Entwurf und Verwendung eines Geräts zur Darstellung von Greifobjekten im 3D-Arbeitsbereich
8. August 2019
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.
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.
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Übersicht
In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Konstruktion einer automatischen Vorrichtung vorgestellt, die dafür ausgelegt ist, Affen bei der Durchführung einer flexiblen Greifaufgabe zu leiten. Die Vorrichtung kombiniert ein 3D-Translationsgerät mit einem Drehtisch und ermöglicht so die Präsentation mehrerer Objekte in unterschiedlichen Positionen im dreidimensionalen Raum.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Verhaltensforschung
- Technik
Hintergrund
- Die Forschung zu den neuronalen Mechanismen von Greif- und Reichbewegungen war umfangreich.
- Es existieren nur wenige Geräte, die flexible Kombinationen dieser Bewegungen in einer einzigen Aufgabe ermöglichen.
- Die Integration eines Drehtellers mit einem 3D-Translationsgerät ist neuartig.
- Dieses Gerät kann die Untersuchung der Funktion der oberen Extremität und ihrer neuronalen Grundlagen verbessern.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Vorrichtung, die versuchsweise Kombinationen von Objektpositionen und -formen ermöglicht.
- Vereinfachung der simultanen Rekonstruktion von Greif- und Erreichbewegungen.
- Schaffung einer Plattform zur Untersuchung von Gehirn-Maschinen-Schnittstellen.
Verwendete Methoden
- Aufbau der Apparatur mit Y-Schienen und einer Verbindungsachse.
- Stabilisierung der Struktur durch Befestigung mit Schrauben.
- Verwendung eines maßgeschneiderten Drehtischs zur Objektdarstellung.
- Einbindung einer 3D-Translationsvorrichtung für Bewegungsfreiheit.
Hauptergebnisse
- Die Vorrichtung ermöglicht erfolgreich die Manipulation von Objekten im dreidimensionalen Raum.
- Sie erlaubt die Untersuchung von Bewegungen der oberen Extremitäten in einer kontrollierten Umgebung.
- Erleichtert die Forschung zu den neuronalen Grundlagen von Reich- und Greifbewegungen.
- Bietet ein wertvolles Werkzeug für Studien zu Gehirn-Maschinen-Schnittstellen.
Schlussfolgerungen
- Die entwickelte Apparatur stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Neurowissenschaftsforschung dar.
- Sie bietet neue Möglichkeiten, motorische Kontrolle und neuronale Mechanismen zu verstehen.
- Dieses Werkzeug kann die Untersuchung komplexer motorischer Aufgaben bei Primaten verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Exemplarische Branchenrelevanz
Diese Vorrichtung ermöglicht eine präzise Entkopplung der Kinematik von Greifen und Erreichen in Primatenmodellen und unterstützt so die mechanistische Absicherung von Hypothesen zur motorischen Kontrolle der oberen Extremität. Durch die unabhängige Manipulation von Objektidentität und räumlicher Position erhöht sie die Vorhersagesicherheit bei Untersuchungen zur neuronalen Kodierung, die für die Entwicklung von Gehirn-Maschine-Schnittstellen relevant sind. Die Plattform schließt eine entscheidende Lücke bei präklinischen Validierungswerkzeugen für motorische Neuroprothetik und fördert die translationale Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Evaluation.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der neuronalen Kodierung von Greifen im Vergleich zu Reichweite, indem die Objektidentität von der räumlichen Position entkoppelt wird.
- Operativer Wert: Bietet eine reproduzierbare Plattform zur Überprüfung therapeutischer Hypothesen zur Funktion motorischer Schaltkreise in krankheitsrelevanten Primatenmodellen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Messungen der Handgelenkbewegungsbahn und der Griffart zur hochpräzisen Phänotypisierung motorischer Beeinträchtigungen.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Standardisierung von Assays durch motorunabhängige Steuerung der Objektdarstellung und -position über synchronisierte translatorische und rotatorische Achsen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der neuronalen Prinzipien, die der obere Extremitätenfunktion zugrunde liegen, mit direkter Relevanz für die Entwicklung motorischer Neuroprothesen.
- Operationaler Wert: Ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von kinematischen und neuronalen Signalen und unterstützt so die bewegungsbasierte Evaluierung von Maßnahmen zur Förderung der motorischen Genesung.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Vorrichtung lässt sich in Workflows der Entdeckungsbiologie integrieren, indem sie die Überprüfung von Hypothesen zur motorischen kortikalen Kodierung ermöglicht, wobei die Ergebnisse in die Identifizierung von Leitwirkstoffen für neuromodulatorische oder rehabilitative Strategien zur Verbesserung der oberen Extremitätenfunktion einfließen.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Aufklärung von Wirkwegen und die biologische Risikominimierung durch die Isolierung neuronaler Korrelate von Erreich- und Greifkomponenten im dreidimensionalen Arbeitsraum.
- Screening: Ermöglicht die Versuchstauglichkeit durch quantifizierbare kinematische Ausgaben (Handgelenkbewegungsbahn) und diskrete Messungen der Griffart mittels Berührungssensoren.
- Analytik: Ermöglicht Analysen mittels peristimulus Zeithistogrammen und Trajektorien-Clustering, um neuronale Abstimmungen über verschiedene Positionen und Objektidentitäten hinweg zu vergleichen.
- Translationale Forschung: Schafft Anschluss an die präklinische Kontinuität durch Anwendbarkeit in Brain-Machine-Interfaces und ermöglicht gleichzeitige Dekodierung von Erreich-Bewegungsbahnen und Griffarten.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Als umkonfigurierbare Plattform konzipiert, die wiederholte Versuche mit wechselnden Objektreihen und räumlichen Matrizen unterstützt und somit langfristige Studiendesigns ermöglicht.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten in Studien zur motorischen Steuerung, indem unabhängige Variationsmöglichkeiten für Parameter von Greif- und Reichbewegungen ermöglicht werden.
- Operativer Wert: Stellt Reproduzierbarkeit durch motorisch gesteuerte, synchronisierte 3D-Translation und Objektrotation sicher und minimiert so vom Experimentator abhängige Variabilität.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungssicherheit bei Go/No-Go-Paradigmen in Programmen zur motorischen Wiederherstellung, indem die Zielinteraktion durch quantifizierbare kinematische und neuronale Messgrößen validiert wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung neuromodulatorischer oder rehabilitativer Wirkstoffkandidaten, indem präklinische Belege für eine zielgerichtete Modulation motorischer Schaltkreise bereitgestellt werden.
Durchführungsaspekte
- Setzt Fachkenntnisse in der Primatentraining, Bewegungserfassungssystemen und neuronalen Signalerfassung für einen effektiven Einsatz voraus.
- Benötigt präzise mechanische Komponenten (Linearführungen, Schrittmotoren, Drehdurchführungen) und Kalibrierungsprotokolle für eine genaue 3D-Positionierung.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Teams hinweg – zwischen Neurowissenschaft, Ingenieurwesen und Verhaltensforschung – für eine konsistente Abbildung von Objekten und Positionen.
- Die Anpassung an verschiedene Modellsysteme kann eine Skalierung der mechanischen Komponenten und der Sensorauflösung erfordern, um sie an die spezies-spezifischen Kinematiken anzupassen.
- Zu den praktischen Einschränkungen zählen die Abhängigkeit von erfolgreichem Primatentraining sowie die Notwendigkeit einer manuellen Initialisierung des Drehtellers und des Translationsgeräts vor jeder Sitzung.
