설치류 숙련된 도달은 일반적으로 손재주 기술을 연구하는 데 사용되지만 작업을 구현하고 행동을 분석하는 데 상당한 시간과 노력이 필요합니다. 우리는 모션 추적 및 도달 궤적의 3 차원 재구성과 도달 숙련 된 숙련 된 버전의 자동화 된 버전을 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
설치류 숙련된 도달은 일반적으로 손재주 기술을 연구하는 데 사용되지만 작업을 구현하고 행동을 분석하는 데 상당한 시간과 노력이 필요합니다. 숙련 된 도달의 여러 자동화 된 버전이 최근에 개발되었습니다. 여기서는 높은 프레임 속도(300fps)로 여러 각도에서 고화질 비디오를 녹화하는 동안 쥐에게 펠릿을 자동으로 제공하는 버전을 설명합니다. 발과 개별 숫자는 마커없는 포즈 추정을위한 기계 학습 알고리즘 인 DeepLabCut으로 추적됩니다. 이 시스템은 또한 생리학적 기록과 동기화되거나 생리학적 개입(예를 들어, 전기적 또는 광학적 자극)을 유발하는 데 사용될 수 있다.
서론
인간은 정밀하게 조정된 다중 조인트 및 숫자 움직임을 필요로 하는 움직임으로 정의된 손재주 기술에 크게 의존합니다. 이러한 기술은 구조적 병변 (예를 들어, 뇌졸중, 종양, 탈수초 병변), 신경 퇴행성 질환 (예를 들어, 파킨슨 병) 및 운동 기능 이상을 포함한 일반적인 중추 신경계 병리의 범위에 의해 영향을받습니다. 회로(예: 근긴장 이상). 따라서 중앙 모터 회로에서 손재주 기술을 배우고 구현하는 방법을 이해하면 많은 인구의 삶의 질을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 이러한 이해는 훈련 및 재활 전략을 최적화하여 건강한 사람들의 운동 성능을 향상시킬 가능성이 높습니다.
인간에 있는 손재주 기술의 근본적인 신경 회로를 해부하는 것은 동물 모형의 사용을 필요로 하는 기술적이고 윤리적인 고려에 의해 제한됩니다. 비인간 영장류는 일반적으로 인간에 그들의 모터 시스템 및 행동 레퍼토리의 유사성을 감안할 때손재주 사지 운동을 연구하기 위하여 이용됩니다 1. 그러나, 비 인간 영장류는 연구 과목및 유전 적 개입의 수를 제한, 긴 생성 시간과 비싸다. 더욱이, 비인간 영장류에 적용 가능한 신경 과학 적인 도구 상자는 인간에 대 한 보다 큰, 많은 최근 기술 발전은 사용할 수 없거나 영장류에서 크게 제한.
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프로토콜
여기에 설명된 동물 사용과 관련된 모든 방법은 미시간 대학의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)에 의해 승인되었습니다.
1. 도달 챔버 설정
참고: 장치의 세부 사항 및 다이어그램은 Ellens 외14를 참조하십시오. 부품 번호는 그림1을 참조합니다.
- 아크릴 시멘트와 결합 명확한 폴리 카보네이트 패널은 도달 챔버 (40cm 높이 에 의해 40cm 길이 로 폭 15cm)를 구축 (부분 #1). 한쪽 패널(부품 #2)에는 잠금 장치가 있는 힌지 도어(폭 18cm, 높이 15cm)가 있습니다. 쥐가 케이블에 묶이면 슬릿 (폭 5cm x 36cm 길이)을 챔버 천장에 잘라 (부분 #12). 바닥 패널은 18 구멍 (직경 1.75cm)(부분 #13)로 절단하고 챔버의 나머지 부분에 접착되지 않습니다.
- 적외선 센서(부품 #3)를 챔버 뒷면에서 4.5cm, 바닥에서 3.8cm 떨어진 측면 패널에 장착하고 정렬합니다. 동작 소프트웨어에는 적외선 빔이 끊어지지 않을 때 녹색인 표시기('IR Back')가 있고 빔이 파손될 때 빨간색입니다. ....
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결과
쥐는 1-2주 동안 도달 횟수와 정확도 모두에서 성능 고원을 이면 장치에 빠르게 적응하는 숙련된 도달 작업을 획득합니다(그림 5). 그림 6은 DeepLabCut으로 식별된 구조를 나타내는 샘플 비디오 프레임을 보여주고 그림 7은 단일 세션에서 중첩된 개별 도달 궤적을 보여줍니다. 마지막으로 그림8에서는 발 감지 트리거(단계 4.3.4-4.3.6)가 정확하게 설정되지 않은 경우 어떤 일이 발생하는지 설명합니다. 발이 도달 슬롯을 위반하는 프레임에는 상당한 가변성이 있습니다. 이것은 도달 운동학분석의 관점에서 중요한 문제가 아닙니다. 그러나, 그것은 내정간섭 (예를 들면, optogenetics)가 운동에 도달하는 도중 시작될 때에 있는 가변성으로 이끌어 낼 수 있었습니다.
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토론
설치류 숙련 된 도달은 운동 시스템 생리학 및 병리 생리학을 연구하는 표준 도구가되었다. 최소한의 감독으로 훈련 및 테스트, 3-D 발 및 숫자 궤적 재구성 (도달 중, 잡기 및 발 후퇴 중), 실시간 식별 : 우리는 허용 자동화 된 쥐 숙련 된 도달 작업을 구현하는 방법을 설명했습니다. 도달하는 동안 발을, 외부 전자 장치와 동기화. 그것은 생리학과 앞다리 운동학을 상관하거나 운동에 도달하는 동안 정확하게 시간 적 개입을 수행하는 데 적합합니다.
우리는 처음에이 디자인을보고이후 14,우리의 훈련 효율성은 쥐의 거의 100 %가 작업을 취득 할 수 있도록 개선되었습니다. 우리는 지속적으로 성공적인 교육으로 이어지는 몇 가지 중요한 요인을 확인했습니다. 기아에 의해 동기를 부여 하는 많은 작업으로, 쥐 는 신중 하 게 그들의 예상된 체중의 80-90%를 유지 하기 위해 칼로리 제한 기간 동안 모니터링 해야 합니다. 매일 쥐를 취급, 훈련 .......
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공개 사항
저자는 공개 할 것이 없다.
감사의 글
저자는 숙련 된 도달 작업에 대한 조언 카루네시 갠굴리와 그의 실험실에 감사하고 싶습니다, 그리고 알렉산더와 매켄지 매티스는 DeepLabCut 적응에 자신의 도움. 이 작품은 신경 질환과 뇌졸중의 국립 연구소에 의해 지원되었다 (부여 번호 K08-NS072183) 미시간 대학.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 투명 폴리카보네이트 패널 | TAP 플라스틱 | 주문 제작 (박스 디자인 참조) | |
| 적외선 소스/감지기 | Med Associates | ENV-253SD | 30" 범위 |
| 카메라 | Basler | acA2000-340kc | 2046 x 1086 CMV2000 340 fps 컬러 카메라 링크 |
| 카메라 렌즈 | 메가픽셀(컴퓨타) | M0814-MP2 | 2/3" 8mm f1.4 w/ 잠금 조리개 & 초점 |
| 카메라 케이블 | Basler | #2000031083 | 케이블 PoCL Camera Link SDR/MDR Full, 5 m - 데이터 케이블 |
| 미러 | 아마존 | ||
| 선형 액추에이터 | Concentrics | LACT6P | 선형 액추에이터 6" 스트로크 (공칭), 110 Lb Force, 12 VDC, 전위차계 |
| 펠릿 저장소/깔때기 | 포함 Amico (Amazon) | a12073000ux0890 | 6" 깔때기 |
| 가이드 튜브 | ePlastics | ACREXT.500X.250 | 1/2" OD x 1/4" ID Clear. 압출 플렉시글라스 아크릴 튜브 x 6ft 긴 |
| 펠릿 배달 막대 | ePlastics | ACRCAR.250 | 0.250" 직경 캐스트 아크릴 막대 (2' 길이) |
| 플라스틱 T 커넥터 | 미국 플라스틱 Corp | #62065 | 3/8" x 3/8" x 3/8" 호스 ID 블랙 HDPE 티 |
| LED 조명 | 조명 EVER | 4100066-DW-F | 12V 유연한 방수 LED 라이트 스트립, LED 테이프, 일광 화이트, 슈퍼 브라이트 300 유닛 5050 LED, 16.4Ft 5 M 스풀 |
| 라이트 백업 | ePlastics | ACTLNAT0.125X12X36 | 0.125 "x 12"x 36 "천연 아세탈 시트 |
| 광 확산 필름 | inventables | 23114-01.007x8.5x11 | ", 무광택 양면 |
| 캐비닛 및 다양한 사용자 정의 프레임 재료 | (Home Depot 등) | 3/4" 섬유판(각 구조의 치수는 프로토콜 참조) | |
| 어쿠스틱 폼 | 어 | 퍼스트 파이어플렉스 웨지 어쿠스틱 폼(2" 두께) | |
| 환기 팬 | 쿨러 마스터(아마존) | B002R9RBO0 | 라이플 베어링 컴퓨터 케이스 및 CPU용 80mm 무소음 냉각 팬 |
| 쿨러 캐비닛 도어 힌지 | Everbilt(Home Depot | #14609 | 연속 스틸 힌지(1.4" x 48") |
| 캐비닛 휠 | Everbilt (Home Depot | #49509 | 90 lb. 부하 등급 및 사이드 브레이크 캐비닛 도어 핸들이 있는 소프트 고무 스위블 플레이트 캐스터 |
| Everbilt (Home Depot | #15094 | 백색광 도어 풀 (4.5") | |
| 컴퓨터 | Hewlett Packard | Z620 | HP Z620 데스크탑 워크스테이션 |
| 카메라 링크 프레임 그래버 | National Instruments | #781585-01 | PCIe-1473 Virtex-5 LX50 Camera Link - 전체 |
| 다기능 RIO 보드 | National Instruments | #781100-01 | PCIe-17841R |
| 아날로그 RIO 보드 케이블 | National Instruments | SCH68M-68F-RMIO | 다기능 케이블 |
| 디지털 RIO 보드 케이블 | National Instruments | #191667-01 | SHC68-68-RDIO R 시리즈 |
| 아날로그 터미널 블록 | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A 노이즈 제거, 차폐 I/O 커넥터 블록 |
| 디지털 터미널 블록 | National Instruments | #782536-01 | SCB-68A 노이즈 제거, 차폐 I/O 커넥터 블록 |
| 24 위치 릴레이 랙 | Measurement Computing Corp. | SSR-RACK24 | 솔리드 스테이트 릴레이 백플레인 (Gordos/OPTO-22 유형 릴레이), 24채널 |
| DC 스위치 | Measurement Computing Corp. | SSR-ODC-05 | 솔리드 스테이트 릴레이 모듈, 단일, DC 스위치, 3-60 VDC @ 3.5 A |
| DC 감지 | 측정 컴퓨팅 Corp. | SSR-IDC-05 | 솔리드 스테이트 릴레이 모듈, 단일, DC 감지, 3-32 VDC |
| DC 전원 공급 장치 | BK Precision | 1671A | 트리플 출력 30V, 5A 디지털 디스플레이 DC 전원 공급 장치 |
| 설탕 펠릿 | Bio Serv | F0023 | 먼지없는 정밀 펠릿, 45 mg, 설탕 (무향) |
| LabVIEW | National Instruments | LabVIEW 2014 SP1, 64 및 32 비트 버전 | 비디오를 스트리밍하기에 충분한 메모리에 액세스하려면 64비트 LabVIEW가 필요하지만 FPGA 코딩은 32비트 LabVIEW에서 수행해야 합니다 |
| MATLAB | Mathworks | Matlab R2019a | 상자 보정 및 궤적 재구성 소프트웨어는 Matlab으로 작성되었으며 Computer Vision 도구 상자가 필요합니다 |
참고문헌
- Chen, J., et al. An automated behavioral apparatus to combine parameterized reaching and grasping movements in 3D space. Journal of Neuroscience Methods. , (2018).
- Sacrey, L. A. R. A., Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q.
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재인쇄 및 허가
