Methodenartikel

Onderzoeken van Motor Skill Learning Processen met een Robotic Manipulandum

DOI:

10.3791/54970

⸱

12 februari 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Vascular Neurology and Rehabilitation, Department of Neurology, University Hospital Zurich, 2Rehabilitation Engineering Laboratory, Department of Health Sciences and Technology, ETH Zurich

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een paradigma is gepresenteerd voor de opleiding en de analyse van een geautomatiseerde geschoolde bereiken taak bij ratten. Analyse van het trekken van pogingen onthult verschillende deelprocessen van motorisch leren.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt in studies van motorische vaardigheden leren en motorische functie onder gezonde en pathologische omstandigheden, maar kan tijdrovend en dubbelzinnig te kwantificeren dan eenvoudige slagingspercentages zijn. Hier beschrijven we de training procedure voor het bereik-en-pull taken met ETH Pattus, een robot platform voor geautomatiseerde voorpoot bereiken training die platen te trekken en met de hand draaien bewegingen bij ratten. Kinematische kwantificering van de uitgevoerde trekken pogingen onthult de aanwezigheid van verschillende tijdelijke profielen verkeer parameters zoals het trekken snelheid ruimtelijke variabiliteit van de trekkende traject afwijking van middellijn, en trekken succes. We laten zien hoe kleine aanpassingen in de opleiding paradigma leiden tot veranderingen in deze parameters, waaruit hun relatie tot problemen, algemene motorische functie of geschoolde taakuitvoering taak. In combinatie met elektrofysiologische, farmacologische en optogenetic technieken kan dit paradigma worden gebruiktom de mechanismen die ten grondslag liggen motorisch leren en geheugenvorming, evenals verlies en herstel van de functie (bijvoorbeeld na een beroerte) te verkennen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Motorische taken worden op grote schaal gebruikt om gedrags-en neurale veranderingen in verband met motorisch leren of om veranderingen in de motorische functie in de neurologische of farmacologische diermodellen beoordelen. Fijne motoriek kan moeilijk te kwantificeren bij knaagdieren, echter. Taken die handvaardigheid, zoals manipulatie van granen 1, 2 pasta, of zonnebloempitten 3 zijn gevoelig en hebben een uitgebreide training van het dier niet nodig. Hun voornaamste nadeel is dat deze taken leveren veelal kwalitatieve resultaten en kan moeilijk zijn eenduidig ​​scoren.

Geschoolde bereiken taken, zoals variaties van de interne pellet bereiken taak zijn eenvoudiger te kwantificeren 4, 5. Echter, kinematische factoren die de succesvolle uitvoering van deze taken ten grondslag liggen kan alleen worden afgeleid in beperkte mate en vereisen arbeidsintensieve beeld-voor-frame van video eenNALYSE.

Robotic apparaten zijn populairder geworden als middel om te kwantificeren aspecten van de voorpoot functie en motorische vaardigheden. Verschillende geautomatiseerde bereiken taken beschikbaar. De meeste nadruk op een aspect van een voorpoot beweging, zoals het trekken van een handvat langs een lineaire geleiding 6, 7, eenvoudige distale ledematen bewegingen 8 of pronatie en supinatie van de poot 9. Hoewel deze inrichtingen veelbelovend voor de analyse van motorische functie, ze geven alleen de complexe motorische acties uitgevoerd tijdens één pellet bereiken in beperkte mate.

Hier tonen we het gebruik van een drie-graden-van-vrijheid robotachtige apparaat, ETH Pattus, ontwikkeld voor de opleiding en beoordeling van de verschillende motorische taken bij ratten 10, 11. Het registreert vlakke en roterende beweging van rat voorpoot bewegingen binnen bereik, greep, entrekken taken die in het horizontale vlak uitgevoerd. Ratten interactie met de robot via een 6 mm diameter bolvormige handvat dat door een raam in het testen kooi (breedte: 15 cm, lengte: 40 cm, hoogte: 45 cm) kan worden bereikt en verhuisde in het horizontale vlak (duwen en trekken bewegingen) en geroteerd (pronatie-supinatie bewegingen). Zo stelt de rat te bewegingen die deze geëxecuteerd tijdens de conventionele single pellet bereiken taken onderling uit te voeren. Het venster is 10 mm breed en 50 mm ligt boven de kooivloer. De hendel bevindt zich 55 mm boven de vloer. Een schuifdeur blokkeert de toegang tot de handgreep tussen het bereiken van proeven en opent wanneer de robot zijn startpositie bereikt en sluit na een proefperiode is voltooid. Na een correct uitgevoerde beweging, ratten krijgen een voedselbeloning aan de andere zijde van de kooi testen.

De robot wordt via software en registreert output van 3 rotary encoders bij 1000 Hz, waardoor de positie en de of de handgreep in het horizontale vlak, en de rotatiehoek (voor details, zie referentie 11). De voor succesvol taak uitvoeren omstandigheden worden bepaald in de software voor elke trainingssessie (bijv minimaal vereiste afstand trekken en maximale afwijking van middellijn in een bereik-en-pull taak). Een eerste gestandaardiseerde referentiepositie van de handgreep is opgenomen met een vaste houder aan het begin van elke trainingssessie. Het verzoek wordt voor alle proeven in een sessie, garanderen een constante startpositie van de handgreep voor elk onderzoek. Constante positionering van de handgreep ten opzichte van het venster kooi wordt gewaarborgd door aanpassing van markeringen op de kooi en robot (figuur 1).

Video-opnamen van het bereiken van bewegingen worden opgenomen met behulp van een kleine high speed camera (120 frames / s, 640 x 480 resolutie). Een klein scherm in het oog van de camera toont de rat identificatienummer, trainingproef nummer en berechting resultaat (succes of mislukt). Deze video's worden gebruikt om vastgelegde resultaten verifiëren en de effecten bereiken bewegingen die het aanraken voorafgaan, trekken of roteren van de handgreep beoordelen.

Hier tonen we het gebruik van deze robot platform variaties van een bereik-en-pull taak. Deze taak kan worden opgeleid binnen een periode die vergelijkbaar is met andere deskundigen bereiken paradigma en reproduceerbare resultaten oplevert. We beschrijven een typische scholingsprotocol, evenals enkele van de belangrijkste uitvoerparameters. Bovendien laten we zien hoe kleine veranderingen in de gebruikte training protocol kan resulteren in gewijzigde tijdsverloop van behavioral resultaten die onafhankelijk deelprocessen binnen de motorische vaardigheden leerproces kan vertegenwoordigen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De experimenten hier gepresenteerde werden goedgekeurd door het Veterinair Bureau van het kanton Zürich, Zwitserland en werden volgens de nationale en institutionele regelgeving uitgevoerd.

1. Feeding Voorwaarden

LET OP: Alle trainingen worden uitgevoerd in het kader van een geplande voeden protocol.

  1. Voer de ratten 50 g / kg standaard voeding eenmaal per dag na de training voltooid. Deze hoeveelheid voedsel voldoende grote gewichtsverlies voorkomen (lichaamsgewicht> 90% vrij gevende gewicht), maar klein genoeg om reproduceerbare gedragsconditionering waarborgen. Weeg de ratten dagelijks om ervoor te zorgen hun lichaamsgewicht stabiel blijft.
    LET OP: Extra overnacht (10-12 uur) onthouden van voedsel kan nuttig zijn voor de eerste beloning keer sessie (stap 2.3) zijn.

2. Training Procedure voor een Reach-and-pull Task

  1. Bereiding: Laat de ratten te wennen aan hun nieuwe huis kooien voor op least een week na aankomst in het dier faciliteit. Behandel de ratten regelmatig tijdens deze tijd en geven stofvrij precisie pellets in de kooi aan de ratten wennen aan het nieuwe voer. Deze pellets worden gebruikt als beloning gehele trainingsprotocol.
  2. Gewenning: Plaats de ratten in het testen kooi voor 30-45 min en bieden 30-50 pellets in de voerbak, gemengd met poedervormige chow. Open en sluit het venster kooi en laat de pellet dispenser af en toe aan de ratten wennen aan hun sound.
    1. Herhaal dit voor 2-3 dagen.
  3. Beloning keer: Train de ratten de bolvormige greep raakt door het venster kooi en vervolgens naar de andere kant van de kooi een voedselbeloning halen.
    1. Pas de software-instellingen, zodat de handgreep ligt net buiten het raam testen kooi aan het begin van elke proef en breng het handvat met het midden van het venster kooi. Als de proeven succesvol zijn, dat wil zeggen </ Em>, zodra een lichte aanraking op het handvat (0,25 mm verplaatsing in elke richting) is gedetecteerd, klinkt er een geluidssignaal en een beloning is afgegeven. Classificeren onderzoeken als mislukt als er geen contact is geconstateerd 180 s na het venster wordt geopend.
    2. Zet de rat in de opleiding kooi. Prompt de rat te bereiken door het te laten drinken in een pellet gehouden in de buurt van de handgreep. Richt de rat aandacht aan het handvat en etensbak door te tikken op de kooi.
    3. Stop wordt gevraagd wanneer de rat onafhankelijk bereikt door het raam kooi en haalt de voedsel pellet.
    4. Doorgaan tot 100 trials (aanrakingen) zijn voltooid of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
    5. Continue training voor 3-4 dagen en beginnen met de volgende fase van de opleiding (stap 2.4) bij ratten binnen 30 minuten te bereiken 100 trials op 2 opeenvolgende dagen.
      LET OP: Niet te trainen deze stap. Het doel van de beloning-touch is om betrouwbare interactie tussen de rat en de robot te bereiken, zodat dit gedrag kan worden vormgegeven indaaropvolgende training.
  4. Gratis pull (FP): Train de ratten om uit te reiken en trek het handvat van de robot.
    1. Pas de software wijzigen zodat het handvat zich 18 mm van het raam aan het begin van elke test en moeten worden getrokken ten minste 10 mm onafgebroken een succesvolle proef. Er zijn geen zijdelingse beperkingen op het trekbeweging in dit stadium.
      1. Classificeren proef als mislukt wanneer de hendel niet voor 180 s na het venster verplaatst, wanneer de hendel wordt bewogen buiten de bereikbare werkruimte (meer dan 12 mm middellijn), of wanneer de ratten minder dan 10 mm heeft getrokken binnen 5 s na de eerste keer is gedetecteerd.
    2. Let op het aantal keren dat de linker- en rechterpoot worden gebruikt tijdens de eerste 20 proeven van de eerste sessie FP. De poot die in ten minste 80% van de proeven wordt geacht de voorkeur poot.
      LET OP: De Poot voorkeur kan al duidelijk in beloning-Touch sessies.
    3. Beweeg de hendel zijwaarts totdat deze is uitgelijnd met de rand van het venster te faciliteren trekken met de gewenste poot (dwz zet de robot 5 mm aan de linkerkant van het venster voor rechtshandige ratten en vice-versa).
      OPMERKING: Zet de hendel in precies dezelfde positie ten opzichte van de kooi voor alle volgende trainingen hiervoor rat. Verzeker exacte plaatsing merktekens op de muur kooi en de robot.
    4. Zet de rat in de opleiding kooi en trein tot 100 onderzoeken zijn afgerond of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
      OPMERKING: Als de rat niet ver genoeg reiken, prompt door te laten drinken in een pellet gehouden in de buurt van de handgreep. Ratten kunnen stoppen met proberen te trekken na herhaaldelijke mislukte pogingen. Tik op de kooi, laat ze grijpen voor pellets gehouden met een pincet of afzien van een pellet om hun motivatie te herstellen.
    5. Voor experimenten met alleen FP training, opleiding voort te zetten zoals beschreven in 2.4.
      NEETE: Typisch, 1-2 FP sessies nodig zijn om de overgang van beloning tintje aan SP (Straight Pull) opleiding te helpen. Het doel van deze FP sessies is om ratten wennen om uit te reiken, grijp en trek aan de hendel, in plaats van alleen maar aanraken. Net als bij beloning keer training, is het belangrijk om niet te over-trein als het doel is om de overgang naar een volgende training stap.
  5. Straight pull (SP): Train de ratten aan het handvat te trekken zonder af te wijken van meer dan 2 mm van de middellijn.
    OPMERKING: De middellijn wordt gedefinieerd ten opzichte van de beginpositie van de robot, niet het midden van het venster kooi. Zo zal een trekkende poging eindigt in het midden van het venster kooi leiden tot een trekkracht traject dat meer dan 2 mm middellijn afwijkt.
    1. Pas de software-instellingen, zodat alleen onderzoeken waarbij de trekbeweging niet wordt afgeweken van meer dan 2 mm van de middenlijn aan weerszijden worden beloond met een toon en een pellet. Houd alle andere parameters zoals beschreven in stap 2.4.
    2. Zet de rat in de opleiding kooi en trein tot 100 onderzoeken zijn afgerond of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
      LET OP: Ratten kunnen erg onrustig worden en stoppen met proberen te trekken na herhaaldelijke mislukte pogingen. Druk op de kooi om hun aandacht te leiden naar het bereiken taak laten grijpen pellet gehouden met een pincet of een pellet afzien hun motivatie herstellen.
    3. Voortzetting van de opleiding tot de ratten plateau prestaties te bereiken, of de stage in overeenstemming met het doel van een experiment aan te passen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier tonen we 3 varianten van een bereik-en pull-taak met behulp van mannelijke Long-Evans ratten (10-12 weken oud). In de vrije pull (FP) (N = 6) werden ratten getraind om greep de robot trekken gedurende 22 dagen zonder zijdelingse beperkingen. Dieren in de straight-pull 1 (SP1) groep (N = 12) werden getraind om de hendel te trekken zonder af te wijken van meer dan 2 mm van de middellijn. Deze dieren overgestapt rechtstreeks van beloning-touch (stap 2.3) naar straight-pull training (st...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt om motorische vaardigheden verwerven evenals aantasting van de motorische functie studeren onder pathologische omstandigheden 6. Betrouwbare en eenduidige analyse bereiken gedrag is essentieel voor de studie van cellulaire mechanismen die ten grondslag liggen motorische vaardigheden verwerven, alsmede neurofysiologische processen voor verlies en daaropvolgende herstel van de functie in diermodellen van neurologische ziekten. De hier gepresenteerde re...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd gesteund door de Zwitserse National Science Foundation, de Betty en David Koetser Foundation for Brain Research en de ETH Foundation.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
ETH PattusETH Pattus werd gemaakt door het Rehabilitation Engineering Laboratory van Prof. Gassert aan ETH Zürich. 
Trainingskooi De trainingskooi van plexiglas werd in eigen beheer gemaakt. 
PelletdispenserCampden Instruments80209
45-mg stofvrije precisiepelletsBio-ServF0021-J
GoPro Hero 3+ Silver Edition digitec.ch284528Kleine hogesnelheidscamera 
Klein displayAdafruit Industries#50, #661128 x 32 SPI OLED-display bestuurd via een Arduino Uno microcontroller en Labview software
LabVIEW 2012National Instruments776678-3513ETH Pattus is compatibel met meer recente Labview-versies. 
Matlab 2014bThe MathworksMLALL

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Irvine, K. -A., et al. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. JoVE. (46), (2010).
  2. Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).
  3. Kemble, E. D., Wimmer, S. C., Konkler, A. P. Effects of varied prior manipulatory or consummatory behaviours on nut opening, predation, novel foods consumption, nest building, and food tablet grasping in rats. Behav Proc. 8 (1), 33-44 (1983).
  4. Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behav Brain Res. 155 (2), 249-256 (2004).
  5. Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behav Brain Res. 41 (1), 49-59 (1990).
  6. Hays, S. A., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).
  7. Sharp, K. G., Duarte, J. E., Gebrekristos, B., Perez, S., Steward, O., Reinkensmeyer, D. J. Robotic Rehabilitator of the Rodent Upper Extremity: A System and Method for Assessing and Training Forelimb Force Production after Neurological Injury. J Neurotrauma. 33 (5), 460-467 (2016).
  8. Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: an automated method to measure forelimb speed in rodents. J Neurosci Meth. 214 (1), 52-61 (2013).
  9. Meyers, E., et al. The supination assessment task: an automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
  10. Lambercy, O., et al. Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents. Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).
  11. Vigaru, B. C., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 21 (5), 796-805 (2013).
  12. Klein, A., Sacrey, L. -A. R., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neurosci Biobehav Rev. 36 (3), 1030-1042 (2012).
  13. Gharbawie, O. A., Whishaw, I. Q. Parallel stages of learning and recovery of skilled reaching after motor cortex stroke: "Oppositions" organize normal and compensatory movements. Behav Brain Res. 175 (2), 249-262 (2006).
  14. Palmér, T., Tamtè, M., Halje, P., Enqvist, O., Petersson, P. A system for automated tracking of motor components in neurophysiological research. J Neurosci Meth. 205 (2), 334-344 (2012).
  15. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).
  16. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat. Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).
  17. Molina-Luna, K., et al. Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PloS one. 4 (9), (2009).
  18. VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. Long-Evans rats have a larger cortical topographic representation of movement than Fischer-344 rats: A microstimulation study of motor cortex in naı̈ve and skilled reaching-trained rats. Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).
  19. Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research. Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).
  20. Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex. J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).
  21. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size. Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Reach and Pull TaskKinematic QuantificationPulling VelocitySpatial VariabilityDeviation From MidlinePulling SuccessTraining ParadigmElectrophysiological Techniques

Gerelateerde artikelen