3D 작업 공간에서 파악 가능한 개체를 표시하기 위한 장치 설계 및 사용
2019년 8월 8일
여기에 제시된 프로토콜은 원숭이가 유연한 도달-파악 작업을 수행하도록 안내하는 자동 장치를 구축하는 프로토콜입니다. 이 장치는 3D 번역 장치와 터닝 테이블을 결합하여 3D 공간에서 임의의 위치에 여러 객체를 표시합니다.
도달 범위와 손아귀에 근본적인 신경 원리는 지난 수십 년 동안 광범위하게 연구되었지만 한 가지 작업에서 두 움직임의 유연한 조합을 가능하게하기 위해 개발된 장치는 거의 없습니다. 사용자 지정 선삭 테이블을 3차원 번역 장치와 결합하여 3차원 공간에서 여러 위치와 각 위치에서 다른 모양의 물체를 시험적으로 조합할 수 있습니다. 우리의 장치는 상지 기능과 그 근본적인 신경 원리를 공부하는 귀중한 플랫폼을 제공합니다.
그것은 또한 도달 하 고 두뇌 기계 인터페이스에서 움직임을 파악의 동시 재구성을 촉진할 수 있습니다. 먼저 두 개의 Y 레일을 프레임의 위표면에 병렬로 고정하여 나사로 받침대를 상단 표면에 고정합니다. 그런 다음 연결된 샤프트와 두 개의 다이어프램 커플링과 두 개의 Y 레일을 연결합니다.
커플링의 자물쇠를 조이어 두 레일의 샤프트를 동기화합니다. Z 레일의 후면 홈에 6개의 너트를 넣고 오른쪽 삼각형 프레임의 한쪽을 나사로 Z 레일 의 뒷면에 부착합니다. 삼각형 프레임을 샤프트에 단면이 있는 끝까지 당기고 나사를 조입니다.
다른 오른쪽 삼각형 프레임을 다른 Z 레일에 동일한 방식으로 연결합니다. 두 삼각형 프레임의 다른 오른쪽 각도 면을 나사로 두 Y 레일의 슬라이더에 고정합니다. 다음으로 두 개의 Z 레일을 연결 축과 다이어프램 커플링과 연결하고 커플링의 잠금 장치를 조입니다.
두 개의 T 모양의 연결 보드를 X 레일 뒷면에 너트와 나사로 부착합니다. 그런 다음 두 개의 T 모양의 보드를 X 레일의 두 쪽 끝으로 당겨 나사를 조입니다. 두 개의 T 모양의 연결 보드를 나사로 두 Z 레일의 슬라이더에 고정합니다.
스테핑 모터를 기어 감속기의 샤프트 구멍에 삽입하고 플랜지를 함께 나사로 연결합니다. 마지막으로 연결 링을 X 레일의 샤프트 끝에 나사로 연결합니다. 기어 감속기의 샤프트를 커플링에 삽입하고 기어 감속기를 연결 링에 나사로 연결합니다.
커플링의 자물쇠를 조입니다. 먼저 터치 센서를 오브젝트 바디의 홈에 넣고 양면 테이프로 미리 정의된 터치 영역에 고정합니다. 오브젝트 백보드의 구멍을 통해 와이어를 전달하고 덮개판을 나사로 오브젝트 본체에 고정합니다.
그런 다음 회전기 측면의 구멍을 통해 와이어를 통과하고 오브젝트를 회전기 위에 나사로 연결합니다. 터치 센서의 와이어 끝을 전기 슬립 링의 회전 와이어 끝으로 납땜하고 전기 테이프로 조인트를 감쌉니다. 케이스를 X 레일의 슬라이더에 나사로 나사로 나사로 두습니다.
베어링을 상자 의 하단 구멍에 놓습니다. 다음으로, 회전터를 오른쪽에서 케이스에 넣고 케이스의 상단 구멍을 통해 전기 슬립 링의 와이어를 전달합니다. 그런 다음 케이스의 상단 구멍에서 베어링에 금속 샤프트를 삽입하고 샤프트 키를 회전자의 키웨이에 맞춥니다.
금속 샤프트 주위에 전기 슬립 링을 설정합니다. 위치 표시줄의 끝을 전기 슬립 링의 노치에 배치하여 외부 링이 회전하지 않도록 합니다. 스테핑 모터 샤프트를 금속 샤프트 구멍에 삽입하고 나사로 상자 상단의 모터를 고정합니다.
테이프로 케이스의 전면에 삼색 LED를 붙입니다. 마지막으로 오른쪽 사이드보드를 케이스에 나사로 끼우습니다. 스테핑 모터, LED 및 터치 센서의 제어 와이어를 데이터 수집 보드의 디지털 포트에 삽입합니다.
3차원 번역 장치 및 회전 테이블을 초기화하려면 모든 선형 슬라이드 레일의 슬라이더를 시작점으로 끌어당기고 턴테이블의 첫 번째 오브젝트를 회전 테이블의 전면을 향하도록 설정합니다. 다음으로 행렬의 모든 위치좌표를 텍스트 문서에 입력합니다. 각 행에 공백으로 분리된 한 위치의 X, Y 및 Z 좌표가 포함되어 있는지 확인하고 문서를 저장합니다.
그런 다음 패러다임 소프트웨어를 열고 풀 패널에서 파일 열기를 클릭하고 텍스트 문서를 선택하여 프레젠테이션 위치를 패러다임 소프트웨어에 로드합니다. 패러다임 소프트웨어의 오브젝트 풀에서 실험에 표시할 개체를 확인합니다. 그런 다음 패러다임 소프트웨어의 시간 매개 변수 패널에서 실험 매개 변수를 조정합니다.
기준선을 400밀리초로 설정하고, 모터 런은 2000밀리초, 계획 계획은 1000밀리초, 최대 반응 시간은 500밀리초, 최대 도달 시간은 1000밀리초, 최소 보류 시간은 500밀리초, 보상은 60밀리초, 오류 큐는 1000밀리초와 같습니다. 다음으로 원숭이 의자를 알루미늄 구조 프레임에 고정합니다. 양면 테이프로 팔 끝에 3개의 반사 마커를 부착합니다.
세 마커가 scalene 삼각형을 형성하는지 확인합니다. 그런 다음 패러다임 소프트웨어에서 실행을 클릭하여 작업을 시작합니다. 피질 소프트웨어의 모션 캡처 패널의 레코드 버튼을 클릭하여 원숭이가 작업을 수행할 때 60초 동안 세 마커의 궤적을 기록합니다.
STOP 버튼을 클릭하여 실험을 종료합니다. 기록된 궤적을 사용하여 소프트웨어에 세 개의 마커의 추적 템플릿을 빌드하고 템플릿을 저장합니다. 그런 다음, 원숭이의 모터 피질에 이식되는 마이크로 전광제 어레이의 지면에 프론트 엔드 앰프의 접지 와이어를 연결합니다.
헤드 스테이지를 미세 전극 어레이의 커넥터에 삽입합니다. 신경 신호 획득 시스템의 중앙 소프트웨어를 엽니다. 동기화 소프트웨어를 엽니다.
세레버스, 모션 캡처 및 패러다임 패널의 세 연결 버튼을 클릭하여 동기화 소프트웨어를 신경 신호 획득 시스템, 모션 캡처 시스템 및 패러다임 소프트웨어와 각각 연결합니다. 마지막으로 패러다임 소프트웨어의 실행 버튼을 클릭하여 작업을 다시 시작하고 중앙 소프트웨어의 파일 저장소 패널의 레코드 버튼이 신경 신호 녹음을 시작합니다. 저장된 추적 템플릿을 확인하고 피질 소프트웨어의 모션 캡처 패널의 기록 버튼을 클릭하여 원숭이손목의 궤적을 기록합니다.
모든 성공적인 시험에서 도달 단계 동안 손목의 궤적을 추출하고 대상 위치에 따라 8 그룹으로 나뉩니다. 8개의 궤적 그룹의 끝은 미리 정의된 큐비드 작업 공간과 동일한 크기를 가지는 큐비드를 형성합니다. 여기서, peristimulus 시간 히스토그램은 도달 위치와 물체를 모두 튜닝하는 두 가지 예뉴런을 나타낸다.
상단의 뉴런은 도달 및 유지 단계 동안 상당한 선택성을 보여줍니다. 하단의 뉴런이 모터 실행 단계의 중간에서 위치와 물체를 조정하기 시작하는 동안. 패러다임 소프트웨어가 모터의 위치를 읽을 수 없어서 각 세션 전에 터닝 테이블과 번역 장치를 초기화하는 것이 필수적입니다.
피사체가 대상 물체와 그 위치를 볼 수 있을 때 완전히 제어하기 위해 장치 앞에 스위치 유리를 설치할 수 있습니다. 우리의 장치를 사용하여, 도달과 손아귀 운동 사이의 신경 상호 작용을 연구하는 것이 가능, 이는 동시에 도달 궤적과 그립 유형을 디코딩하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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개요
이 기사는 원숭이가 유연한 닿기-잡기 작업을 수행하도록 안내하기 위해 설계된 자동 장치를 구성하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 장치는 3D 변환 장치와 회전 테이블을 통합하여 3D 공간 내 다양한 위치에서 여러 물체를 제시할 수 있습니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 행동 연구
- 공학
배경
- 닿기와 잡기의 신경 메커니즘에 대한 연구가 광범위하게 이루어졌습니다.
- 이러한 동작을 단일 작업에서 유연하게 결합할 수 있는 장치는 거의 없습니다.
- 회전 테이블과 3D 변환 장치의 통합은 참신합니다.
- 이 장치는 상지 기능 및 그 신경 기반에 대한 연구를 강화할 수 있습니다.
연구 목적
- 물체 위치와 모양을 시험 단위별로 결합할 수 있는 장치를 개발하는 것.
- 닿기와 잡기 동작의 동시 재구성을 용이하게 하는 것.
- 뇌-기계 인터페이스 연구를 위한 플랫폼을 제공하는 것.
사용된 방법
- Y 레일과 연결 샤프트를 사용한 장치 구성.
- 안정성을 위한 나사로 구조물을 고정.
- 물체 제시를 위한 사용자 정의 회전 테이블의 활용.
- 움직임 유연성을 위한 3D 변환 장치의 구현.
주요 결과
- 장치는 3D 공간에서 물체를 조작할 수 있게 합니다.
- 통제된 환경에서 상지 운동을 연구할 수 있게 합니다.
- 닿기와 잡기의 신경 원리에 대한 연구를 용이하게 합니다.
- 뇌-기계 인터페이스 연구를 위한 귀중한 도구를 제공합니다.
결론
- 개발된 장치는 신경과학 연구에 중요한 발전입니다.
- 운동 제어 및 신경 메커니즘을 이해하기 위한 새로운 기회를 제공합니다.
- 이 도구는 영장류의 복잡한 운동 작업 연구를 강화할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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.
