تصميم واستخدام جهاز لعرض كائنات قابلة للاستيعاب في مساحة عمل ثلاثية الأبعاد
أغسطس 8, 2019
يعرض هنا بروتوكول لبناء جهاز تلقائي يوجه القرد لأداء مهمة مرنة الوصول إلى قبضة. يجمع الجهاز بين جهاز ترجمة ثلاثي الأبعاد وطاولة تحويل لتقديم كائنات متعددة في وضع عشوائي في مساحة ثلاثية الأبعاد.
وقد تمت دراسة المبدأ العصبي الكامنة في الوصول وفهم على نطاق واسع في العقود الماضية، ومع ذلك، تم تطوير عدد قليل من الأجهزة لتمكين مزيج مرن من كل من الحركات في مهمة واحدة. من خلال اقتران طاولة تحول مخصصة مع جهاز 3-الأبعاد ترجمة، جهازنا تمكين مزيج من المحاكمة الحكيمة من مواقف متعددة في الفضاء 3 الأبعاد، وكائنات على شكل مختلف في كل موقف. يوفر جهازنا منصة قيمة لدراسة وظيفة الأطراف العليا ومبادئها العصبية الأساسية.
كما قد يسهل إعادة البناء المتزامنة للوصول إلى الحركات واستيعابها في واجهة بين الدماغ والآلة. تبدأ من خلال تحديد اثنين من القضبان Y على السطح العلوي من الإطار في موازاة، عن طريق تأمين الرواد إلى السطح العلوي مع مسامير. ثم، ربط اثنين من القضبان Y مع رمح ربط واثنين من اقترانات الحجاب الحاجز.
تشديد lockscrews من اقترانات لمزامنة مهاوي القضبان اثنين. وضع ستة المكسرات في الأخادق الخلفي للسكك الحديدية Z وإرفاق جانب واحد من الإطار المثلث الأيمن إلى الجزء الخلفي من السكك الحديدية Z مع مسامير. سحب إطار المثلث إلى النهاية التي هي قعة إلى رمح وتشديد مسامير.
إرفاق إطار المثلث الأيمن الآخر إلى السكك الحديدية Z الأخرى في نفس الطريق. إصلاح الجانبين الأخرى الزاوية اليمنى من الإطارات مثلث اثنين إلى المتزلجون من اثنين من القضبان Y مع مسامير. المقبل، وربط اثنين من القضبان Z مع رمح ربط والاقترانات الحجاب الحاجز، وتشديد lockscrews من اقتران.
إرفاق اثنين من تي لوحات ربط على شكل إلى الجزء الخلفي من السكك الحديدية X مع المكسرات والمسامير. ثم، سحب اثنين من لوحات تي على شكل إلى طرفي السكك الحديدية X وتشديد مسامير. إصلاح اثنين من تي لوحات على شكل ربط المتزلجون من القضبان Z اثنين مع مسامير.
إدراج المحرك خطوة في فتحة رمح من المخفض والعتاد، والمسمار الشفاه معا. وأخيرا ، المسمار حلقة ربط إلى نهاية رمح من السكك الحديدية X. إدراج رمح من المخفض الترس في اقتران، والمسمار المخفض للعتاد إلى حلقة الاتصال.
تشديد الأقفال من اقتران. تبدأ عن طريق وضع أجهزة استشعار تعمل باللمس في الأخدود من الجسم الكائن والتمسك بها على مناطق اللمس محددة مسبقا مع الشريط على الوجهين. تمرير الأسلاك من خلال ثقب من اللوح الخلفي الكائن وإصلاح اللوح على الجسم الكائن مع مسامير.
ثم، تمرير الأسلاك من خلال الثقوب على جانبي الدوار، والمسمار الكائنات على الدوار. لحام ينتهي السلك من أجهزة الاستشعار التي تعمل باللمس إلى نهايات السلك الدوارة من حلقة زلة الكهربائية، والتفاف المفاصل مع الشريط الكهربائي. المسمار القضية إلى المنزلق من السكك الحديدية X.
وضع واضعة في حفرة أسفل من مربع. المقبل، ووضع الدوار في القضية من اليمين وتمرير أسلاك حلقة زلة الكهربائية من خلال ثقب أعلى من القضية. ثم، أدخل رمح معدني في تحمل من ثقب أعلى من القضية، وتناسب مفتاح رمح إلى الطريق الرئيسي من الدوار.
تعيين حلقة زلة الكهربائية حول رمح معدني. ضع نهاية شريط تحديد الموقع في درجة حلقة الانزلاق الكهربائي لمنع الحلقة الخارجية من الدوران. إدراج رمح محرك يخطو في ثقب رمح معدني، وإصلاح المحرك على الجزء العلوي من مربع مع مسامير.
عصا ثلاثية الألوان الصمام على الجانب الأمامي من القضية مع الشريط. وأخيرا، المسمار الجانب الأيمن على القضية. أدخل أسلاك التحكم في المحركات الداسرة، وأجهزة استشعار LED، وأجهزة استشعار اللمس في المنافذ الرقمية للوحة الحصول على البيانات.
لتهيئة الجهاز التحويلي ثلاثي الأبعاد وجدول الدوران، اسحب أشرطة التمرير لجميع قضبان الشريحة الخطية إلى نقطة البداية، ثم قم بتشغيل الكائن الأول من جدول الدوران لمواجهة الجانب الأمامي من جدول الدوران. بعد ذلك، أدخل إحداثيات كافة المواضع في مصفوفة في مستند نصي. تأكد من أن كل صف يتضمن إحداثيات س و ص و Z من موضع واحد مفصولة بمسافة ثم حفظ المستند.
ثم افتح برنامج النموذج، وانقر فوق فتح ملف في لوحة التجمع، وحدد المستند النصي لتحميل مواضع العرض التقديمي في برنامج النموذج. تحقق من الكائنات التي يتم عرضها في التجربة في "تجمع الكائنات" لبرنامج النموذج. ثم، ضبط المعلمات التجريبية في لوحة المعلمات الوقت من برنامج نموذجي.
تعيين خط الأساس في 400 ميلي ثانية، محرك تشغيل يساوي 2000 ميلي ثانية، التخطيط يساوي 1000 ميلي ثانية، أقصى وقت التفاعل يساوي 500 ميلي ثانية، أقصى وقت الوصول يساوي 1000 ميلي ثانية، دقيقة وقت الانتظار يساوي 500 ميلي ثانية، مكافأة يساوي 60 مللي ثانية، و رمز الخطأ يساوي 1000 مللي ثانية. بعد ذلك، إصلاح كرسي إلى إطار البناء الألومنيوم. إرفاق ثلاث علامات عاكسة في نهاية الذراع مع الشريط من جانبين.
تأكد من أن العلامات الثلاثة تشكل مثلث مقياس. ثم، في برنامج النموذج، انقر فوق تشغيل لبدء المهمة. انقر فوق الزر RECORD على لوحة التقاط الحركة لبرنامج Cortex لتسجيل مسارات العلامات الثلاثة لمدة 60 ثانية عندما يقوم القرد بالمهمة.
انقر على الزر STOP لإنهاء التجربة. بناء قالب تتبع من علامات الثلاثة على البرنامج باستخدام المسارات المسجلة وحفظ القالب. ثم، ربط الأسلاك الأرضية من مكبر للصوت الواجهة الأمامية إلى الأرض من مجموعة microelectrode، الذي يتم زرعه في القشرة الحركية للقرد.
أدخل مراحل الرأس في موصل صفيف microelectrode. افتح البرنامج المركزي لنظام الحصول على الإشارة العصبية. افتح برنامج المزامنة.
انقر فوق أزرار الاتصال الثلاثة في لوحات Cerebus و Motion Capture و Paradigm لتوصيل برنامج المزامنة بنظام اكتساب الإشارة العصبية ونظام التقاط الحركة وبرنامج النموذج على التوالي. وأخيراً، انقر فوق زر تشغيل برنامج النموذج لبدء المهمة مرة أخرى، متبوعاً بزر تسجيل على لوحة تخزين الملفات من البرنامج المركزي لبدء تسجيل الإشارات العصبية. تحقق من قالب التتبع المحفوظ وانقر على زر التسجيل في لوحة التقاط الحركة لبرنامج Cortex لبدء تسجيل مسار معصم القرد.
تم استخراج مسار المعصم خلال مرحلة الوصول في جميع التجارب الناجحة وتقسيمه إلى ثماني مجموعات استنادًا إلى المواقع المستهدفة. تشكل نهايات ثماني مجموعات من المسار مكعب، الذي له نفس حجم مساحة العمل التكعيبية المعرفة مسبقًا. هنا، يظهر الرسم البياني الزمني peristimulus الوقت اثنين من الأمثلة الخلايا العصبية ضبط كل من الوصول إلى الموقف ويظهر الكائنات.
تظهر العصبونات على القمة انتقائية كبيرة خلال مراحل الوصول والقابضة. في حين أن الخلايا العصبية في الجزء السفلي يبدأ لضبط المواقف والكائنات من منتصف مرحلة تشغيل المحرك. بما أن برنامج النموذج لم يتمكن من قراءة مواضع المحركات ، فمن الضروري تهيئة طاولة الدوران والجهاز الترجمي قبل كل جلسة.
للسيطرة الكاملة عندما يمكن أن نرى الهدف الكائن وموقعه، يمكن تركيب زجاج قابل للتبديل أمام الجهاز. باستخدام أجهزتنا، أصبح من الممكن الآن دراسة التفاعل العصبي بين حركات الوصول والإمساك، والتي قد تساعد على فك شفرة مسار الوصول وأنواع القبضة في وقت واحد.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
النظرة العامة
يقدم هذا المقال بروتوكولًا لبناء جهاز أوتوماتيكي مصمم لتوجيه القردة في أداء مهمة مرنة من الوصول إلى الإمساك. يدمج الجهاز جهازًا ثلاثي الأبعاد للانتقال مع طاولة دوارة، مما يسمح بعرض عدة أشياء في مواقع مختلفة داخل الفضاء ثلاثي الأبعاد.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- البحث السلوكي
- الهندسة
الخلفية
- كانت الأبحاث حول الآليات العصبية للوصول والإمساك واسعة النطاق.
- قليل من الأجهزة تسمح بتركيبات مرنة لهذه الحركات في مهمة واحدة.
- دمج طاولة دوارة وجهاز نقل ثلاثي الأبعاد أمر جديد.
- يمكن لهذا الجهاز تعزيز دراسة وظيفة الطرف العلوي وأساساته العصبية.
هدف الدراسة
- لتطوير جهاز يسمح بتركيبات تجربة لتجربة لمواقف وأشكال الأشياء.
- لتسهل إعادة البناء المتزامنة لحركات الوصول والإمساك.
- لتوفير منصة لدراسة واجهات الدماغ والآلة.
الطرق المستخدمة
- بناء الجهاز باستخدام قضبان Y ومخلّف اتصال.
- تأمين الهيكل باستخدام البراغي لضمان الثبات.
- استخدام طاولة دوارة مخصصة لعرض الأشياء.
- تنفيذ جهاز نقل ثلاثي الأبعاد لمرونة الحركة.
النتائج الرئيسية
- الجهاز يسمح بنجاح بمعالجة الأشياء في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
- يمكنه دراسة حركات الطرف العلوي في بيئة خاضعة للرقابة.
- يسهل البحث في المبادئ العصبية للوصول والإمساك.
- يوفر أداة قيّمة لدراسات واجهات الدماغ والآلة.
الاستنتاجات
- الجهاز الذي تم تطويره هو تقدم مهم لأبحاث علم الأعصاب.
- يوفر فرصًا جديدة لفهم التحكم الحركي والآليات العصبية.
- يمكن لهذا الجهاز تعزيز دراسة المهام الحركية المعقدة في الرئيسيات.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This apparatus enables precise decoupling of reach and grasp kinematics in primate models, supporting mechanistic de-risking of upper limb motor control hypotheses. By allowing independent manipulation of object identity and spatial position, it enhances predictive confidence in neural encoding studies relevant to brain-machine interface development. The platform addresses a critical gap in preclinical validation tools for motor neuroprosthetics, facilitating translational continuity from discovery to preclinical evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of neural encoding for reach versus grasp by dissociating object identity from spatial position.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for testing therapeutic hypotheses on motor circuit function in disease-relevant primate models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative wrist trajectory and grip type readouts for high-fidelity phenotyping of motor impairments.
- Operational Value: Supports assay standardization through motor-independent control of object presentation and position via synchronized translational and rotational axes.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates study of neural principles underlying upper limb function with direct relevance to motor neuroprosthetic development.
- Operational Value: Enables simultaneous kinematic and neural signal acquisition, supporting biomarker-aligned evaluation of motor recovery interventions.
Pipeline & Workflow Integration
The apparatus integrates into discovery biology workflows by enabling hypothesis testing on motor cortical encoding, with outputs feeding into lead identification for neuromodulatory or rehabilitative strategies targeting upper limb function.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking by isolating neural correlates of reach and grasp components in 3D workspace.
- Screening: Delivers assay readiness via quantifiable kinematic outputs (wrist trajectory) and discrete grip type measurements from touch sensors.
- Analytics: Enables peristimulus time histogram and trajectory clustering analyses to compare neural tuning across positions and object identities.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through brain-machine interface applicability, allowing simultaneous decode of reach trajectory and grip types.
- Enterprise Reuse: Designed as a reconfigurable platform for repeated trials across varying object sets and spatial matrices, supporting longitudinal study designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in motor control studies by enabling independent variable manipulation of reach and grasp parameters.
- Operational Value: Ensures reproducibility through motor-driven, synchronized 3D translation and object rotation, minimizing experimenter-dependent variability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence in motor recovery programs by validating target engagement through quantifiable kinematic and neural readouts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement of neuromodulatory or rehabilitative candidates by providing preclinical evidence of target-specific motor circuit modulation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in primate training, motion capture systems, and neural signal acquisition for effective deployment.
- Dependent on precision mechanical components (linear slides, stepper motors, slip rings) and calibration protocols for accurate 3D positioning.
- Necessitates cross-team standardization between neuroscience, engineering, and behavior teams for consistent object and position mapping.
- Adaptation across model systems may require scaling of mechanical components and sensor resolution to match species-specific kinematics.
- Practical limitations include reliance on successful primate training and the need for manual initialization of turning table and translational device before each session.
