Progettazione e utilizzo di un apparatus per la presentazione di oggetti afferbenati nell'area di lavoro 3D
8 agosto 2019
Presentato qui è un protocollo per costruire un apparato automatico che guida una scimmia per eseguire il compito flessibile reach-to-grasp. L'apparecchio combina un dispositivo di traslazione 3D e una tabella di tornitura per presentare più oggetti in una posizione arbitraria nello spazio 3D.
Il principio neurale alla base della portata e della comprensione è stato ampiamente studiato negli ultimi decenni, tuttavia, pochi dispositivi sono stati sviluppati per consentire una combinazione flessibile di entrambi i movimenti in un'unica attività. Accoppiando un tavolo di tornitura personalizzato con un dispositivo trasmittazionale tridimensionale, il nostro apparecchio consente una combinazione sperimentale di più posizioni nello spazio tridimensionale e oggetti di forma diversa in ogni posizione. Il nostro apparato fornisce una preziosa piattaforma per studiare la funzione degli arti superiori e i loro principi neurali sottostanti.
Può anche facilitare la ricostruzione simultanea dei movimenti di raggiungimento e presa nell'interfaccia cervello-macchina. Inizia fissando due guide Y sulla superficie superiore del telaio in parallelo, fissando i piedistalli alla superficie superiore con viti. Quindi, collegare due guide Y con un albero di collegamento e due attacchi a membrana.
Stringere le slive di bloccaggio degli accoppiamenti per sincronizzare gli alberi delle due rotaie. Mettere sei dadi nelle scanalature posteriori della guida Z e attaccare un lato del telaio del triangolo rettangolo sul retro della rotaia Z con viti. Tirare il telaio del triangolo fino all'estremità che è distale all'albero e stringere le viti.
Attaccare l'altro telaio del triangolo rettangolo all'altra rotaia Z nello stesso modo. Fissare gli altri lati angolati retto dei due telai triangolari ai cursori delle due guide Y con viti. Successivamente, collegare le due rotaie Z con un albero di collegamento e attacchi a membrana e stringere le slive di bloccaggio dell'accoppiamento.
Attaccare le due schede di collegamento a forma di T sul retro della rotaia X con dadi e viti. Quindi, tirare le due tavole a forma di T alle due estremità del binario X e stringere le viti. Fissare le due schede di collegamento a forma di T sui cursori delle due guide Z con viti.
Inserire il motore di passo nel foro dell'albero del riduttore di ingranaggi e avvitare le flange insieme. Infine, avvitare l'anello di collegamento all'estremità dell'albero della rotaia X. Inserire l'albero del riduttore di ingranaggi nell'accoppiamento e avvitare il riduttore dell'ingranaggio all'anello di collegamento.
Stringere la svita di bloccaggio dell'accoppiamento. Inizia posizionando i sensori touch nella scanalatura del corpo dell'oggetto e attaccali alle aree di tocco predefinite con nastro a doppia lato. Passare i fili attraverso il foro del backboard dell'oggetto e fissare il coperchio sul corpo dell'oggetto con viti.
Quindi, passare i fili attraverso i fori ai lati del rotatore e avvitare gli oggetti sul rotatore. Saldare le estremità del filo dei sensori a sfioramento alle estremità del filo rotante dell'anello di scorrimento elettrico e avvolgere i giunti con nastro elettrico. Avvitare la custodia sul cursore della guida X.
Posizionare il cuscinetto nel foro inferiore della scatola. Quindi, mettere il rotatore nella custodia da destra e passare i fili dell'anello di scorrimento elettrico attraverso il foro superiore della custodia. Quindi, inserire l'albero metallico nel cuscinetto dal foro superiore della custodia e adattare la chiave dell'albero alla chiave del rotatore.
Impostare l'anello di scorrimento elettrico attorno all'albero metallico. Posizionare l'estremità della barra di localizzazione nella tacca dell'anello di scorrimento elettrico per evitare che l'anello esterno rota. Inserire l'albero del motore di passo nel foro dell'albero metallico e fissare il motore sulla parte superiore della scatola con viti.
Attaccare un LED tricolore sul lato anteriore della custodia con nastro adesivo. Infine, avvitare la credenza destra sulla custodia. Inserire i fili di controllo dei sensori stepping, LED e touch nelle porte digitali di una scheda di acquisizione dati.
Per inizializzare il dispositivo di traslazione tridimensionale e la tabella di tornitura, tirare i dispositivi di scorrimento di tutte le guide di scorrimento lineari fino al punto di partenza e ruotare il primo oggetto della tabella di tornitura per affrontare il lato anteriore della tabella di tornitura. Immettere quindi le coordinate di tutte le posizioni di una matrice in un documento di testo. Assicurarsi che ogni riga includa le coordinate X, Y e Z di una posizione separata da uno spazio e quindi salvare il documento.
Quindi, aprite il software paradigmatico, fate clic su Apri file nel pannello Pool e selezionate il documento di testo per caricare le posizioni di presentazione nel software paradigmatico. Controllare gli oggetti da presentare nell'esperimento nel pool di oggetti del software paradigmatico. Quindi, regolare i parametri sperimentali nel pannello Parametri tempo del software paradigmatico.
Impostare la linea di base a 400 millisecondi, Motor Run è uguale a 2000 millisecondi, Planning è uguale a 1000 millisecondi, il tempo massimo di reazione è uguale a 500 millisecondi, il tempo massimo di copertura è uguale a 1000 millisecondi, il tempo di attesa minimo è uguale a 500 millisecondi, la ricompensa è uguale a 60 millisecondi e il segnale di errore è uguale a 1000 millisecondi. Quindi, fissare la sedia scimmia al telaio da costruzione in alluminio. Fissare tre marcatori riflettenti all'estremità del braccio con nastro a doppia mano.
Assicurarsi che i tre marcatori formino un triangolo scaleno. Quindi, nel software paradigmatico, fare clic su Esegui per avviare l'attività. Fate clic sul tasto RECORD sul pannello motion capture del software Cortex per registrare le traiettorie dei tre marcatori per 60 secondi quando la scimmia sta eseguendo l'attività.
Fate clic sul tasto STOP per terminare l'esperimento. Creare un modello di tracciamento dei tre marcatori sul software utilizzando le traiettorie registrate e salvare il modello. Quindi, collegare il filo di terra dell'amplificatore front-end al terreno dell'array di microelettrodi, che viene impiantato nella corteccia motoria della scimmia.
Inserire le fasi della testa nel connettore dell'array di microelettrodi. Aprire il software Centrale del sistema di acquisizione del segnale neurale. Aprire il software di sincronizzazione.
Fare clic sui tre pulsanti di connessione nei pannelli Cerebus, Motion Capture e Paradigm per collegare il software di sincronizzazione rispettivamente con il sistema di acquisizione del segnale neurale, il sistema di acquisizione del movimento e il software paradigmatico. Infine, fai clic sul pulsante Esegui del software paradigmatico per ricominciare l'attività, seguito dal pulsante Registra sul pannello Archiviazione file del software centrale per iniziare a registrare i segnali neurali. Controllare il modello di tracciamento salvato e fare clic sul pulsante RECORD sul pannello di acquisizione del movimento del software Cortex per iniziare a registrare la traiettoria del polso della scimmia.
La traiettoria del polso durante la fase di raggiungimento in tutte le prove di successo è stata estratta e divisa in otto gruppi in base alle posizioni target. Le estremità di otto gruppi di traiettoria formano un cuboide, che ha le stesse dimensioni dell'area di lavoro cuboide predefinita. Qui, l'istogramma a tempo peristimolo mostra due neuroni di esempio che si sintonizzano sia raggiungendo la posizione che gli oggetti.
Il neurone in alto mostra una selettività significativa durante le fasi di raggiungimento e tenuta. Mentre il neurone sul fondo inizia a sintonizzare posizioni e oggetti dal centro della fase di corsa del motore. Poiché il software paradigmatico non è stato in grado di leggere le posizioni dei motori, è essenziale inizializzare la tabella di tornitura e il dispositivo traslazionale prima di ogni sessione.
Per controllare completamente quando il soggetto poteva vedere l'oggetto di destinazione e la sua posizione, un vetro commutabile poteva essere installato davanti all'apparecchio. Utilizzando il nostro apparato, è ora possibile studiare l'interazione neurale tra i movimenti di portata e presa, che può aiutare a decodificare contemporaneamente la traiettoria di portata e i tipi di presa.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la costruzione di un apparato automatico progettato per guidare scimmie nell'esecuzione di un compito di afferramento flessibile. L'apparato integra un dispositivo traslazionale 3D con un tavolo girevole, consentendo la presentazione di più oggetti in diverse posizioni all'interno dello spazio 3D.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Ricerca comportamentale
- Ingegneria
Sfondo
- La ricerca sui meccanismi neurali del raggiungimento e della presa è stata molto approfondita.
- Esistono pochi dispositivi che permettono combinazioni flessibili di questi movimenti all'interno di un'unica attività.
- L'integrazione di un tavolo girevole e di un dispositivo traslazionale 3D è una novità.
- Questo apparato può migliorare lo studio della funzione dell'arto superiore e delle sue basi neurali.
Scopo dello studio
- Sviluppare un dispositivo che consenta combinazioni prova per prova di posizioni e forme degli oggetti.
- Facilitare la ricostruzione simultanea dei movimenti di afferramento e raggiungimento.
- Fornire una piattaforma per lo studio delle interfacce cervello-macchina.
Metodi Utilizzati
- Costruzione dell'apparato utilizzando guide a Y e un albero di collegamento.
- Fissaggio della struttura con viti per garantire stabilità.
- Utilizzo di un tavolo girevole personalizzato per la presentazione dell'oggetto.
- Implementazione di un dispositivo traslazionale 3D per una maggiore flessibilità di movimento.
Risultati principali
- L'apparato consente con successo la manipolazione di oggetti nello spazio 3D.
- Permette lo studio dei movimenti dell'arto superiore in un ambiente controllato.
- Facilita la ricerca sui principi neurali del raggiungimento e dell'afferramento.
- Fornisce uno strumento prezioso per gli studi sulle interfacce cervello-macchina.
Conclusioni
- L'apparato sviluppato rappresenta un notevole progresso per la ricerca in neuroscienze.
- Offre nuove opportunità per comprendere il controllo motorio e i meccanismi neurali.
- Questo strumento può migliorare lo studio di compiti motori complessi nelle scimmie.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo apparato consente un preciso disaccoppiamento della cinematica di afferramento e raggiungimento nei modelli di primati, supportando l'identificazione meccanicistica delle ipotesi di controllo motorio del membro superiore. Permettendo la manipolazione indipendente dell'identità dell'oggetto e della posizione spaziale, aumenta la fiducia predittiva negli studi sulla codifica neurale rilevanti per lo sviluppo di interfacce cervello-macchina. La piattaforma colma un'importante lacuna negli strumenti di validazione preclinica per le neuroprotesi motorie, facilitando la continuità traslazionale dalla scoperta alla valutazione preclinica.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi della codifica neurale per il raggiungimento rispetto all'afferramento, dissociando l'identità dell'oggetto dalla posizione spaziale.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma riproducibile per testare ipotesi terapeutiche sulla funzione dei circuiti motori in modelli primati rilevanti per la malattia.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera letture quantitative delle traiettorie del polso e dei tipi di presa per una fenotipizzazione ad alta fedeltà dei deficit motori.
- Valore operativo: Favorisce la standardizzazione dei saggi mediante il controllo indipendente dal movimento della presentazione e della posizione dell'oggetto attraverso assi traslazionali e rotazionali sincronizzati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita lo studio dei principi neurali alla base della funzione dell'arto superiore, con rilevanza diretta per lo sviluppo di neuroprotesi motorie.
- Valore operativo: Consente l'acquisizione simultanea di segnali cinetici e neurali, supportando la valutazione di interventi per il recupero motorio allineati a biomarcatori.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
L'apparato si integra nei flussi di lavoro della biologia della scoperta consentendo la verifica di ipotesi sull'elaborazione corticale motoria, con output che alimentano l'identificazione di candidati per strategie neuromodulanti o riabilitative mirate alla funzione degli arti superiori.
- Biologia della scoperta: Supporta la chiarificazione dei percorsi e la riduzione del rischio biologico isolando i correlati neurali dei componenti di afferramento e raggiungimento nello spazio tridimensionale.
- Screening: Garantisce la prontezza del saggio mediante parametri cinetici quantificabili (traiettoria del polso) e misurazioni discrete dei tipi di presa ottenute da sensori tattili.
- Analisi: Consente analisi istogrammi peristimolo e clustering delle traiettorie per confrontare la modulazione neuronale in diverse posizioni e identità degli oggetti.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica attraverso l'applicabilità delle interfacce cervello-macchina, permettendo la decodifica simultanea della traiettoria di raggiungimento e dei tipi di presa.
- Riutilizzo aziendale: Progettato come piattaforma riconfigurabile per prove ripetute con diversi insiemi di oggetti e matrici spaziali, a sostegno di disegni sperimentali longitudinali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica negli studi sul controllo motorio consentendo la manipolazione indipendente dei parametri di afferramento e raggiungimento.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità mediante traslazione tridimensionale e rotazione dell'oggetto sincronizzate e azionate da motori, minimizzando la variabilità dipendente dall'operatore.
- Valore strategico: Migliora la sicurezza delle decisioni di esecuzione/astensione nei programmi di recupero motorio validando l'interazione con l'obiettivo attraverso parametri cinetici e letture neurali quantificabili.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce l'avanzamento mirato e proporzionato ai rischi di candidati neuromodulatori o riabilitativi fornendo evidenze precliniche di una modulazione dei circuiti motori specifica per l'obiettivo.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche nell'addestramento di primati, nei sistemi di acquisizione del movimento e nell'acquisizione di segnali neurali per un'implementazione efficace.
- È dipendente da componenti meccanici di precisione (slitte lineari, motori passo-passo, slip ring) e da protocolli di calibrazione per una posizionamento accurato in 3D.
- Necessita di una standardizzazione tra gruppi diversi, tra neuroscienziati, ingegneri e comportamentalisti, per una mappatura coerente degli oggetti e delle posizioni.
- L'adattamento a diversi sistemi modello può richiedere una scala adeguata dei componenti meccanici e della risoluzione dei sensori, in base alla cinematica specifica della specie.
- I limiti pratici includono la dipendenza da un addestramento efficace dei primati e la necessità di un'inizializzazione manuale del tavolo girevole e del dispositivo traslazionale prima di ogni sessione.
