القوارض المهرة الوصول يستخدم عادة لدراسة المهارات البارعة، ولكن يتطلب وقتا كبيرا والجهد لتنفيذ المهمة وتحليل السلوك. نحن نصف نسخة آلية من الوصول المهرة مع تتبع الحركة وإعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد من مسارات الوصول.
مقالة منهجية
القوارض المهرة الوصول يستخدم عادة لدراسة المهارات البارعة، ولكن يتطلب وقتا كبيرا والجهد لتنفيذ المهمة وتحليل السلوك. نحن نصف نسخة آلية من الوصول المهرة مع تتبع الحركة وإعادة الإعمار ثلاثي الأبعاد من مسارات الوصول.
القوارض المهرة الوصول يستخدم عادة لدراسة المهارات البارعة، ولكن يتطلب وقتا كبيرا والجهد لتنفيذ المهمة وتحليل السلوك. وقد تم مؤخرا تطوير عدة إصدارات آلية من الوصول المهرة. هنا، ونحن نصف النسخة التي تقدم تلقائيا الكريات للفئران في حين تسجيل الفيديو عالية الوضوح من زوايا متعددة بمعدلات إطارات عالية (300 إطارا في الثانية). يتم تعقب مخلب والأرقام الفردية مع DeepLabCut، خوارزمية التعلم الآلي لتقدير تشكل بلا علامات. ويمكن أيضا أن يتزامن هذا النظام مع التسجيلات الفسيولوجية، أو أن تستخدم لتحريك التدخلات الفسيولوجية (على سبيل المثال، التحفيز الكهربائي أو البصري).
يعتمد البشر بشكل كبير على المهارة البارعة، التي تعرف بأنها حركات تتطلب حركات متعددة المفاصل والأرقام منسقة بدقة. وتتأثر هذه المهارات بمجموعة من أمراض الجهاز العصبي المركزي الشائعة بما في ذلك الآفات الهيكلية (مثل السكتة الدماغية، والورم، والآفات التي لإزالة التميّز)، والأمراض العصبية (مثل مرض باركنسون)، والتشوهات الوظيفية للمحرك الدوائر (على سبيل المثال، خلل التوتر). وبالتالي فإن فهم كيفية تعلم المهارات البارعة وتنفيذها من قبل دوائر السيارات المركزية ينطوي على إمكانية تحسين نوعية الحياة بالنسبة لأعداد كبيرة من السكان. وعلاوة على ذلك، من المرجح أن يؤدي هذا الفهم إلى تحسين الأداء الحركي لدى الأشخاص الأصحاء عن طريق الاستفادة المثلى من استراتيجيات التدريب وإعادة التأهيل.
تشريح الدوائر العصبية الكامنة وراء المهارة البارعة في البشر محدودة بالاعتبارات التكنولوجية والأخلاقية، مما يستلزم استخدام النماذج الحيوانية. وتستخدم الرئيسيات غير البشرية عادة لدراسة حركات الأطراف حاذق نظرا لتشابه نظمها الحركية وذخيرة السلوكية للبشر1. ومع ذلك، فإن الرئيسيات غير البشرية مكلفة مع فترات طويلة من الجيل، مما يحد من أعداد مواضيع الدراسة والتدخلات الوراثية. وعلاوة على ذلك، في حين أن الأدوات العلمية العصبية المطبقة على الرئيسيات غير البشرية أكبر منها بالنسبة للبشر، فإن العديد من التطورات التكنولوجية الحديثة إما غير متوفرة أو محدودة بشكل كبير في الرئيسيات.
القوارض المهرة الوصول هو نهج تكميلي لدراسة السيطرة على السيارات حاذق. يمكن تدريب الفئران والفئران للوصول إلى، فهم، واسترداد بيليه السكر في تسلسل نمطي من الحركات متجانسة لأنماط الإنسان الوصول2. ونظراً لضيق وقت توليدها نسبياً وانخفاض تكاليف السكن، فضلاً عن قدرتها على اكتساب مهارات تصل إلى مدى أيام إلى أسابيع، فمن الممكن دراسة أعداد كبيرة من المواضيع خلال مرحلتي التعلم وتوحيد المهارات على حد سواء. كما أن استخدام القوارض، ولا سيما الفئران، يسهل استخدام أدوات علمية عصبية حديثة قوية (مثل علم الوراثة البصرية، وتصوير الكالسيوم، والنماذج الوراثية للمرض) لدراسة المهارة البارعة.
وقد استخدمت القوارض المهرة الوصول لعقود لدراسة السيطرة الحركية العادية وكيف يتأثر بأمراض محددة مثل السكتة الدماغية ومرض باركنسون3. ومع ذلك، فإن معظم إصدارات هذه المهمة هي العمل والوقت الكثيف، والتخفيف من فوائد دراسة القوارض. وتشمل عمليات التنفيذ النموذجية وضع القوارض في غرفة الوصول مع رف أمام فتحة ضيقة من خلالها القوارض يجب أن تصل. يضع الباحث كريات السكر يدويًا على الرف، وينتظر وصول الحيوان، ثم يضع واحدة أخرى. يتم تسجيل الوصول إلى النجاحات أو الفشل إما في الوقت الحقيقي أو عن طريق استعراض الفيديو4. ومع ذلك، فإن مجرد تسجيل النقاط يصل إلى النجاحات أو الفشل يتجاهل البيانات الحركية الغنية التي يمكن أن توفر نظرة ثاقبة حول كيفية (بدلاً من مجرد ما إذا) الوصول إلى ضعف. وقد عولجت هذه المشكلة من خلال تنفيذ استعراض مفصل للوصول إلى أشرطة الفيديو لتحديد ودرجات شبه كمية تصل إلى الحركات الفرعية5. وفي حين أضاف هذا بعض البيانات المتعلقة بالوصول إلى الحركية، إلا أنه زاد أيضاً بشكل كبير من وقت التجربة وجهدها. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي المستويات العالية من مشاركة التجارب إلى عدم الاتساق في المنهجية وتحليل البيانات، حتى داخل المختبر نفسه.
وفي الآونة الأخيرة، تم تطوير عدة إصدارات آلية من الوصول الماهر. بعض نعلق على القفص المنزلي6،7، والقضاء على الحاجة إلى نقل الحيوانات. وهذا يقلل من الضغط على الحيوانات ويلغي الحاجة إلى تكييفها إلى غرفة الوصول المتخصصة. إصدارات أخرى تسمح تتبع مخلب بحيث يمكن دراسةالتغييرات الحركية في إطار تدخلات محددة 8،9،10،أو لديها آليات لتحديد ما إذا كان قد طرقت الكريات من على الرف11. المهام الآلية الماهرة الوصول مفيدة بشكل خاص للتدريب عالية الكثافة، كما قد تكون هناك حاجة لإعادة التأهيل بعد إصابة12. تسمح الأنظمة الآلية للالحيوانات بإجراء أعداد كبيرة من الروافد على مدى فترات طويلة من الزمن دون الحاجة إلى مشاركة مكثفة من الباحثين. وعلاوة على ذلك، فإن النظم التي تسمح بتتبع الكفات وتسجيل النتائج الآلي تقلل من الوقت الذي يقضيه الباحث في إجراء تحليل البيانات.
قمنا بتطوير نظام آلي للوصول إلى الفئران الماهرة مع العديد من الميزات المتخصصة. أولا، باستخدام قاعدة متحركة لجلب بيليه في "موقف الوصول" من أدناه، نحصل على وجهة نظر دون عائق تقريبا من الطرف السفلي. ثانياً، يسمح نظام المرايا بمشاهدة متعددة في وقت واحد للوصول باستخدام كاميرا واحدة، مما يسمح بإعادة بناء مسارات الوصول ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) باستخدام كاميرا عالية الدقة وعالية السرعة (300 إطار في الثانية). مع التطور الأخير لخوارزميات التعلم الآلي قوية لتتبع الحركة بلا علامات13،ونحن الآن تتبع ليس فقط مخلب ولكن المفاصل الفردية لاستخراج الوصول مفصلة واستيعاب الحركية. ثالثاً، يسمح ممسك الإطار الذي يقوم بمعالجة فيديو بسيطة بتحديد المراحل التي تم الوصول إليها بشكل حقيقي. يتم استخدام هذه المعلومات لتحريك الحصول على الفيديو (الحصول المستمر على الفيديو ليس عمليا بسبب حجم الملف)، ويمكن أيضا أن تستخدم لتحريك التدخلات (على سبيل المثال، علم الوراثة البصرية) في لحظات دقيقة. وأخيراً، يتم تشغيل إطارات الفيديو الفردية بواسطة نبضات منطق الترانزستور-الترانزستور (TTL)، مما يسمح بمزامنة الفيديو بدقة مع التسجيلات العصبية (على سبيل المثال، الفيزيولوجيا الكهربائية أو القياس الضوئي). هنا، ونحن نصف كيفية بناء هذا النظام، وتدريب الفئران لأداء المهمة، ومزامنة الجهاز مع النظم الخارجية، وإعادة بناء مسارات الوصول 3-D.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تمت الموافقة على جميع الطرق التي تنطوي على استخدام الحيوانات المذكورة هنا من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) من جامعة ميشيغان.
1. إنشاء غرفة الوصول
ملاحظة: انظر Ellens et al.14 للاطلاع على التفاصيل والرسوم البيانية للجهاز. تشير أرقام الأجزاء إلى الشكل 1.
2. إعداد الكمبيوتر والأجهزة
3. التدريب السلوكي
4- تدريب الفئران باستخدام النظام الآلي
5. تحليل أشرطة الفيديو مع DeepLabCut
ملاحظة: يتم تدريب شبكات مختلفة لكل تفضيل مخلب (مخلب اليمين ومخلب اليسار) ولكل عرض (عرض مباشر وعرض مرآة اليسار للفئران مخلب الحق، وعرض مباشر وعرض مرآة الحق للفئران مخلب اليسار). لا يتم استخدام عرض المرآة العلوية لإعادة الإعمار ثلاثي الدُعد - فقط للكشف عن الوقت الذي يدخل فيه الأنف الفتحة، والتي قد تكون مفيدة لتحريك التدخلات (على سبيل المثال، علم الوراثة البصرية). ثم يتم استخدام كل شبكة لتحليل مجموعة من أشرطة الفيديو اقتصاص لمخلب المقابلة وعرض.
6. مربع معايرة
ملاحظة: يتم استخدام هذه الإرشادات لتحديد مصفوفات التحويل لتحويل النقاط المحددة في طرق العرض المباشرة والمتطابقة إلى إحداثيات ثلاثية الد. للحصول على أحدث إصدار ومزيد من التفاصيل حول كيفية استخدام حزمة boxCalibration، راجع مختبر الحادي عشر GitHub: https://github.com/LeventhalLab/boxCalibration، والذي يتضمن إرشادات خطوة بخطوة لاستخدامها.
7. إعادة بناء مسارات 3D
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الفئران تكتسب مهمة الوصول المهرة بسرعة مرة واحدة تكييفها إلى الجهاز، مع استقرار الأداء منحيث كل من أعداد تصل والدقة على مدى 1-2 أسابيع (الشكل 5). ويبين الشكل 6 نماذج إطارات الفيديو التي تشير إلى الهياكل التي حددتها DeepLabCut، ويبين الشكل 7 مسارات الوصول الفردية المفروضة من جلسة واحدة. وأخيراً، في الشكل8، نوضح ما يحدث إذا لم يتم تعيين مشغل الكشف عن الكف (الخطوات 4.3.4-4.3.6) بدقة. هناك تباين كبير في الإ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
أصبح وصول القوارض المهرة أداة قياسية لدراسة علم وظائف الأعضاء نظام المحرك والفيزيولوجيا المرضية. لقد وصفنا كيفية تنفيذ مهمة الفئران المهرة الآلي الوصول الذي يسمح: التدريب والاختبار مع الحد الأدنى من الإشراف، 3-D مخلب وأرقام مسار إعادة الإعمار (أثناء الوصول، واستيعاب، وتراجع مخلب)، وتحديد في الوقت الحقيقي من مخلب أثناء الوصول، والتزامن مع الالكترونيات الخارجية. وهي مناسبة تماما لربط الحركية النُفَسة مع علم وظائف الأعضاء أو للقيام بتدخلات دقيقة التوقيت أثناء الوصول إلى الحركات.
منذ أن أبلغنا في ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
يود المؤلفون أن يشكروا كارونيش جانجولي ومختبره على المشورة بشأن مهمة الوصول الماهرة، وألكسندر وماكينزي ماثيس على مساعدتهم في تكييف ديب لابكوت. وقد تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للأمراض العصبية والسكتة الدماغية (رقم المنحة K08-NS072183) وجامعة ميشيغان.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| ألواح البولي كربونات الشفافة | TAP البلاستيك | قطع حسب الطلب (انظر تصميم الصندوق) | |
| مصدر / كاشف الأشعة تحت الحمراء | Associates | ENV-253SD | 30 " |
| كاميرا | نطاق Basler | acA2000-340kc | 2046 × 1086 CMV2000 340 إطارا في الثانية عدسة كاميرا ملونة وصلة |
| ميجابيكسل (حاسوب) | M0814-MP2 | 2/3 "8 مم f1.4 ث / قفل القزحية & | |
| كابلات كاميرا | Basler | # 2000031083 | كابل PoCL Camera Link SDR / MDR كامل ، 5 أمتار - كبلات البيانات |
| تعكس | من أمازون | ||
| متحدة | LACT6P | المحرك الخطي 6 "السكتة الدماغية (الاسمية) ، قوة 110 رطل ، 12 فولت تيار مستمر ، مع | |
| خزان / قمع حبيبات | Amico (Amazon) | a12073000ux0890 | 6 "قمع |
| دليل أنبوب | ePlastics | ACREXT.500X.250 | 1/2 "OD × 1/4" معرف واضح. أنبوب أكريليك زجاجي مقذوف × قضيب |
| تسليم بيليه | ePlastics | ACRCAR.250 | 0.250 "DIA. قضيب أكريليك مصبوب (طول 2 بوصة) |
| موصل بلاستيك T | بالولايات المتحدة شركة بلاستيك | كورب # 62065 | 3/8 بوصة × 3/8 بوصة × 3/8 بوصة معرف خرطوم أسود HDPE تي |
| إي إل إي أضواء إضاءة | من أي وقت مضى | 4100066-DW-F | شريط إضاءة LED مرن مقاوم للماء 12 فولت ، شريط LED ، ضوء النهار الأبيض ، 300 وحدة فائقة السطوع 5050 LED ، 16.4 قدم 5 متر بكرة |
| ضوء دعم | ePlastics | ACTLNAT0.125X12X36 | 0.125 بوصة × 12 بوصة × 36 بوصة |
| 23114-01.007x8.5x11 | "، خزانة غير لامعة على الجانبين | ||
| ومواد إطار مخصصة | مختلفة (Home Depot ، إلخ.) | لوح ألياف مقاس 3/4 بوصة (انظر البروتوكول لمعرفة أبعاد كل هيكل) | |
| رغوة صوتية | Acoustic First | FireFlex Wedge Acoustic (2 بوصة) | |
| مراوح تهوية | Cooler Master (Amazon) | B002R9RBO0 | محمل بندقية 80 مم مروحة تبريد صامتة لحالات الكمبيوتر ومفصلات باب خزانة مبردات وحدة المعالجة |
| المركزية Everbilt (Home Depot | # 14609 | مفصلة فولاذية مستمرة (1.4"× 48 بوصة) | |
| عجلات الخزانة | Everbilt (Home Depot | # 49509 | دوارة مطاطية ناعمة مع تصنيف تحميل 90 رطلا ومقبض باب خزانة الفرامل الجانبية |
| Everbilt (Home Depot | # 15094 | سحب باب أبيض خفيف (4.5 بوصة) | |
| كمبيوتر | Hewlett Packard | Z620 | HP Z620 محطة عمل سطح المكتب |
| Camera Link Frame Grabber | National Instruments | # 781585-01 | PCIe-1473 Virtex-5 LX50 Camera Link - كامل |
| متعدد الوظائف RIO Board | الأدوات الوطنية | # 781100-01 | PCIe-17841R |
| كابل مجلس RIO التناظري | الأدوات الوطنية | SCH68M-68F-RMIO | كابل رقمي |
| RIO Board | Instruments National Instruments | # 191667-01 | SHC68-68-RDIO كابل رقمي لكتلة |
| المحطة التناظرية | الأدوات الوطنية | # 782536-01 | SCB-68A رفض الضوضاء ، كتلة موصل الإدخال / الإخراج المحمية |
| المحطة الطرفية الرقمية | الأدوات الوطنية | # 782536-01 | SCB-68A رفض الضوضاء ، موصل الإدخال / الإخراج المحمي |
| كتلة 24 موضع رف التتابع | قياس الحوسبة Corp. | SSR-RACK24 | لوحة خلفية لمرحل الحالة الصلبة (مرحلات من نوع Gordos / OPTO-22) ، 24 قناة |
| DC | Switch Measurement Computing Corp. | SSR-ODC-05 | وحدة ترحيل الحالة الصلبة ، مفردة ، مفتاح التيار المستمر ، 3 إلى 60 فولت تيار مستمر @ 3.5 أمبير |
| DC | Sense Measurement Computing Corp. | الصلبة SSR-IDC-05 | ، مفردة ، إحساس التيار المستمر ، 3 إلى 32 فولت تيار مستمر |
| مزود طاقة | BK Precision | 1671A | ثلاثي الإخراج 30 فولت ، 5A شاشة رقمية DC لإمدادات الطاقة |
| DC كريات السكر | Serv | F0023 | Dust Precision Pellets ، 45 مجم ، سكروز (بدون نكهة) |
| LabVIEW | Instruments | LabVIEW 2014 SP1 ، إصدارات 64 و 32 بت | مطلوب LabVIEW 64 بت للوصول إلى ذاكرة كافية لدفق مقاطع الفيديو ، ولكن يجب إجراء ترميز FPGA في برنامج |
| MATLAB | Mathworks | Matlab R2019a | مكتوب في Matlab ويتطلب صندوق أدوات Computer |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن