。ラットは繰り返し失敗した後にプルしようとして停止することがあります。ケージをタップし、それらをピンセットで開催されたペレットのためにつかむか、彼らのモチベーションを復元するためにペレットを分配しましょう。 </li><li> 2.4で説明したようにのみFPのトレーニングを含む実験のために、トレーニングを続けます。 NOTEは：通常、1-2 FPセッションが報酬touchからSP（ストレートプル）訓練への移行を支援するために必要とされています。これらのFPセッションの目標は、だけではなくタッチに、グラブを手を差し伸べると、ハンドルを引くために、ラットを慣らすことです。目標は、次のトレーニングのステップに移行する場合の報酬タッチトレーニングと同じように、それはないオーバー電車に重要です。 </li></ol></li><li> ストレートプル（SP）：正中線から2mm以上を逸脱することなくハンドルを引くために、ラットを訓練。 注：正中線がないケージ窓の中間点に、ロボットの開始位置を基準に定義されます。このように、ケージ窓の中点で終わる引っ張っ試みは、正中線から2mm以上を外れ引い軌道になります。 <ol><li>引き運動がいずれかの側に正中線から2mm以上を逸脱しないだけで試験がトーンとペレットによって報われるように、ソフトウェアの設定を調整します。ステップ2.4で説明したように他のすべてのパラメータを保持します。 </li><li> 100試験が完了するまで訓練ケージや電車の中でラットを入れるか、60分が経過するまで、どちらが最初に来ます。 注：ラットは非常に攪拌となり、後に繰り返し失敗した試行を引くしようとして停止することがあります。到達タスクに彼らの注意をリダイレクトするためにケージをタップし、それらをピンセットで開催されたペレットのためにつかむか、彼らのモチベーションを復元するためにペレットを分配しましょう。 </li><li>ラットはプラトー性能に到達するまでトレーニングを続ける、または実験の目的に応じたトレーニング期間を適応させます。 </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. 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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>

著者らは、開示することは何もありません

熟練到達タスクは、一般的な病理学的条件6の下で運動スキルの獲得だけでなく、運動機能の障害を研究するために使用されています。行動に達するの信頼性と明確な分析は、運動技能の獲得、ならびに損失および神経疾患の動物モデルにおける機能のその後の回復に関与する神経生理学的プロセスの基礎となる細胞メカニズムの研究のために不可欠です。ここに示された結...

運動タスクは広く運動学習、または神経学的または薬理学的動物モデルにおける運動機能の変化に関連した行動および神経の変化を評価するために使用されます。微細運動機能は、しかしながら、げっ歯類において定量化することは困難です。そのような穀物1の操作、パスタ2、またはヒマワリの種3として手先の器用さを必要とするタスクは、敏感であり、動物の広範囲の訓練を必要としません。彼らの主な欠点は、これらのタスクは、主に定性的な結果をもたらすと明確に得点することは困難であるということです。 このようなタスクに到達する単一のペレットのバリエーションとして、熟練到達タスクは、4、5を定量化することがより簡単です。しかし、これらのタスクの実行が成功の基礎となる運動学的要因は限定的にしか推論し、労働集約型フレームごとの映像aを必要とすることができますnalysis。 ロボット装置は、前肢の機能と運動能力の側面を定量化する手段として人気を得ています。いくつかの自動化された到達タスクが用意されています。このようなリニアガイド6に沿ってハンドルを引くなどの前肢の動き、7、簡単な遠位四肢運動8、または足9の回内や回外の単一の側面に関する大半の焦点。これらのデバイスはで運動機能の解析のための約束を示しているが、彼らは唯一の拡張限らに達する単一のペレット中に実行される複雑な運動行動を反映しています。 ここでは、ラット10、11内の様々な運動課題の訓練と評価のために開発された3自由度のロボット装置、ETH Pattusの使用を示します。それは、平面とリーチでラットの前肢運動の回転運動、把握、およびを記録します水平面内で行う作業を引っ張ります。ラットは、試験ケージの窓を介して到達することができます6ミリメートル径の球状のハンドル（15センチ、長さ40センチ、高さ：幅45センチメートル）を介してロボットと対話し、（押し引き水平面内で移動しました動き）と回転（回内・回外運動）。このように、従来の単一のペレット到達タスク中に実行されるものに近似の動きを実行するために、ラットを可能にします。ウィンドウは幅10mmとケージの床の上50ミリメートルの位置です。ハンドルは55ミリメートル床の上に位置しています。スライドドアのブロックは到達試験間のハンドルにアクセスし、ロボットがその開始位置に到達し、裁判が終了した後に閉じたときに表示されます。正しく実行運動後、ラットを試験ケージの反対側に食糧報酬を受け取ります。 ロボットは、ソフトウェアを介して制御および位置Oに関する情報が得られ、1000年Hzで3ロータリエンコーダからの出力を記録されています水平面、並びにその回転角のハンドルF（詳細については、11を参照して参照してください）。成功したタスクの実行に必要な条件（ 例えば 、最小はリーチとプルタスクで正中線からの距離と最大偏差を引っ張る必要）各トレーニングセッションの前に、ソフトウェアで定義されています。ハンドルの最初の標準化された基準位置は、各トレーニングセッションの開始時に、固定ホルダーが記録されています。この基準は、各試験のためにハンドルの一定の開始位置を保証する、セッション内のすべての試験のために使用されます。ケージのウィンドウへのハンドルの相対的な一定の位置決めがケージ、ロボット上のマークの位置合わせ（ 図1）によって保証されています。 到達運動のビデオ記録は、小型高速カメラ（120フレーム/秒、640×480の解像度）を使用して記録されています。カメラのビューにある小さなディスプレイは、ラットの識別番号、トレーニングセッションを示し、トライアル数と試行結果（成功または失敗）。これらのビデオは、記録された結果を確認すると、接触の前の動きに到達ハンドルの引っ張りや回転の影響を評価するために使用されます。 ここでは、リーチとプルタスクのバリエーションで、このロボットプラットフォームの使用を示します。このタスクは、他の当到達パラダイムと同等であり、再現性のある結果が得られる期間内にトレーニングすることができます。我々は典型的なトレーニングプロトコルだけでなく、いくつかの主要な出力パラメータを記述します。さらに、我々は、使用されるトレーニングプロトコルの小さな変化は、運動技能学習プロセス内の独立したサブプロセスを表すことができる行動の結果の変更された時間のコースをもたらすことができる方法を示しています。

<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

熟練到達タスクは、一般的に健康的および病理学的条件下での運動技能学習や運動機能の研究に使用されているが、時間集約的であいまいな単純な成功率を超えて定量化することができます。ここでは、ETH Pattus、ラットにおける回転運動を引っ張り、手を記録訓練に到達する自動化された前肢用ロボットプラットフォームとリーチとプルタスクのためにトレーニング手順を説明します。行っ引っ張っ試みの動定量化は、このような速度、引っ張り軌道の空間的な変動、正中線からの偏差だけでなく、成功を引いを引っ張るなどの運動パラメータの明確な時間プロファイルの存在を明らかにする。私たちは訓練パラダイムで微調整が困難、一般的な運動機能や熟練したタスクの実行をタスクに彼らの関係を明らかにし、これらのパラメータの変化につながる方法を示しています。 、電気生理学的、薬理学的および光遺伝学技術と組み合わせることで、このパラダイムを使用することができます（脳卒中後などで ）運動学習と記憶形成だけでなく、機能の喪失と回復のメカニズムを探求します。

ここでは、雄のロングエバンスラット（10-12週齢）を使用して、リーチとプルタスクの3バリエーションを示しています。フリープル（FP）群（N = 6）において、ラットを横制限なく22日間のロボットのハンドルを引っ張るように訓練しました。ストレートプル1（SP1）群（N = 12）の動物は、正中線から2mm以上を逸脱することなく、ハンドルを引っ張るように訓練しました...

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Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

パラダイムは、ラットで自動化された熟練到達タスクの訓練と分析のために提示されています。引きの試みの分析は、運動学習の個別のサブプロセスを明らかにする。

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

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

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Research

JoVE Journal

Behavior

8.6K ビュー.  University Hospital Zurich. パラダイムは、ラットで自動化された熟練到達タスクの訓練と分析のために提示されています。引きの試みの分析は、運動学習の個別のサブプロセスを明らかにする。 

ビデオ: 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;

マウスのシングル·ペレット到達タスクで学ぶ学習運動スキル

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

行動学

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.

運動行動上のトップダウン視覚プロセスの影響を探索する方法

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.

ラットでのタスクに到達高精度熟練前肢の取得

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.

仮想現実を使用して 1 つの手から別の運動技能知識を転送するには

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.

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

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.

設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装

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

工学

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.

痙攣性脳卒中患者におけるストレッチ反射測定のテスト再テストと評価間信頼性を向上させるアイソキネティックロボット装置

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

生物工学

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.

発達中の脳における運動皮質の非侵襲的変調とロボットマッピング

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

神経科学

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.

バイマニュアル外骨格ロボットハンドを用いた新規タスク指向リハビリテーションプログラムの開発

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 ...

医学

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.

インビボ 熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

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

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

要約

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この動画の章

マウスのシングル·ペレット到達タスクで学ぶ学習運動スキル

運動行動上のトップダウン視覚プロセスの影響を探索する方法

ラットでのタスクに到達高精度熟練前肢の取得

仮想現実を使用して 1 つの手から別の運動技能知識を転送するには

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

設計と体外超音波特注ロボット・マニピュレーターの実装

痙攣性脳卒中患者におけるストレッチ反射測定のテスト再テストと評価間信頼性を向上させるアイソキネティックロボット装置

発達中の脳における運動皮質の非侵襲的変調とロボットマッピング

バイマニュアル外骨格ロボットハンドを用いた新規タスク指向リハビリテーションプログラムの開発

インビボ熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

ロボットマニピュランダムに運動スキルの学習過程を調査

要約

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マウスのシングル·ペレット到達タスクで学ぶ学習運動スキル

運動行動上のトップダウン視覚プロセスの影響を探索する方法

ラットでのタスクに到達高精度熟練前肢の取得

仮想現実を使用して 1 つの手から別の運動技能知識を転送するには

ノブ外タスク: ラットの前肢関数を評価するための半自動メソッド

設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装

痙攣性脳卒中患者におけるストレッチ反射測定のテスト再テストと評価間信頼性を向上させるアイソキネティックロボット装置

発達中の脳における運動皮質の非侵襲的変調とロボットマッピング

バイマニュアル外骨格ロボットハンドを用いた新規タスク指向リハビリテーションプログラムの開発

インビボ 熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御

設計と体外超音波特注ロボット・マニピュレーターの実装

インビボ熟練した運動行動の無線光遺伝学的制御