Исследование двигательных навыков процессов обучения с роботизированной Manipulandum

Резюме

Парадигма представляется для подготовки и анализа автоматизированной квалифицированной идущей задачи у крыс. Анализ тянущих попыток выявляет различные подпроцессы моторного обучения.

Аннотация

Квалифицированные, достигающие задачи обычно используются при изучении двигательных навыков обучения и двигательной функции при здоровых и патологических состояний, но может занять много времени и неоднозначным для количественной оценки за рамки простых показателей успеха. Здесь мы опишем процедуру обучения на охват и тянуть задач с ETH Pattus, роботизированной платформы для автоматизированной подготовки передних конечностей, достигающего, что записи тяговое и вращательных движений рук у крыс. Кинематическая количественное определение объема выполняемых тянущих попыток выявляет наличие различных временных профилей параметров движения, таких как скорость вытягивания, пространственная изменчивость тянущего траектории, отклонение от средней линии, а также вытягивать успех. Мы покажем, как незначительные изменения в тренировочной парадигмы приводят к изменениям в этих параметрах, выявляя их отношение к задаче трудности, общей двигательной функции или квалифицированного выполнения задачи. В сочетании с электрофизиологических, фармакологических и оптогенетика методов, эта парадигма может быть использованадля изучения механизмов , лежащих в основе обучения двигателя и формирования памяти, а также потери и восстановление функции (например , после инсульта).

Введение

двигательные задания широко используются для оценки поведенческих и нейронные изменения, связанные с двигательной обучения или к изменениям в моторной функции в неврологических или фармакологических животных моделях. Точная функция двигателя может быть трудно дать количественную оценку у грызунов, однако. Задачи , требующие ловкости рук, такие как манипуляции зерновых ^1, макаронных изделий ² или ³ семян подсолнечника чувствительны и не требуют серьезной подготовки животного. Их основной недостаток заключается в том, что эти задачи дают в основном качественные результаты и может быть трудно забить однозначно.

Квалифицированные , достигающие задачи, такие как вариации одной гранулы , достигающего задачи являются более простым для количественного определения ^{4, 5.} Тем не менее, кинематические факторы, которые лежат в основе успешного выполнения этих задач может быть выведено лишь в ограниченной степени и требуют трудоемкого кадр за кадром видео Aнализ.

Роботизированные устройства завоевали популярность как средство количественной оценки аспектов функции передних конечностей и двигательных навыков. Несколько автоматизирован, достигающие задачи доступны. Большинство внимание на один аспект движения передних конечностей, например, потянув из ручки вдоль линейной направляющей ^{6, 7,} простые дистальных движений конечностей ^8, или и супинация лапы ^9. В то время как эти устройства показывают обещание для анализа двигательной функции в, они лишь отражают сложные действия двигателя выполняются в течение одной гранулы, достигающей до ограниченного расширения.

Здесь мы демонстрируем использование трех степенями свободы роботизированного устройства, ETH Pattus, разработанной для обучения и оценки различных двигательных задач у крыс ^{10, 11.} Он записывает планарных и вращательное движение движений крыс передних конечностей в пределах досягаемости, держитесь, ивытягивать задачи, выполняемые в горизонтальной плоскости. Крысы взаимодействуют с роботом через 6 мм диаметра сферической ручки, которая может быть достигнута через окно в испытательной клетке (ширина: 15 см, длина: 40 см, высота: 45 см) и перемещается в горизонтальной плоскости (заманивать движений) и вращали (движения пронация-супинация). Таким образом, она позволяет крысу выполнять движения, которые аппроксимируют расстрелянных во время обычных одиночных гранул достижения задач. Окно имеет ширину 10 мм и расположена в 50 мм над пол клетки. Ручка расположена в 55 мм над уровнем пола. Раздвижная блоки дверные доступ к ручке между достижением испытаний и открывается, когда робот достигнет своего начального положения и закрывается после того, как судебный процесс будет завершен. После того, как правильно выполненного движения, крысы получали награду еды на противоположной стороне испытательной клетки.

Робот управляется с помощью программного обеспечения и записывает выход из 3-х датчиков вращения на частоте 1000 Гц, в результате чего информация о положении Oе ручки в горизонтальной плоскости, а также его угла поворота (подробнее см позиция ^11). Условия , необходимые для успешного выполнения задачи определены в программном обеспечении до начала каждой тренировки (например , требуется как минимум вытягивать расстояние и максимальное отклонение от средней линии в досягаемость-и-Pull задачи). Первоначальная унифицированного эталонного положения ручки записывается с фиксированным держателем в начале каждой тренировки. Эта ссылка используется для всех испытаний в течение сеанса, обеспечивая постоянное начальное положение ручки для каждого испытания. Постоянное расположение рукоятки относительно окна клетки обеспечивается за счет выравнивания меток на клетке и робот (рисунок 1).

Видеозаписи с идущими движений записываются с использованием небольшой высокоскоростной камеры (120 кадров / с, разрешение 640 х 480). Небольшой дисплей в поле зрения камеры показывает идентификационный номер крысы, тренировка,пробный номер и пробный результат (успех или не удалось). Эти видео используются для проверки записанных результатов и оценки последствий достижения движений, которые предшествуют прикосновений, подтягивания или вращение ручки.

Здесь мы демонстрируем использование этой роботизированной платформы в вариациях длинна-и-Pull задачи. Эта задача может быть обучен в течение определенного периода времени, что сопоставимо с другими квалифицированными идущими парадигм и дает воспроизводимые результаты. Мы опишем типичный протокол обучения, а также некоторые из основных выходных параметров. Кроме того, мы покажем, как незначительные изменения в используемом протоколе подготовки может привести к изменению курсов времени поведенческих результатов, которые могут представлять независимые подпроцессы в рамках процесса обучения двигательных навыков.

протокол

Эксперименты, представленные здесь, были одобрены ветеринарной службы кантона Цюрих, Швейцария и были проведены в соответствии с национальными и институциональными нормами.

1. Условия для кормления

ПРИМЕЧАНИЕ: Все тренировки проводятся в соответствии с запланированным протоколом кормления.

1. Поток крыс 50 г / кг стандартного корма один раз в день, после завершения обучения. Это количество пищи достаточно, чтобы предотвратить большую потерю веса (массы тела> 90% свободного вскармливания массы), но достаточно малы, чтобы обеспечить воспроизводимую поведенческую кондиционирования. Взвесьте крысы ежедневно, чтобы гарантировать, что их масса тела остается стабильной.
   Примечание: Дополнительная ночь (10-12 ч) лишение пищи может быть полезным до первой сессии вознаграждение касание (шаг 2.3).

2. Процедура подготовки для Reach-и-Pull задачи

1. Приготовление: Дайте крыс приучить к их новому дому клетки для в LEAй через неделю после прибытия в виварии. Ручка крыс регулярно в течение этого времени и дают Беспылевое точности гранул в домашней клетке, чтобы приучить крыс к новой пище. Эти гранулы будут использоваться в качестве наград по всему протоколу обучения.
2. Привыкание: Поместите крыс в испытательной клетке в течение 30-45 мин и обеспечивают 30-50 гранул в кормушке, смешивают с порошкообразным кормом. Открыть и закрыть окно клетки и запустить окатышей дозатор иногда приучить крыс к их звуку.
   1. Повторите эту процедуру в течение 2-3 дней.
3. Вознаграждение касание: Поезд крыс прикоснуться к сферической ручки через окно клетки и затем перейти на противоположную сторону клетки , чтобы получить награду пищи.
   1. Настройте параметры программного обеспечения, так что ручка расположена в непосредственной близости от окна клетки тестирования в начале каждого испытания и выровнять ручку с центром окна клетки. Когда испытания будут успешными, то есть </ EM>, как только легкое прикосновение на ручке (0,25 мм смещения в любом направлении) было обнаружено, звучит сигнал и награда распределяется. Классифицировать испытания, как потерпели неудачу, когда никакое касание не обнаружено в течение 180 секунд после того, как откроется окно.
   2. Поместите крысу в тренировочной клетке. Подскажите крысу протянуть руку, позволяя ему захватить в гранулах, состоявшейся около ручки. Направьте внимание крысы к ручке и кормушки, нажав на клетку.
   3. Стоп побуждая, когда крыса самостоятельно достигает максимума через окна клетки и извлекает из него шарик пищи.
   4. Продолжайте до тех пор 100 испытаний (Прикосновения) не будут завершены или до тех пор, пока через 60 минут, в зависимости от того что наступит раньше.
   5. Продолжить обучение в течение 3-4 дней и начать следующий этап обучения (шаг 2,4), когда крысы достичь 100 испытаний в течение 30 мин в течение 2 дней.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не пережимать тренировать этот шаг. Цель поощрений касание является достижение надежного взаимодействия между крысиной и роботом, так что такое поведение может иметь формупоследующее обучение.
4. Свободная тяга (FP): Поезд крыс протянуть руку и вытащить ручку робота.
   1. Настройте параметры программного обеспечения, так что ручка расположена в 18 мм от окна в начале каждого испытания, и должны быть дергают в течение по крайней мере 10 мм без перерыва для успешных испытаний. Там нет боковых ограничений на тяговое движение на этом этапе.
      1. Классифицировать суд, как потерпели неудачу, когда ручка не был перемещен в течение 180 секунд после того, как откроется окно, когда ручка перемещается за пределы достижимости рабочей области (более 12 мм от средней линии), или когда крыса потянуло менее 10 мм в пределах через 5 секунд после первого прикосновения было обнаружено.
   2. Обратите внимание на количество раз, которые используются левая и правая лапа в течение первых 20 испытаний первой сессии FP. Лапа, который используется, по крайней мере 80% испытаний считается предпочтительным лапу.
      Примечание: Paw предпочтение может быть уже ясно, в награду-Touch сессий.
   3. Установите рукоятку в боковом направлении, пока она не совпадет с краем окна для облегчения вытягивания с предпочтительным лапе (т.е. перемещения робота 5 мм в левой части окна для правшей крыс и наоборот).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Установите ручку в этом же положении по отношению к клетке для всех последующих тренировок для этой крысы. Убедите точное размещение метками на клетки стенки и на роботе.
   4. Поместите крысу в тренировочной клетке и поезда до 100 испытаний пока не будут завершены или до тех пор, пока через 60 минут, в зависимости от того что наступит раньше.
      Примечание: Если крыса не достигает достаточно далеко, подскажите его, позволяя ему захватить в гранулах, состоявшейся около ручки. Крысы могут перестать пытаться тянуть после неоднократных неудачных попыток. Нажмите на клетку, пусть захватить для пеллет, проведенных с парой щипцов или отказаться от гранул, чтобы восстановить их мотивацию.
   5. Для экспериментов с участием только обучение FP, продолжить обучение, как описано в разделе 2.4.
      НЕТTE: Как правило, 1-2 сеансов FP необходимы, чтобы помочь переходу от награды прикосновения к SP (растягивание) обучения. Цель этих FP сеансов приучить крыс достучаться, схватить и потянуть за ручку, а не только прикоснуться к ней. Как и в случае вознаграждение касание тренировки, важно не переусердствовать поезд, если цель состоит в том, чтобы перейти к следующему этапу обучения.
5. Прямая тяга (SP): Поезд крыс , чтобы потянуть за ручку , не отклоняясь более чем на 2 мм от средней линии.
   Примечание: по средней линии определяется относительно начального положения робота, а не к средней точке окна клетки. Таким образом, тянущее попытка заканчивается в средней точке окна клетке приведет к тяговым траектории, которая отклоняется более чем на 2 мм от средней линии.
   1. Настройте параметры программного обеспечения, так что только судебные процессы, где тяговое движение не отклоняется более чем на 2 мм от средней линии по обе стороны вознаграждаются тоном и таблетки. Хранить все остальные параметры, как описано в шаге 2.4.
   2. Поместите крысу в тренировочной клетке и поезда до 100 испытаний пока не будут завершены или до тех пор, пока через 60 минут, в зависимости от того что наступит раньше.
      Примечание: Крысы могут стать чрезвычайно возбужден и прекратить попытки вывести после неоднократных неудачных попыток. Нажмите на клетку, чтобы перенаправить свое внимание на достижении задачи, пусть они захватить для пеллет, проведенных с парой щипцов или отказаться от гранул, чтобы восстановить их мотивацию.
   3. Продолжить обучение до тех пор, крысы не достигают производительности плато, или адаптировать период обучения в соответствии с целью эксперимента.

Результаты

Здесь мы покажем, 3 вариации рич-и тяговой задачи с использованием самцов крыс Long-Evans (10-12 недель). В свободной тяги (FP) группы (N = 6), крысы были обучены тянуть ручку робота в течение 22 дней без боковых ограничений. Животные в прямой тянуть 1 (SP1) группу (N = 12) были обучены потян...

Обсуждение

Квалифицированные достигающие задачи, как правило , используются для изучения моторную приобретения навыков, а также нарушения двигательной функции при патологических состояниях ^6. Надежный и однозначный анализ достижения поведения имеет важное значение для изучения кл...

Материалы

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