Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Podsumowanie

Przedstawiono paradygmat do treningu i analizy zautomatyzowanego zadania umiejętnego sięgania u szczurów. Analiza prób ciągnięcia ujawnia wyraźne podprocesy uczenia się motorycznego.

Streszczenie

Zadania z umiejętnością sięgania są powszechnie używane w badaniach nad uczeniem się umiejętności motorycznych i funkcji motorycznych w zdrowych i patologicznych warunkach, ale mogą być czasochłonne i niejednoznaczne do ilościowego określenia poza prostymi wskaźnikami sukcesu. W tym miejscu opisujemy procedurę treningową dla zadań typu reach-and-pull za pomocą ETH Pattus, platformy robotycznej do zautomatyzowanego treningu sięgania kończyn przednich, która rejestruje ruchy ciągnięcia i rotacji dłoni u szczurów. Kwantyfikacja kinematyczna wykonanych prób ciągnięcia ujawnia obecność odrębnych profili czasowych parametrów ruchu, takich jak prędkość ciągnięcia, zmienność przestrzenna trajektorii ciągnięcia, odchylenie od linii środkowej, a także sukces ciągnięcia. Pokazujemy, jak drobne korekty w paradygmacie treningu skutkują zmianami tych parametrów, ujawniając ich związek z trudnością zadania, ogólnymi funkcjami motorycznymi lub umiejętnym wykonywaniem zadań. W połączeniu z technikami elektrofizjologicznymi, farmakologicznymi i optogenetycznymi, paradygmat ten może być wykorzystany do badania mechanizmów leżących u podstaw uczenia się motorycznego i tworzenia pamięci, a także utraty i odzyskiwania funkcji (np. po udarze).

Wprowadzenie

Zadania motoryczne są powszechnie używane do oceny zmian behawioralnych i neuronalnych związanych z uczeniem się motorycznym lub zmianami w funkcjach motorycznych w neurologicznych lub farmakologicznych modelach zwierzęcych. Funkcja motoryczna może być jednak trudna do określenia ilościowego u gryzoni. Zadania wymagające zręczności manualnej, takie jak manipulacja zbożem¹, pasta², czy nasiona słonecznika³ są wrażliwe i nie wymagają intensywnego treningu zwierzęcia. Ich główną wadą jest to, że zadania te przynoszą głównie wyniki jakościowe i mogą być trudne do jednoznacznej oceny.

Zadania związane z umiejętnościami sięgania, takie jak warianty zadania polegającego na sięganiu pojedynczym granulem, są łatwiejsze do ilościowego określenia^4,5. Jednak czynniki kinematyczne, które leżą u podstaw pomyślnej realizacji tych zadań, można wywnioskować tylko w ograniczonym zakresie i wymagają pracochłonnej analizy wideo klatka po klatce.

Urządzenia robotyczne zyskały popularność jako sposób na ilościowe określanie aspektów funkcji kończyn przednich i umiejętności motorycznych. Dostępnych jest kilka zadań automatycznego docierania. Większość skupia się na jednym aspekcie ruchu kończyn przednich, takim jak ciągnięcie uchwytu wzdłuż prowadnicy liniowej^6,7, proste ruchy dystalnej kończyny⁸ lub pronacja i supinacja łapy⁹. Chociaż urządzenia te są obiecujące pod względem analizy funkcji motorycznych, odzwierciedlają one tylko złożone działania motoryczne wykonywane podczas pojedynczego granulowania, osiągając ograniczony zakres.

Tutaj demonstrujemy użycie trzystopniowego urządzenia robotycznego, ETH Pattus, opracowanego do treningu i oceny różnych zadań motorycznych u szczurów^10,11. Rejestruje płaskie i rotacyjne ruchy kończyn przednich szczura w zadaniach zasięgu, chwytania i ciągnięcia wykonywanych w płaszczyźnie poziomej. Szczury wchodzą w interakcję z robotem za pomocą kulistego uchwytu o średnicy 6 mm, do którego można dotrzeć przez okienko w klatce testowej (szerokość: 15 cm, długość: 40 cm, wysokość: 45 cm) i poruszać się w płaszczyźnie poziomej (ruchy pchające i ciągnące) i obracane (ruchy pronacja-supinacja). W ten sposób umożliwia szczurowi wykonywanie ruchów, które są zbliżone do tych wykonywanych podczas konwencjonalnych zadań sięgania po pojedynczą kulkę. Okno ma szerokość 10 mm i znajduje się 50 mm nad podłogą klatki. Uchwyt znajduje się 55 mm nad podłogą. Drzwi przesuwne blokują dostęp do uchwytu między próbami dotarcia i otwierają się, gdy robot osiągnie pozycję początkową i zamykają się po zakończeniu próby. Po prawidłowo wykonanym ruchu szczury otrzymują nagrodę w postaci jedzenia po przeciwnej stronie klatki testowej.

Robot jest sterowany za pomocą oprogramowania i rejestruje dane wyjściowe z 3 enkoderów obrotowych na częstotliwości 1000 Hz, co skutkuje informacją o położeniu uchwytu w płaszczyźnie poziomej, a także o jego kącie obrotu (szczegóły zobacz reference¹¹). Warunki wymagane do pomyślnego wykonania zadania są definiowane w oprogramowaniu przed każdą sesją treningową (np. minimalna wymagana odległość ciągnięcia i maksymalne odchylenie od linii środkowej w zadaniu typu "sięgaj i ciągnij"). Początkowa, znormalizowana pozycja referencyjna uchwytu jest rejestrowana za pomocą stałego uchwytu na początku każdej sesji treningowej. To odniesienie jest używane dla wszystkich prób w ramach sesji, zapewniając stałą pozycję początkową uchwytu dla każdej próby. Stałe położenie klamki względem okna klatki jest zapewnione dzięki wyrównaniu znaków na klatce i robocie (ilustracja 1).

Nagrania wideo z ruchów dotarcia są rejestrowane za pomocą małej szybkiej kamery (120 klatek/s, rozdzielczość 640 x 480). Mały wyświetlacz w widoku kamery pokazuje numer identyfikacyjny szczura, sesję treningową, numer próby i wynik próby (powodzenie lub niepowodzenie). Filmy te służą do weryfikacji zarejestrowanych wyników oraz do oceny efektów ruchów dosięgnających, które poprzedzają dotknięcie, pociągnięcie lub obrót rączki.

Tutaj demonstrujemy użycie tej platformy robotycznej w różnych wariantach zadania typu reach-and-pull. To zadanie można wytrenować w czasie, który jest porównywalny z innymi paradygmatami dotarcia i daje powtarzalne wyniki. Opisujemy typowy protokół treningowy, a także niektóre z głównych parametrów wyjściowych. Ponadto pokazujemy, jak drobne zmiany w stosowanym protokole treningowym mogą skutkować zmianą przebiegów czasowych wyników behawioralnych, które mogą reprezentować niezależne podprocesy w procesie uczenia się umiejętności motorycznych.

Protokół

Przedstawione tutaj eksperymenty zostały zatwierdzone przez Biuro Weterynaryjne Kantonu Zurych, Szwajcaria i zostały przeprowadzone zgodnie z krajowymi i instytucjonalnymi regulacjami.

1. Warunki karmienia

UWAGA: Wszystkie sesje treningowe odbywają się zgodnie z zaplanowanym protokołem żywieniowym.

1. Karm szczury 50 g/kg standardowej karmy raz dziennie, po zakończeniu treningu. Taka ilość pokarmu jest wystarczająca, aby zapobiec znacznej utracie masy ciała (masa ciała wynosi >90% masy ciała swobodnie karmiącej), ale wystarczająco mała, aby zapewnić powtarzalne warunkowanie behawioralne. Waż szczury codziennie, aby upewnić się, że ich masa ciała pozostaje stabilna.
   UWAGA: Dodatkowa nocna (10-12 godzin) deprywacja jedzenia może być przydatna przed pierwszą sesją z nagrodą (krok 2.3).

2. Procedura treningowa dla zadania typu "sięgnij i ciągnij"

1. Przygotowanie: Pozwól szczurom przyzwyczaić się do nowych klatek domowych przez co najmniej tydzień po przybyciu do obiektu dla zwierząt. W tym czasie regularnie obchodź się ze szczurami i podawaj bezpyłowe, precyzyjne granulki w domowej klatce, aby przyzwyczaić szczury do nowego pokarmu. Te granulki będą używane jako nagrody w całym protokole treningowym.
2. Przyzwyczajenie: Umieść szczury w klatce testowej na 30-45 minut i podaj 30-50 granulek do miski do karmienia, zmieszanych ze sproszkowaną karmą. Otwieraj i zamykaj okno klatki i od czasu do czasu uruchamiaj dozownik pelletu, aby przyzwyczaić szczury do ich dźwięku.
   1. Powtarzaj to przez 2-3 dni.
3. Nagroda-dotyk: Naucz szczury, aby dotykały kulistego uchwytu przez okno klatki, a następnie przechodziły na przeciwną stronę klatki, aby odzyskać nagrodę w postaci jedzenia.
   1. Dostosuj ustawienia oprogramowania tak, aby uchwyt znajdował się tuż za oknem klatki testowej na początku każdej próby i wyrównaj uchwyt ze środkiem okna klatki. Gdy próby zakończą się sukcesem, tj. gdy tylko zostanie wykryte lekkie dotknięcie rękojeści (przemieszczenie 0,25 mm w dowolnym kierunku), rozlega się sygnał dźwiękowy i wydawana jest nagroda. Klasyfikuj próby jako nieudane, gdy przez 180 s po otwarciu okna nie wykryto żadnego dotyku.
   2. Umieść szczura w klatce treningowej. Zachęć szczura do wyciągnięcia ręki, pozwalając mu chwycić kulkę trzymaną w pobliżu uchwytu. Skieruj uwagę szczura na uchwyt i miskę z jedzeniem, stukając w klatkę.
   3. Przestań podpowiadać, gdy szczur samodzielnie sięgnie przez okno klatki i wyjmie granulkę jedzenia.
   4. Kontynuuj, aż zakończy się 100 prób (dotknięć) lub minie 60 minut, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.
   5. Kontynuuj trening przez 3-4 dni i rozpocznij kolejny etap treningu (krok 2.4), gdy szczury wykonają 100 prób w ciągu 30 minut przez 2 kolejne dni.
      UWAGA: Nie trenuj nadmiernie tego kroku. Celem nagrody i dotyku jest osiągnięcie niezawodnej interakcji między szczurem a robotem, tak aby zachowanie to można było kształtować w późniejszym treningu.
4. Swobodne ciągnięcie (FP): Naucz szczury, aby sięgały i ciągnęły za uchwyt robota.
   1. Dostosuj ustawienia oprogramowania tak, aby klamka znajdowała się w odległości 18 mm od okna na początku każdej próby i musiała być ciągnięta na co najmniej 10 mm bez przerwy, aby próba zakończyła się sukcesem. Na tym etapie nie ma żadnych ograniczeń bocznych dotyczących ruchu ciągnącego.
      1. Klasyfikuj próbę jako nieudaną, gdy klamka nie była poruszana przez 180 s po otwarciu okna, gdy klamka została przesunięta poza osiągalny obszar roboczy (więcej niż 12 mm od linii środkowej) lub gdy szczur pociągnął mniej niż 10 mm w ciągu 5 sekund po wykryciu pierwszego dotknięcia.
   2. Zwróć uwagę na to, ile razy lewa i prawa łapa są używane podczas pierwszych 20 prób pierwszej sesji FP. Łapa, która jest używana w co najmniej 80% prób, jest uważana za preferowaną łapę.
      UWAGA: Preferencja łapy może być już wyraźna w sesjach z nagrodą.
   3. Przesuń klamkę na boki, aż zrówna się z krawędzią okna, aby ułatwić ciągnięcie preferowaną łapą (tj. przesuń robota o 5 mm na lewą stronę okna w przypadku praworęcznych szczurów i odwrotnie).
      UWAGA: Umieść uchwyt dokładnie w tej samej pozycji względem klatki podczas wszystkich następnych sesji treningowych dla tego szczura. Zapewnij dokładne umieszczenie za pomocą oznaczeń na ścianie klatki i na robocie.
   4. Umieść szczura w klatce treningowej i trenuj, aż zostanie ukończonych 100 prób lub minie 60 minut, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.
      UWAGA: Jeśli szczur nie sięga wystarczająco daleko, poinformuj go, pozwalając mu chwycić kulkę trzymaną w pobliżu uchwytu. Szczury mogą przestać próbować ciągnąć po wielokrotnych nieudanych próbach. Stuknij w klatkę, pozwól im chwycić granulki trzymane za pomocą kleszczy lub dozuj granulkę, aby przywrócić im motywację.
   5. W przypadku eksperymentów obejmujących tylko trening FP, kontynuować trening zgodnie z opisem w 2.4.
      UWAGA: Zazwyczaj potrzebne są 1-2 sesje FP, aby pomóc w przejściu od treningu z nagrodą do treningu SP (Straight Pull). Celem tych sesji FP jest przyzwyczajenie szczurów do sięgania, chwytania i ciągnięcia za uchwyt, a nie tylko do jego dotykania. Podobnie jak w przypadku treningu z dotykiem nagrody, ważne jest, aby nie przetrenować się, jeśli celem jest przejście do następnego etapu treningu.
5. Ciągnięcie proste (SP): Naucz szczury, aby ciągnęły za uchwyt, nie odchylając się o więcej niż 2 mm od linii środkowej.
   UWAGA: Linia środkowa jest definiowana względem pozycji początkowej robota, a nie do punktu środkowego okna klatki. Tak więc próba ciągnięcia kończąca się w punkcie środkowym okna klatki spowoduje trajektorię ciągnięcia, która odchyli się o więcej niż 2 mm od linii środkowej.
   1. Dostosuj ustawienia oprogramowania tak, aby tylko próby, w których ruch ciągnący nie odbiega o więcej niż 2 mm od linii środkowej po obu stronach, były nagradzane dźwiękiem i kulką. Zachowaj wszystkie inne parametry zgodnie z opisem w kroku 2.4.
   2. Umieść szczura w klatce treningowej i trenuj, aż zostanie ukończonych 100 prób lub minie 60 minut, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.
      UWAGA: Szczury mogą stać się bardzo pobudzone i przestać próbować ciągnąć po wielokrotnych nieudanych próbach. Stuknij w klatkę, aby przekierować ich uwagę na zadanie sięgania, pozwól im chwycić granulki trzymane za pomocą kleszczy lub dozować granulkę, aby przywrócić motywację.
   3. Kontynuuj trening, aż szczury osiągną plateau wydajności lub dostosuj okres treningu do celu eksperymentu.

Wyniki

Tutaj pokazujemy 3 warianty zadania polegającego na sięganiu i ciągnięciu z wykorzystaniem samców szczurów rasy Long-Evans (10-12 tygodni). W grupie free-pull (FP) (N = 6) szczury były szkolone do ciągnięcia za uchwyt robota przez okres 22 dni bez ograniczeń bocznych. Zwierzęta w grupie prostego ciągnięcia 1 (SP1) (N = 12) były szkolone do ciągnięcia za uchwyt bez odchylania się o więcej niż 2 mm od linii środkowej. Zwierzęta te przeszły bezpośrednio od treningu z dotykiem nagrody (krok 2...

Dyskusja

Umiejętne sięganie po pozycje są powszechnie wykorzystywane do badania nabywania umiejętności motorycznych, a także upośledzenia funkcji motorycznych w stanach patologicznych⁶. Rzetelna i jednoznaczna analiza zachowań związanych z docieraniem jest niezbędna do badania mechanizmów komórkowych leżących u podstaw nabywania umiejętności motorycznych, a także procesów neurofizjologicznych zaangażowanych w utratę i późniejsze odzyskiwanie funkcji w zwierzęcych modelach chorób neurologicznych. Przedstawi...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
ETH Pattus			ETH Pattus został wykonany przez Laboratorium Inżynierii Rehabilitacyjnej prof. Gasserta na Politechnice Federalnej w Zurychu.
Klatka treningowa			Klatka treningowa z pleksi została wykonana we własnym zakresie.
Dozownik pelletu	Campden Instruments	80209
45-mg bezpyłowy precyzyjny pellet	Bio-Serv	F0021-J
GoPro Hero 3+ Silver Edition	digitec.ch	284528	Mała kamera szybkoobrotowa
Mały wyświetlacz	Adafruit Industries	#50, #661	128 x 32 SPI Wyświetlacz OLED sterowany za pomocą mikrokontrolera Arduino Uno i oprogramowania Labview
LabVIEW 2012	National Instruments	776678-3513	ETH Pattus jest kompatybilny z nowszymi wersjami Labview.
Matlab 2014b	Matematyka	MLALL