Name: design and use of an apparatus for presenting graspable objects in 3d workspace
Uploaded: 2019-08-08T14:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Use of an Apparatus for Presenting Graspable Objects in 3D Workspace at JoVE.com

Wir danken Herrn Shijiang Shen für seinen Rat zur Gerätekonstruktion und Frau Guihua Wang für ihre Unterstützung bei der Tierpflege und -ausbildung. Diese Arbeit wurde unterstützt durch das National Key Research and Development Program of China (2017YFC1308501), die National Natural Science Foundation of China (31627802), die Public Projects of Zhejiang Province (2016C33059) und die Fundamental Research Funds for the Zentrale Universitäten.

Alle verhaltens- und chirurgischen Eingriffe entsprachen dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren (China Ministry of Health) und wurden vom Animal Care Committee der Zhejiang University, China, genehmigt.
1.Montage des 3D-Übersetzungsgeräts
<ol><li>Bauen Sie einen Rahmen der Größe 920 mm x 690 mm x 530 mm mit Aluminium-Bauschienen (Querschnitt: 40 mm x 40 mm).</li>
	<li>Sichern Sie vier Sockel an den beiden Enden der Y-Schienen mit Schrauben (M4) (<strong class="xfig"...

<ol>
	<li>Leone, F. T., Monaco, S., Henriques, D. Y., Toni, I., Medendorp, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+Reference+Frames+for+Grasp+Planning+in+Human+Parietofrontal+Cortex.">Flexible Reference Frames for Grasp Planning in Human Parietofrontal Cortex.</a> eNeuro. 2 (3), (2015).</li><li>Caminiti, R., 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=Early+coding+of+reaching:+frontal+and+parietal+association+connections+of+parieto-occipital+cortex.">Early coding of reaching: frontal and parietal association connections of parieto-occipital cortex.</a> European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3339-3345 (1999).</li><li>Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+population+coding+of+movement+direction.">Neuronal population coding of movement direction.</a> Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).</li><li>Fu, Q. G., Flament, D., Coltz, J. D., Ebner, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+encoding+of+movement+kinematics+in+the+discharge+of+primate+primary+motor+and+premotor+neurons.">Temporal encoding of movement kinematics in the discharge of primate primary motor and premotor neurons.</a> Journal of Neurophysiology. 73 (2), 836-854 (1995).</li><li>Moran, D. W., Schwartz, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+cortical+representation+of+speed+and+direction+during+reaching.">Motor cortical representation of speed and direction during reaching.</a> Journal of Neurophysiology. 82 (5), 2676-2692 (1999).</li><li>Carmena, J. M., 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=Learning+to+control+a+brain-machine+interface+for+reaching+and+grasping+by+primates.">Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates.</a> PLoS Biology. 1 (2), E42 (2003).</li><li>Li, H., 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=Prior+Knowledge+of+Target+Direction+and+Intended+Movement+Selection+Improves+Indirect+Reaching+Movement+Decoding.">Prior Knowledge of Target Direction and Intended Movement Selection Improves Indirect Reaching Movement Decoding.</a> Behavioral Neurology. , 2182843 (2017).</li><li>Reina, G. A., Moran, D. W., Schwartz, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+relationship+between+joint+angular+velocity+and+motor+cortical+discharge+during+reaching.">On the relationship between joint angular velocity and motor cortical discharge during reaching.</a> Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2576-2589 (2001).</li><li>Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+cortical+control+of+3D+neuroprosthetic+devices.">Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices.</a> Science. 296 (5574), 1829-1832 (2002).</li><li>Wang, W., Chan, S. S., Heldman, D. A., Moran, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+cortical+representation+of+hand+translation+and+rotation+during+reaching.">Motor cortical representation of hand translation and rotation during reaching.</a> Journal of Neuroscience. 30 (3), 958-962 (2010).</li><li>Murata, A., Gallese, V., Luppino, G., Kaseda, M., Sakata, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selectivity+for+the+shape,+size,+and+orientation+of+objects+for+grasping+in+neurons+of+monkey+parietal+area+AIP.">Selectivity for the shape, size, and orientation of objects for grasping in neurons of monkey parietal area AIP.</a> Journal of Neurophysiology. 83 (5), 2580-2601 (2000).</li><li>Raos, V., Umilt&#225;, M. A., Murata, A., Fogassi, L., Gallese, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+Properties+of+Grasping-Related+Neurons+in+the+Ventral+Premotor+Area+F5+of+the+Macaque+Monkey.">Functional Properties of Grasping-Related Neurons in the Ventral Premotor Area F5 of the Macaque Monkey.</a> Journal of Neurophysiology. 95 (2), 709 (2006).</li><li>Schaffelhofer, S., Scherberger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Object+vision+to+hand+action+in+macaque+parietal,+premotor,+and+motor+cortices.">Object vision to hand action in macaque parietal, premotor, and motor cortices.</a> eLife. 5, (2016).</li><li>Baumann, M. A., Fluet, M. C., Scherberger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Context-specific+grasp+movement+representation+in+the+macaque+anterior+intraparietal+area.">Context-specific grasp movement representation in the macaque anterior intraparietal area.</a> Journal of Neuroscience. 29 (20), 6436-6448 (2009).</li><li>Riehle, A., Wirtssohn, S., Grun, S., Brochier, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+spatio-temporal+structure+of+motor+cortical+LFP+and+spiking+activities+during+reach-to-grasp+movements.">Mapping the spatio-temporal structure of motor cortical LFP and spiking activities during reach-to-grasp movements.</a> Frontiers in Neural Circuits. 7, 48 (2013).</li><li>Michaels, J. A., Scherberger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Population+coding+of+grasp+and+laterality-related+information+in+the+macaque+fronto-parietal+network.">Population coding of grasp and laterality-related information in the macaque fronto-parietal network.</a> Scientific Reports. 8 (1), 1710 (2018).</li><li>Fattori, P., 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=Hand+orientation+during+reach-to-grasp+movements+modulates+neuronal+activity+in+the+medial+posterior+parietal+area+V6A.">Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A.</a> Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).</li><li>Asher, I., Stark, E., Abeles, M., Prut, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+direction+and+object+selectivity+of+local+field+potentials+and+single+units+in+macaque+posterior+parietal+cortex+during+prehension.">Comparison of direction and object selectivity of local field potentials and single units in macaque posterior parietal cortex during prehension.</a> Journal of Neurophysiology. 97 (5), 3684-3695 (2007).</li><li>Stark, E., Asher, I., Abeles, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Encoding+of+reach+and+grasp+by+single+neurons+in+premotor+cortex+is+independent+of+recording+site.">Encoding of reach and grasp by single neurons in premotor cortex is independent of recording site.</a> Journal of Neurophysiology. 97 (5), 3351-3364 (2007).</li><li>Velliste, M., Perel, S., Spalding, M. C., Whitford, A. S., Schwartz, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+control+of+a+prosthetic+arm+for+self-feeding.">Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding.</a> Nature. 453 (7198), 1098-1101 (2008).</li><li>Vargas-Irwin, C. 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=Decoding+complete+reach+and+grasp+actions+from+local+primary+motor+cortex+populations.">Decoding complete reach and grasp actions from local primary motor cortex populations.</a> Journal of Neuroscience. 30 (29), 9659-9669 (2010).</li><li>Mollazadeh, M., 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=Spatiotemporal+variation+of+multiple+neurophysiological+signals+in+the+primary+motor+cortex+during+dexterous+reach-to-grasp+movements.">Spatiotemporal variation of multiple neurophysiological signals in the primary motor cortex during dexterous reach-to-grasp movements.</a> Journal of Neuroscience. 31 (43), 15531-15543 (2011).</li><li>Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Encoding+of+coordinated+reach+and+grasp+trajectories+in+primary+motor+cortex.">Encoding of coordinated reach and grasp trajectories in primary motor cortex.</a> Journal of Neuroscience. 32 (4), 1220-1232 (2012).</li><li>Collinger, J. L., 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=High-performance+neuroprosthetic+control+by+an+individual+with+tetraplegia.">High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia.</a> The Lancet. 381 (9866), 557-564 (2013).</li><li>Lehmann, S. J., Scherberger, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reach+and+gaze+representations+in+macaque+parietal+and+premotor+grasp+areas.">Reach and gaze representations in macaque parietal and premotor grasp areas.</a> Journal of Neuroscience. 33 (16), 7038-7049 (2013).</li><li>Rouse, A. G., Schieber, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+distribution+of+location+and+object+effects+in+reach-to-grasp+kinematics.">Spatiotemporal distribution of location and object effects in reach-to-grasp kinematics.</a> Journal of Neuroscience. 114 (6), 3268-3282 (2015).</li><li>Rouse, A. G., Schieber, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+Distribution+of+Location+and+Object+effects+in+Primary+Motor+Cortex+Neurons+during+Reach-to-Grasp.">Spatiotemporal Distribution of Location and Object effects in Primary Motor Cortex Neurons during Reach-to-Grasp.</a> Journal of Neuroscience. 36 (41), 10640-10653 (2016).</li><li>Hao, Y., 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=Neural+synergies+for+controlling+reach+and+grasp+movement+in+macaques.">Neural synergies for controlling reach and grasp movement in macaques.</a> Neuroscience. 357, 372-383 (2017).</li><li>Takahashi, 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=Encoding+of+Both+Reaching+and+Grasping+Kinematics+in+Dorsal+and+Ventral+Premotor+Cortices.">Encoding of Both Reaching and Grasping Kinematics in Dorsal and Ventral Premotor Cortices.</a> Journal of Neuroscience. 37 (7), 1733-1746 (2017).</li><li>Chen, J., 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=An+automated+behavioral+apparatus+to+combine+parameterized+reaching+and+grasping+movements+in+3D+space.">An automated behavioral apparatus to combine parameterized reaching and grasping movements in 3D space.</a> Journal of Neuroscience Methods. 312, 139-147 (2019).</li><li>Zhang, Q., 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=Development+of+an+invasive+brain-machine+interface+with+a+monkey+model.">Development of an invasive brain-machine interface with a monkey model.</a> Chinese Science Bulletin. 57 (16), 2036 (2012).</li><li>Hao, Y., 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=Distinct+neural+patterns+enable+grasp+types+decoding+in+monkey+dorsal+premotor+cortex.">Distinct neural patterns enable grasp types decoding in monkey dorsal premotor cortex.</a> Journal of Neural Engineering. 11 (6), 066011 (2014).</li></ol>

Der hier beschriebene Verhaltensapparat ermöglicht eine versuchsweise Kombination unterschiedlicher Griff- und Greifbewegungen (d.h. der Affe kann unterschiedlich geformte Objekte an beliebigen 3D-Positionen in jeder Studie erfassen). Dies wird durch die Kombination eines benutzerdefinierten Drehtisches, der verschiedene Objekte umschaltet, und einer linearen Übersetzungsvorrichtung erreicht, die den Drehtisch an mehrere Positionen im 3D-Raum transportiert. Darüber hinaus konnten die neuronalen Signale des Affen, die ...

Verschiedene Apparate wurden entwickelt, um die neuronalen Prinzipien zu untersuchen, die dem Erreichen und Greifen der Bewegung bei nichtmenschlichen Primaten zugrunde liegen. Bei der Erreichung von Aufgaben, Touchscreen1,2, Bildschirmcursor durch einen Joystick gesteuert3,4,5,6,7, und Virtual Reality Technologie8 , 9 , 10 wurden alle für die Präsentation von 2D- bzw. 3D-Zielen eingesetzt. Um verschiedene Grifftypen einzuführen, wurden unterschiedlich geformte Objekte, die in einer Position fixiert oder um eine Achse drehen, häufig in den Greifaufgaben11,12,13verwendet. Eine Alternative besteht darin, visuelle Hinweise zu verwenden, um Probanden zu informieren, um dasselbe Objekt mit verschiedenen Grifftypen14,15,16,17zu erfassen. In jüngerer Zeit wurden das Erreichen und Greifen von Bewegungen gemeinsam untersucht (d.h. Probanden erreichen mehrere Positionen und erfassen mit verschiedenen Grifftypen in einer experimentellen Sitzung)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Frühe Experimente haben Objekte manuell vorgestellt, was unweigerlich zu geringer Zeit und räumlicher Präzision führt20,21. Um die experimentelle Präzision zu verbessern und Arbeitskräfte zu sparen, wurden automatische Präsentationsgeräte, die von Programmen gesteuert werden, weit verbreitet eingesetzt. Um die Zielposition und den Grifftyp zu variieren, haben die Experimentatoren mehrere Objekte gleichzeitig verfügbar gemacht, aber die relative (oder absolute) Position von Zielen und die Grifftypen sind miteinander verbunden, was durch Langzeittraining starre Brennmuster verursacht22 ,27,28. Objekte werden in der Regel in einer 2D-Ebene dargestellt, die die Vielfalt der Erreichen bewegung und neuronale Aktivität19,25,26begrenzt. Kürzlich wurden Virtual Reality24 und Roboterarm23,29 eingeführt, um Objekte im 3D-Raum zu präsentieren.
Hier werden detaillierte Protokolle für den Aufbau und die Verwendung eines automatisierten Geräts30 vorgestellt, das eine beliebige Kombination aus mehreren Zielpositionen und Grifftypen im 3D-Raum erreichen kann. Wir haben einen Drehtisch zum Wechseln von Objekten und ein 3D-Übersetzungsgerät entwickelt, um den Drehtisch im 3D-Raum zu transportieren. Sowohl der Drehtisch als auch die Übersetzungsvorrichtung werden von unabhängigen Motoren angetrieben. In der Zwischenzeit werden die 3D-Trajektorie des Handgelenks und der neuronalen Signale des Subjekts während des gesamten Experiments gleichzeitig aufgezeichnet. Das Gerät bietet eine wertvolle Plattform für die Untersuchung der Funktion der oberen Gliedmaßen beim Rhesusaffen.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Active X-rail</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>W50-25</td>
			<td>Effective travel, 600 mm; Load, 25 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Active Y-rail</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>W60-35</td>
			<td>Effective travel, 300 mm, Load 35 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Active Z-rail</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>W50-25</td>
			<td>Effective travel, 500 mm; Load 25 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bearing</td>
			<td>Taobao.com</td>
			<td>6004-2RSH</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Case</td>
			<td>Custom mechanical processing</td>
			<td>TT-C</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Connecting ring</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>57/60-W50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Connecting shaft</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>D12-700</td>
			<td>Diam., 12 mm;Length, 700 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diaphragm coupling</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>CCM 12-12</td>
			<td>Inner diam., 12-12mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diaphragm coupling</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>CCM 12-14</td>
			<td>Inner diam., 14-12mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric slip ring</td>
			<td>Semring Inc., China</td>
			<td>SNH020a-12</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Locating bar</td>
			<td>Custom mechanical processing</td>
			<td>TT-L</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion capture system</td>
			<td>Motion Analysis Corp. US</td>
			<td>Eagle-2.36</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neural signal acquisition system</td>
			<td>Blackrock Microsystems Corp. US</td>
			<td>Cerebus</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI DAQ device</td>
			<td>National Instruments, US</td>
			<td>USB-6341</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Object</td>
			<td>Custom mechanical processing</td>
			<td>TT-O</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive Y-rail</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>W60-35</td>
			<td>Effective travel, 300 mm; Load 35 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive Z-rail</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>W50-25</td>
			<td>Effective travel, 500 mm; Load 25 kg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pedestal</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>80-W60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peristaltic pump</td>
			<td>Longer Inc., China</td>
			<td>BT100-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Planetary gearhead</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>PLF60-5</td>
			<td>Flange, 60&#215;60 mm; Reduction ratio, 1:5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right triangle frame</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>290-300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotator</td>
			<td>Custom mechanical processing</td>
			<td>TT-R</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Servo motor</td>
			<td>Yifeng Inc., China</td>
			<td>60ST-M01930</td>
			<td>Flange, 60&#215;60 mm; Torque, 1.91 N&#183;m; for Y- and Z-rail</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Servo motor</td>
			<td>Yifeng Inc., China</td>
			<td>60ST-M01330</td>
			<td>Flange, 60&#215;60 mm; Torque, 1.27 N&#183;m; for X-rail</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shaft</td>
			<td>Custom mechanical processing</td>
			<td>TT-S</td>
			<td>Acrylic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepping motor</td>
			<td>Taobao.com</td>
			<td>86HBS120</td>
			<td>Flange, 86&#215;86 mm; Torque, 1.27 N&#183;m; Driving turning table</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Touch sensor</td>
			<td>Taobao.com</td>
			<td>CM-12X-5V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tricolor LED</td>
			<td>Taobao.com</td>
			<td>CK017, RGB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-shaped connecting board</td>
			<td>CCM Automation technology Inc., China</td>
			<td>110-120</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

design and use of an apparatus for presenting graspable objects in 3d workspace

Das Erreichen und Greifen sind hochgekoppelte Bewegungen, und ihre zugrunde liegende neuronale Dynamik wurde in den letzten zehn Jahren weithin untersucht. Um das Erreichen und Greifen von Codierungen zu unterscheiden, ist es wichtig, unterschiedliche Objektidentitäten unabhängig von ihren Positionen darzustellen. Präsentiert wird hier das Design eines automatischen Geräts, das mit einem Drehtisch und einem dreidimensionalen (3D) Übersetzungsgerät montiert wird, um dieses Ziel zu erreichen. Der Drehtisch schaltet verschiedene Objekte, die unterschiedlichen Grifftypen entsprechen, während das 3D-Übersetzungsgerät den Drehtisch im 3D-Raum transportiert. Beide werden unabhängig von Motoren angetrieben, so dass Zielposition und Objekt beliebig kombiniert werden. Inzwischen werden die Flugbahn- und Grifftypen des Handgelenks über das Motion Capture System bzw. Touchsensoren aufgezeichnet. Darüber hinaus werden repräsentative Ergebnisse beschrieben, die erfolgreich ausgebildete Affen mit diesem System nachweisen. Es wird erwartet, dass dieser Apparat Forschern erleichtern wird, Kinematik, neuronale Prinzipien und Gehirn-Maschine-Schnittstellen im Zusammenhang mit der Funktion der oberen Gliedmaßen zu studieren.

Die Größe des kompletten Arbeitsbereichs des Geräts beträgt 600 mm, 300 mm und 500 mm in x-, y- und z-Achsen. Die maximale Belastung der 3D-Übersetzungsvorrichtung beträgt 25 kg, während der Drehtisch (einschließlich des Schrittmotors) 15 kg wiegt und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 mm/s transportiert werden kann. Die kinematische Präzision des 3D-Übersetzungsgeräts beträgt weniger als 0,1 mm und das Geräusch des Geräts weniger als 60 dB.
Um den Nutzen des Systems zu dem...

Watch this Scientific Journal Video about Design and Use of an Apparatus for Presenting Graspable Objects in 3D Workspace at JoVE.com

Design and Use of an Apparatus for Presenting Graspable Objects in 3D Workspace

Entwurf und Verwendung eines Geräts zur Darstellung von Greifobjekten im 3D-Arbeitsbereich

Hier wird ein Protokoll zum Aufbau eines automatischen Geräts vorgestellt, das einen Affen zur Durchführung der flexiblen Reach-to-Grasp-Aufgabe führt. Das Gerät kombiniert eine 3D-Übersetzungsvorrichtung und einen Drehtisch, um mehrere Objekte in einer beliebigen Position im 3D-Raum darzustellen.

Reaching and grasping are highly-coupled movements, and their underlying neural dynamics have been widely studied in the last decade. To distinguish ...

Das neuronale Prinzip, das Reichweite und Griff zugrunde liegt, wurde in den letzten Jahrzehnten ausgiebig untersucht, jedoch wurden nur wenige Geräte entwickelt, um eine flexible Kombination beider Bewegungen in einer Aufgabe zu ermöglichen. Durch die Kopplung eines benutzerdefinierten Drehtisches mit einer dreidimensionalen Translationsvorrichtung ermöglichen unsere Geräte eine versuchsweise Kombination mehrerer Positionen im dreidimensionalen Raum und unterschiedlich geformten Objekten in jeder Position. Unser Apparat bietet eine wertvolle Plattform, um die Funktion der oberen Gliedmaßen und ihre zugrunde liegenden neuronalen Prinzipien zu untersuchen.Es kann auch die gleichzeitige Rekonstruktion von Erreichen und Greifen von Bewegungen in Gehirn-Maschine-Schnittstelle erleichtern. Beginnen Sie, indem Sie zwei Y-Schienen parallel auf die Oberseite des Rahmens fixieren, indem Sie die Sockel mit Schrauben an der Oberseite befestigen. Verbinden Sie dann zwei Y-Schienen mit einer Verbindungswelle und zwei Membrankupplungen.Ziehen Sie die Verriegelungsschrauben der Kupplungen fest, um die Wellen der beiden Schienen zu synchronisieren. Legen Sie sechs Muttern in die hinteren Nuten der Z-Schiene und befestigen Sie eine Seite des rechten Dreiecksrahmens mit Schrauben an der Rückseite der Z-Schiene. Ziehen Sie den Dreiecksrahmen an das Ende, das distal zur Welle ist, und ziehen Sie die Schrauben fest.Befestigen Sie den anderen rechten Dreiecksrahmen auf die gleiche Weise an der anderen Z-Schiene. Befestigen Sie die anderen rechtwinkligen Seiten der beiden Dreiecksrahmen mit Schrauben an den Schiebern der beiden Y-Schienen. Als nächstes verbinden Sie die beiden Z-Schienen mit einer Verbindungswelle und Membrankupplungen, und ziehen Sie die Sicherungsschrauben der Kupplung fest.Befestigen Sie die beiden T-förmigen Verbindungsplatten mit Muttern und Schrauben an der Rückseite der X-Schiene. Ziehen Sie dann die beiden T-förmigen Bretter an die beiden Enden der X-Schiene und ziehen Sie die Schrauben fest. Befestigen Sie die beiden T-förmigen Verbindungsbretter mit Schrauben an den Schiebern der beiden Z-Schienen.Setzen Sie den Schrittmotor in das Wellenloch des Getriebereduzierers ein und schrauben Sie deren Flansche zusammen. Schrauben Sie schließlich den Verbindungsring an das Wellenende der X-Schiene. Setzen Sie die Welle des Getriebereduzierers in die Kupplung ein, und schrauben Sie den Getriebeminderer an den Verbindungsring.Ziehen Sie die Schraube der Kupplung fest. Beginnen Sie, indem Sie die Berührungssensoren in die Nut des Objektkörpers legen und sie mit doppelseitigem Klebeband auf die vordefinierten Berührungsbereiche kleben. Führen Sie die Drähte durch die Bohrung des Objekt-Backboards und fixieren Sie die Deckplatte mit Schrauben am Objektkörper.Dann passieren Sie die Drähte durch die Löcher an den Seiten des Ators und schrauben Sie die Objekte auf den Rotator. Löten Sie die Drahtenden der Berührungssensoren an die rotierenden Drahtenden des elektrischen Schlupfrings und wickeln Sie die Gelenke mit elektrischem Klebeband. Schrauben Sie das Gehäuse an den Schieber der X-Schiene.Legen Sie das Lager in das untere Loch der Box. Als nächstes legen Sie den Rotator in das Gehäuse von rechts und passieren Sie die Drähte des elektrischen Schlupfrings durch das obere Loch des Gehäuses. Stecken Sie dann die Metallwelle aus der oberen Bohrung des Gehäuses in das Lager und passen Sie den Wellenschlüssel an den Schlüssel des Drehers an.Stellen Sie den elektrischen Gleitring um die Metallwelle ein. Legen Sie das Ende der Ortungsstange in die Kerbe des elektrischen Schlupfrings, um zu verhindern, dass sich der äußere Ring dreht. Setzen Sie die Schrittmotorwelle in das Metallwellenloch ein, und fixieren Sie den Motor mit Schrauben an der Oberseite der Box.Kleben Sie eine trikolore LED mit Klebeband auf die Vorderseite des Gehäuses. Schrauben Sie schließlich das rechte Sideboard auf das Gehäuse. Stecken Sie die Steuerdrähte von Schrittmotoren, LED- und Touchsensoren in die digitalen Anschlüsse einer Datenerfassungsplatine.Um das dreidimensionale Translationsgerät und den Drehtisch zu initialisieren, ziehen Sie die Schieberegler aller linearen Schiebeschienen zum Startpunkt, und drehen Sie das erste Objekt des Drehtischs auf die Vorderseite des Drehtischs. Geben Sie als Nächstes die Koordinaten aller Positionen in einer Matrix in ein Textdokument ein. Stellen Sie sicher, dass jede Zeile die X-, Y- und Z-Koordinaten einer Position enthält, die durch ein Leerzeichen getrennt ist, und speichern Sie dann das Dokument.Öffnen Sie dann die Paradigmensoftware, klicken Sie im Pool-Bedienfeld auf Datei öffnen, und wählen Sie das Textdokument aus, um die Präsentationspositionen in die Paradigmensoftware zu laden. Überprüfen Sie die Objekte, die im Experiment im Objektpool der Paradigmensoftware dargestellt werden sollen. Passen Sie dann die experimentellen Parameter im Bedienfeld "Zeitparameter" der Paradigmensoftware an.Legen Sie die Basislinie auf 400 Millisekunden fest, Motorrun entspricht 2000 Millisekunden, Planung entspricht 1000 Millisekunden, maximale Reaktionszeit entspricht 500 Millisekunden, max. Reichweiteszeit 1000 Millisekunden, min Haltezeit entspricht 500 Millisekunden, Belohnung entspricht 60 Millisekunden und Fehler-Cue 1000 Millisekunden. Als nächstes, fixieren Sie den Affenstuhl auf dem Aluminium-Baurahmen. Befestigen Sie drei reflektierende Marker am Ende des Arms mit doppelseitigem Klebeband.Stellen Sie sicher, dass die drei Marker ein Scalene-Dreieck bilden. Klicken Sie dann in der Paradigmensoftware auf Ausführen, um die Aufgabe zu starten. Klicken Sie auf die Record-Schaltfläche auf dem Motion Capture-Panel der Cortex-Software, um die Flugbahnen der drei Marker 60 Sekunden lang aufzuzeichnen, wenn der Affe die Aufgabe ausführt.Klicken Sie auf die Schaltfläche STOP, um das Experiment zu beenden. Erstellen Sie eine Tracking-Vorlage der drei Marker auf der Software mit den aufgezeichneten Flugbahnen und speichern Sie die Vorlage. Verbinden Sie dann den Erddraht des Frontendverstärkers mit dem Boden des Mikroelektroden-Arrays, das in den Motorkortex des Affen implantiert wird.Setzen Sie die Kopfstufen in den Stecker des Mikroelektroden-Arrays ein. Öffnen Sie die Central-Software des neuronalen Signalerfassungssystems. Öffnen Sie die Synchronisierungssoftware.Klicken Sie auf die drei Verbindungsschaltflächen in den Bedienfeldern Cerebus, Motion Capture und Paradigm, um die Synchronisationssoftware mit dem neuronalen Signalerfassungssystem, dem Motion-Capture-System und der Paradigmensoftware zu verbinden. Schließlich klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen der Paradigmensoftware, um die Aufgabe erneut zu starten, gefolgt von der Aufnahme-Schaltfläche auf dem Dateispeicher-Bedienfeld der zentralen Software, um die Aufzeichnung der neuronalen Signale zu starten. Überprüfen Sie die gespeicherte Tracking-Vorlage und klicken Sie auf die RECORD-Schaltfläche im Motion Capture-Bedienfeld der Cortex-Software, um die Aufzeichnung der Flugbahn des Handgelenks des Affen zu starten.Die Flugbahn des Handgelenks während der Erreichensphase in allen erfolgreichen Versuchen wurde extrahiert und in acht Gruppen basierend auf Zielpositionen unterteilt. Die Enden von acht Gruppen der Flugbahn bilden einen Quader, der die gleiche Größe wie der vordefinierte Quaderarbeitsbereich hat. Hier zeigt das Perireizzeit-Histogramm zwei Beispielneuronen, die sowohl die Erreichensposition als auch objekte abstimmen.Das Neuron oben zeigt eine signifikante Selektivität während der Erreichungs- und Haltephasen. Während das Neuron auf der Unterseite beginnt, Positionen und Objekte aus der Mitte der Motorlaufphase zu stimmen. Da die Paradigmensoftware die Positionen von Motoren nicht lesen konnte, ist es wichtig, den Drehtisch und das Translationsgerät vor jeder Sitzung zu initialisieren.Um vollständig zu steuern, wann das Motivobjekt und seine Position zu sehen waren, konnte ein schaltbares Glas vor dem Gerät installiert werden. Durch den Einsatz unseres Geräts ist es nun möglich, die neuronale Wechselwirkung zwischen Reichweiten- und Greifbewegungen zu untersuchen, was helfen kann, gleichzeitig die Reichweitenbahn und die Grifftypen zu entschlüsseln.

Research

JoVE Journal

Behavior

Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies

Übertragen kognitiven Aufgaben zwischen Gehirnbildgebende Verfahren: Implikationen für die Aufgabengestaltung und Ergebnisse Interpretation in fMRT-Studien

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm ...

Forschung

Verhalten

Assessment of Murine Exercise Endurance Without the Use of a Shock Grid: An Alternative to Forced Exercise

Beurteilung der Murine sportliche Ausdauer, ohne die Verwendung eines Shock Grid: Eine Alternative zur Zwangsübung

Using laboratory mouse models, the molecular pathways responsible for the metabolic benefits of endurance exercise are beginning to be defined. The most ...

Design and Implementation of an fMRI Study Examining Thought Suppression in Young Women with, and At-risk, for Depression

Entwurf und Implementierung einer fMRI Studie, Gedankenunterdrückung in junge Frauen mit und at-Risk für Depression

Ruminative brooding is associated with increased vulnerability to major depression. Individuals who regularly ruminate will often try to reduce the ...

An Automated T-maze Based Apparatus and Protocol for Analyzing Delay- and Effort-based Decision Making in  Free Moving Rodents

Eine automatisierte T-maze basierte Apparat und Protokoll für die Analyse von Verzögerung und Aufwand-basierte Entscheidungsfindung bei frei beweglichen Nagetieren

Many neurological and psychiatric patients demonstrate difficulties and/or deficits in decision making. Rodent models are helpful to produce a deeper ...

3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

The utility of three-dimensional (3D) kinematic motion analysis systems is limited in rodents. Part of the reason for this inadequacy is the use of ...

A Machine Learning Approach to Design an Efficient Selective Screening of Mild Cognitive Impairment

Ein machine Learning-Ansatz zur Entwicklung eines effizienten selektiven Screenings leichter kognitiver Beeinträchtigungen

Mild cognitive impairment (MCI) is the first sign of dementia among elderly populations and its early detection is crucial in our aging societies. Common ...

Methods for Presenting Real-world Objects Under Controlled Laboratory Conditions

Methoden zur Darstellung realer Objekte unter kontrollierten Laborbedingungen

Our knowledge of human object vision is based almost exclusively on studies in which the stimuli are presented in the form of computerized two-dimensional ...

An Inertial Measurement Unit Based Method to Estimate Hip and Knee Joint Kinematics in Team Sport Athletes on the Field

Eine inertial Measurement Unit Based Method zur Schätzung der Hüft- und Kniegelenkkinematik bei Teamsportsportlern auf dem Feld

Current athlete monitoring practice in team sports is mainly based on positional data measured by global positioning or local positioning systems. The ...

Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research

Tactile Vibrating Toolkit und Driving Simulation Platform für fahrbezogene Forschung

Collision warning system plays a key role in the prevention of driving distractions and drowsy driving. Previous studies have proven the advantages of ...

An Assessment Method and Toolkit to Evaluate Keyboard Design on Smartphones

Eine Bewertungsmethode und ein Toolkit zur Bewertung des Tastaturdesigns auf Smartphones

Keyboard input has played an essential role in human-computer interaction with a vast user base, and the keyboard design has always been one of the ...