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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Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation suíço, a Betty e David Koetser Fundação para Pesquisa do Cérebro e da Fundação ETH.

Os experimentos aqui apresentados foram aprovados pelo Serviço Veterinário do Cantão de Zurique, Suíça, e foram realizados de acordo com os regulamentos nacionais e institucionais. 1. condições de alimentação NOTA: Todas as sessões de treino são realizadas no âmbito de um protocolo de alimentação programada. <ol><li> Alimentar os ratos de 50 g / kg de ração padrão uma vez por dia, após o treinamento for concluído. Esta quantidade de comida é suficiente para evitar grande perda de peso (peso corporal é&gt; 90% do peso alimentação livre), mas suficientemente pequeno para assegurar um condicionamento comportamental reprodutível. Pesar os ratos diariamente para garantir o seu peso corporal permanece estável. NOTA: adicional durante a noite (10-12 h) privação de alimento pode ser útil antes da primeira sessão de recompensa ao toque (passo 2.3). </li></ol> 2. Processo de Formação para uma tarefa Reach-e-pull <ol><li> Preparação: Permitir que os ratos para se habituar às novas gaiolas durante pelo least de uma semana após a chegada à instalação de animal. Lidar com os ratos regularmente durante este tempo e dar peletes de precisão dustless na gaiola se que se habituem os ratos para o novo alimento. Estes peletes será usado como recompensa em todo o protocolo de treino. </li><li> A habituação: Colocar os ratos na gaiola de teste durante 30-45 min e 30-50 fornecer peletes na bacia de alimentação, misturados com ração em pó. Abra e feche a janela da gaiola e executar o dispensador de pellet, ocasionalmente, para habituar os ratos ao seu som. <ol><li> Repita esse procedimento para 2-3 dias. </li></ol></li><li> Recompense-touch: treinar os ratos para tocar a alça esférica através da janela da gaiola e, em seguida, passar para o lado oposto da gaiola para recuperar uma recompensa alimentar. <ol><li> Ajuste as configurações do software de modo que a alça está localizado fora da janela gaiola o teste no início de cada ensaio e alinhar a alça com o centro da janela da gaiola. Quando os testes forem bem sucedidos, ou seja &lt;/ Em&gt;, logo que um toque de luz na pega (0,25 mm de deslocamento em qualquer direcção) foi detectada, é emitido um som e uma recompensa é dispensado. Classificar ensaios como falha quando nenhum contato foi detectado por 180 s depois que a janela é aberta. </li><li> Coloque o rato na gaiola treinamento. Solicitar que o rato para chegar ao deixá-lo pegar em um pellet realizada perto da alça. Direcionar a atenção do rato para a tigela punho e comida tocando na gaiola. </li><li> Pare de avisar quando o rato atinge de forma independente através da janela da gaiola e recupera o pellet alimentos. </li><li> Continue até 100 tentativas (toques) estão concluídas ou até 60 min se passaram, o que ocorrer primeiro. </li><li> Continuar a formação para 3-4 dias e começar a próxima fase de formação (passo 2.4) quando os ratos atingir 100 ensaios no prazo de 30 min em 2 dias consecutivos. NOTA: Não excesso de treinar esta etapa. O objectivo da recompensa ao toque é conseguir a interacção fiável entre o rato e robô, de modo que este comportamento pode ser moldado emformação subsequente. </li></ol></li><li> Tração livre (FP): treinar os ratos para chegar e puxar a alça do robô. <ol><li> Ajuste as configurações do software de modo que a alça está localizado a 18 mm da janela, no início de cada ensaio, e deve ser puxado por pelo menos 10 mm, sem interrupção para um teste bem sucedido. Não há restrições laterais no movimento de puxar nesta fase. <ol><li> Classificar um julgamento como falhou quando o identificador não foi movido por 180 s depois que a janela se abre, quando o identificador é movido para fora do espaço de trabalho acessível (mais de 12 mm da linha média), ou quando o rato tem puxado a menos de 10 mm dentro 5 s após o primeiro contacto tem sido detectada. </li></ol></li><li> Tome nota do número de vezes que a pata esquerda e direita são usados ​​durante os primeiros 20 ensaios da primeira sessão de FP. A pata que é utilizado em, pelo menos, 80% dos ensaios é considerada a preferida pata. NOTA: preferência Paw pode já ser claro em recompensasessões -Touch. </li><li> Mover a alavanca lateralmente até que ela esteja alinhada com a extremidade da janela para facilitar puxar com a pata preferida (isto é mover o robô de 5 mm para o lado esquerdo da janela para ratos destros e vice-versa). NOTA: Coloque a alça nessa posição exato mesmo em relação à gaiola para todos os seguintes sessões de formação para este rato. Assegurar a colocação exata por marcas na parede da gaiola e no robô. </li><li> Coloque o rato na gaiola formação e comboio até 100 ensaios estão concluídas ou até 60 min se passaram, o que ocorrer primeiro. NOTA: Se o rato não chegar suficientemente longe, pedir-lo, deixando-a agarrar a um pellet realizada perto da alça. Ratos podem parar de tentar puxar depois de tentativas fracassadas repetidas. Toque na gaiola, deixe-os pegar por pelotas realizadas com um par de fórceps ou dispensar uma pelota para restaurar sua motivação. </li><li> Para experiências envolvendo apenas um treinamento FP, continuar a treinar conforme descrito em 2.4. NÃOTE: Normalmente, 1-2 sessões de PF são necessários para ajudar a transição de toque recompensa para SP (Straight Pull) formação. O objetivo dessas sessões de PF é habituar ratos para alcançar, agarrar e puxar a alavanca, em vez de apenas tocá-lo. Tal como acontece com o treinamento recompensa-touch, é importante para não sobre-trem, se o objetivo é fazer a transição para uma etapa de treino seguinte. </li></ol></li><li> Puxar em linha reta (SP): treinar os ratos para puxar a alça sem se desviar mais de 2 mm da linha média. NOTA: A linha média é definida em relação à posição inicial do robô, não para o ponto médio da janela da gaiola. Assim, uma tentativa de puxar que termina no ponto médio da janela da gaiola irá resultar numa trajectória de puxar que se desvia mais do que 2 mm da linha média. <ol><li> Ajuste as configurações do software de modo que apenas ensaios em que o movimento de puxar não se afastar mais de 2 mm da linha média em ambos os lados são recompensados ​​por um tom e uma bolinha. Manter todos os outros parâmetros como descrito na etapa 2.4. </li><li> Coloque o rato na gaiola formação e comboio até 100 ensaios estão concluídas ou até 60 min se passaram, o que ocorrer primeiro. NOTA: Os ratos podem tornar-se extremamente agitado e parar de tentar puxar depois de tentativas fracassadas repetidas. Toque na gaiola para redirecionar sua atenção para a tarefa de chegar, deixe-os pegar por pelotas realizadas com um par de fórceps ou dispensar uma pelota para restaurar sua motivação. </li><li> Continuar treinando até que os ratos alcançar o desempenho planalto, ou adaptar o período de treinamento de acordo com a meta de um experimento. </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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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. 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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>

Os autores não têm nada a revelar

Tarefas atingindo qualificados são comumente usados para estudar aquisição de habilidades motoras, bem como comprometimento da função motora em condições patológicas 6. análise confiável e inequívoca de alcançar comportamento é essencial para o estudo dos mecanismos celulares subjacentes aquisição de habilidades motoras, bem como processos neurofisiológicos envolvidos na perda e subsequente recuperação da função em modelos animais de doença neurológica. Os resultados aqui ap...

tarefas motoras são amplamente utilizados para avaliar as mudanças comportamentais e neurológicos relacionados à aprendizagem motora ou a alterações na função motora em modelos animais neurológicas ou farmacológicos. função motora fina pode ser difícil de quantificar em roedores, no entanto. Tarefas que exigem destreza manual, como a manipulação dos cereais 1, massas 2, ou sementes de girassol 3 são sensíveis e não requerem treinamento extensivo do animal. A sua principal desvantagem é que essas tarefas produzir resultados qualitativos e principalmente pode ser difícil para marcar de forma inequívoca. Tarefas atingindo especializados, tais como variações do pellet única atingindo tarefa são mais simples de quantificar 4, 5. No entanto, fatores cinemáticas que fundamentam a execução bem sucedida destas tarefas só pode ser inferida de forma limitada e requerem mão de obra intensiva quadro-a-quadro de vídeo análise. dispositivos robóticos ganharam popularidade como meio de quantificar aspectos da função forelimb e habilidade motora. Várias tarefas atingindo automatizado estão disponíveis. O foco maior em um único aspecto de um movimento do membro anterior, como puxar uma alça ao longo de uma guia linear 6, 7, simples movimentos dos membros distais 8 ou pronação e supinação da pata 9. Embora estes dispositivos mostram a promessa para a análise da função motora, eles só refletem as ações motoras complexas executadas durante pellet única chegando a um número limitado de estender. Aqui, nós demonstrar o uso de um dispositivo de três graus de liberdade robótico, ETH Pattus, desenvolvido para a formação e avaliação das diversas tarefas motoras em ratos 10, 11. Ele registra planar e movimento rotacional dos movimentos forelimb rato em alcance, alcance, epuxando as tarefas realizadas no plano horizontal. Ratos interagir com o robô através de um punho esférica a 6mm de diâmetro, que pode ser alcançado através de uma janela na gaiola teste (largura: 15 cm, comprimento: 40 cm, altura: 45 cm) e movido em relação ao plano horizontal (empurrando e puxando movimentos) e rodado (movimentos de pronação-supinação). Assim, ele permite que o rato para realizar movimentos que se aproximam os executados durante as tarefas de pelotização atingindo individuais convencionais. A janela é de 10 mm de largura e localizado a 50 mm acima do chão da gaiola. O identificador é localizado a 55 mm acima do piso. Um deslizamento de blocos porta de acesso ao cabo entre o final de ensaios e abre quando o robô atinge a sua posição inicial e fecha depois de um julgamento seja concluído. Depois de um movimento executado correctamente, os ratos recebem uma recompensa alimentar no lado oposto da gaiola de teste. O robô é controlado via software e registra a saída de 3 rotativos a 1000 Hz, resultando em informações sobre a posição of a pega em relação ao plano horizontal, bem como o seu ângulo de rotação (para detalhes, ver referência 11). As condições necessárias para a execução da tarefa com sucesso são definidas no software antes de cada sessão de treino (por exemplo mínima exigida puxando distância e desvio máximo da linha média em uma tarefa alcance-and-pull). Uma posição de referência inicial normalizado da pega é gravado com um suporte fixo no início de cada sessão de treino. Esta referência é utilizado para todos os ensaios dentro de uma sessão, assegurando uma posição inicial constante do identificador para cada ensaio. Posicionamento constante da pega em relação à janela da gaiola é assegurada por alinhamento das marcas na gaiola e robô (Figura 1). gravações de vídeo dos movimentos de alcance são gravados usando uma pequena câmera de alta velocidade (120 frames / s, resolução de 640 x 480). Um pequeno display na visão da câmera mostra o número de identificação do rato, sessão de treinamento,número de tentativas e resultado de teste (sucesso ou falha). Estes vídeos são utilizados para verificar os resultados registados e para avaliar os efeitos de se chegar a movimentos que precedem a tocar, ou puxando a rotação da pega. Aqui, demonstramos a utilização dessa plataforma robótica em variações de uma tarefa alcance-e-pull. Esta tarefa pode ser formado dentro de um período de tempo que é comparável com outros paradigmas atingindo especializados e produz resultados reprodutíveis. Descreve-se um protocolo de treino típico, bem como alguns dos principais parâmetros de saída. Além disso, vamos mostrar como pequenas mudanças no protocolo de treinamento utilizado pode resultar em cursos de tempo alterados de resultados comportamentais que podem representar subprocessos independentes dentro do processo de aprendizagem de habilidades motoras.

<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

tarefas atingindo qualificados são comumente usados ​​em estudos de aprendizagem de habilidades motoras e função motora em condições saudáveis ​​e patológicas, mas pode ser demorada e ambígua para quantificar as taxas de sucesso para além simples. Aqui, descrevemos o procedimento de formação para tarefas de alcance e-pull com ETH Pattus, uma plataforma robótica para forelimb automatizado treinamento de alcance que os registros de puxar e movimentos de rotação da mão em ratos. quantificação cinemática das tentativas realizadas puxando revela a presença de perfis temporais distintas de parâmetros do movimento, tais como a velocidade de puxar, a variabilidade espacial da trajectória de puxar, o desvio da linha média, assim como puxando sucesso. Nós mostramos como pequenos ajustes no paradigma de formação resultar em alterações nestes parâmetros, revelando sua relação com a tarefa de dificuldade, função motora geral ou execução de tarefa especializada. Combinado com técnicas electrofisiológicas, farmacológicos e optogenetic, este paradigma podem ser utilizadospara explorar os mecanismos subjacentes a aprendizagem motora e formação da memória, bem como a perda ea recuperação da função (por exemplo, após acidente vascular cerebral).

Aqui, mostramos 3 variações de uma tarefa alcance e puxar utilizando ratos Long-Evans machos (10-12 semanas de idade). No grupo livre-pull (FP) (N = 6), os ratos foram treinados para puxar a alça do robô por um período de 22 dias, sem restrições laterais. Animais no straight-puxar grupo 1 (SP1) (N = 12) foram treinados para puxar a alavanca sem se desviar mais do que 2 mm da linha média. Estes animais transferida diretamente de recompensa-touch (passo 2.3) para formação em linh...

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Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Um paradigma é apresentado para o treinamento e análise de uma tarefa atingindo qualificados automatizado em ratos. Análise de tentativas de puxar revela subprocessos distintas de aprendizagem motora.

Investigação dos processos de aprendizagem motora habilidade com uma Robotic 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 visualizações.  University Hospital Zurich.  Um paradigma é apresentado para o treinamento e análise de uma tarefa atingindo qualificados automatizado em ratos. Análise de tentativas de puxar revela subprocessos distintas de aprendizagem motora. 

Vídeo: 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;

Estudo Motor Habilidade Aprendizagem por Single-pelota Tarefas atingindo em Ratos

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

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.

Métodos para pesquisar a influência de cima para baixo processos visuais em Comportamento Motor

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.

Aquisição de um de alta precisão Skilled Membro Anterior Alcançar Task em Ratos

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.

Usando a realidade Virtual para transferir conhecimento habilidade motora de um lado para outro

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.

A tarefa de supinação de botão: Um método semi-automático para avaliar a função do Forelimb em ratos

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.

Concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para ultra-som extra corpórea

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

Engenharia

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 robótico Isokinetic para melhorar a confiabilidade do teste-reteste e do Inter-rater para medidas do reflexo do estiramento em pacientes do curso com spasticity

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

Bioengenharia

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.

Modulação não invasiva e mapeamento robótico do córtex motor no cérebro em desenvolvimento

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

Neurociência

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.

Desenvolvimento de um novo programa de reabilitação orientado a tarefas usando uma mão robótica exoesqueleto bimanual

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 Controle Optogenético Sem Fio do Comportamento Motor Qualificado

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