自动化大鼠单颗粒抓取任务结合爪和指轨迹的三维重建

该方法在已建立的大鼠技能性抓取实验方案基础上，实现了训练和测试的自动化，能够高效、快速地获取大量数据集。该方法最大限度地减少了实验人员的工作量，同时允许对前肢运动学进行三维重建。这些运动学数据可用于评估精确时间干预的效果，或与生理记录数据进行相关性分析。

经过一些调整后，该技术也可应用于小鼠。首先打开光源，将大鼠放入技能性抓取装置中。使用镊子通过盒子前方的抓取槽固定一粒食物丸。

让大鼠从镊子中取食三粒食丸。当下一次大鼠试图从镊子中取食时，将食丸拉回，并重复此操作，直至大鼠在11次取食动作中，有超过半数（最多次数）使用同一只前爪取食，以确定其利爪。随后，将食丸递送杆与大鼠利爪对侧的取食槽边缘对齐。

将食丸放在递送杆上，然后用镊子以食丸引诱大鼠，但引导大鼠朝向递送杆，使其前爪触碰到杆上的食丸。当大鼠在未被引诱的情况下尝试向递送杆抓取10次后，将其推进至下一阶段。

接下来，根据大鼠的前爪偏好放置食丸递送杆，并将其设置为位置二。使用执行器遥控器设置食丸递送杆的高度位置。当递送杆到达正确高度后，按住所需数字直至指示灯红灯闪烁，以完成设置。

然后将大鼠放入实验箱内，并用食丸引诱大鼠移动至后方。当大鼠向箱后部移动足够远，足以触发红外光束（若使用自动化程序运行时）时，将食丸递送杆移至位置三。最后，等待大鼠伸手取食丸，随后将食丸递送杆移回位置二。

如果颗粒掉落，请在递送杆上放置一个新的颗粒。重复这些步骤，逐渐减少对大鼠的诱饵引导，直至大鼠开始出现以下两种行为：一、无需诱饵即可主动移动到后方请求颗粒；二、在后方请求颗粒后立即返回前方。当大鼠连续完成此行为10次后，开始进行自动化任务的训练。

为了设置自动化系统，打开舱内灯光并重新填充颗粒储槽。根据大鼠前爪的偏好调整颗粒递送杆的位置。检查执行器的位置是否已正确设置。

接下来，打开计算机并启动熟练抓取程序。在“受试者”栏下输入大鼠编号，并从手部下拉菜单中选择前爪偏好。指定视频的保存路径。

然后设置会话时间以及最大视频数量。同时设置离心管提升持续时间，并启用早期抓取惩罚功能。接下来，为了获取校准图像，将辅助手放置于抓取室内，并将鳄鱼夹穿过抓取槽。

将立方体置于抓取槽前方，并用鳄鱼夹固定。然后调整立方体的位置，使红色面出现在上方镜面中，绿色面出现在左侧镜面中，蓝色面出现在右侧镜面中。在行为分析程序中，确保将感兴趣区域（ROI）阈值设置为一个非常大的值。

单击运行按钮，当相机初始化按钮变为绿色后，按“开始”以启动视频采集。单击“校准模式”（Cal Mode），然后单击“拍摄校准图像”（Take Cal Image）以获取图像。轻微移动立方体，然后拍摄另一张图像。

重复上述步骤，共获取三幅图像。最后，单击“停止”结束程序，然后单击停止标志按钮。从盒子中取出辅助手和立方体。

当天完成校准图像采集后，注意不要触碰行为实验箱中的任何物品。首先，将大鼠放入熟练抓取实验箱中。点击白色箭头以运行程序。

然后通过调整x偏移量、y偏移量、感兴趣区域（ROI）宽度和ROI高度，设置用于足爪检测的ROI位置。将ROI定位在侧向镜中显示的足背部位，该部位应正对抓取槽，然后单击“开始”以启动程序。当大鼠未进行抓取动作时，调节低ROI阈值，直到实时ROI触发值在0和1之间波动为止。

然后将 ROI 阈值设置为在大鼠探鼻时显著高于实时 ROI 触发值，而在大鼠伸手时低于实时 ROI 触发值。调整至大鼠伸手时能够稳定触发视频记录，但在其通过狭缝探鼻时不会触发。监测前几次试验，以确保所有设置正常工作。

当大鼠在请求颗粒之前伸爪时，观察早期伸爪次数的增加。当大鼠在请求颗粒之后伸爪时，观察视频数量的增加，同时视频副本将保存为 bin 文件。最后，当达到实验时长或最大视频数量时，按下停止按钮。

结果表明，经过20天训练，大鼠能够掌握熟练的抓取任务。此处展示的是单次实验会话中的抓取运动轨迹。为便于呈现，仅显示前肢初始推进阶段的运动轨迹。

此外，如果爪部检测触发设置不准确，爪子穿过抓取槽时的帧数将存在显著变异，这可能导致在抓取动作过程中干预触发的时机出现不一致。除小心操作动物外，本方案中不采取其他预防措施。最重要的是正确设置感兴趣区域（ROI）阈值，以确保视频记录或其他干预在适当的时间点被触发。

该方法可与多种其他技术联用，例如光遗传学、钙成像和遗传模型，可用于研究从基本运动控制到运动障碍病理生理学等广泛问题。该技术能够将精细的抓取动作运动学数据与生理记录或干预措施进行关联，使研究人员不仅能够回答运动是否发生变化，还能阐明运动如何随着神经环路的改变而变化。