Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego
12 lutego 2017
Przedstawiono paradygmat do treningu i analizy zautomatyzowanego zadania umiejętnego sięgania u szczurów. Analiza prób ciągnięcia ujawnia wyraźne podprocesy uczenia się motorycznego.
Ogólnym celem szkolenia szczurów w tym zadaniu sięgania z udziałem manipulandum robota jest zbadanie procesów leżących u podstaw uczenia się umiejętności motorycznych i odzyskiwania funkcji motorycznych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu neuronauki behawioralnej, w szczególności związane z mechanizmami leżącymi u podstaw uczenia się motorycznego i tworzenia pamięci, a także utraty i odzyskiwania funkcji po uszkodzeniu mózgu lub udarze. Główną zaletą tej techniki jest to, że szkolenie szczurów i analiza są łatwe do wykonania i że są bardziej obiektywne niż inne konwencjonalne zadania związane z docieraniem do pojedynczych granulek.
Co więcej, manipulandum robotyczne pozwala na lepszą analizę kinematyki. W ramach przygotowań zawsze pozwól nowo nabytym szczurom przyzwyczaić się do nowych klatek domowych przez co najmniej tydzień przed ich szkoleniem. W tym czasie regularnie zajmuj się szczurami i karm je granulkami nagrody używanymi w protokole treningowym.
Aby rozpocząć proces treningu, najpierw poświęć dwa lub trzy dni na przyzwyczajenie szczurów do klatki testowej. Pierwszym zadaniem jest wyszkolenie szczurów, aby po prostu dotykały kulistego uchwytu przez okno klatki, a następnie przechodziły na przeciwną stronę klatki i pobierały nagrodę w postaci jedzenia. Najpierw dostosuj ustawienia oprogramowania tak, aby uchwyt znajdował się tuż za oknem klatki testowej.
Teraz umieść szczura w klatce treningowej i przytrzymaj śrut w pobliżu uchwytu. Skieruj uwagę szczura, stukając w klatkę w razie potrzeby. Kontynuuj zachęcanie szczura do uchwytu w ten sposób, aż samodzielnie sięgnie przez okno klatki i dotknie uchwytu lub granulki żywności.
Następnie uruchom sesję, aż zostanie wykonanych 100 dotknięć lub upłynęło 60 minut, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej. Kontynuuj codzienny trening szczura, aż wykona 100 dotknięć w ciągu 30 minut przez dwa kolejne dni. Zwykle dzieje się to w pierwszych dwóch sesjach.
Po uzyskaniu tej biegłości przejdź bezpośrednio do następnego paradygmatu treningowego. Szczury mogą wykonywać to zadanie znacznie szybciej niż określone kryteria, ale ważne jest, aby ich nie przetrenować, ponieważ może to spowodować nadmierną konsolidację zachowania i stłumić kształtowanie zachowania do ostatecznego celu. Kolejnym wyzwaniem dla szczurów jest nauczenie się pośredniego kroku sięgania i ciągnięcia za uchwyt.
Podobnie jak w przypadku treningu dotykowego z nagrodą, ważne jest, aby nie przetrenować, ponieważ ostatecznym celem jest przejście do następnego etapu treningu. Najpierw dostosuj ustawienia oprogramowania tak, aby robot ustawiał uchwyt w odległości 18 milimetrów od okna na początku każdej próby. Aby próba zakończyła się sukcesem, uchwyt musi być pociągnięty o co najmniej 10 milimetrów bez przerwy.
Nie ma bocznych ograniczeń w ruchu ciągnącym. Następnie wykonuj sesje jak poprzednio, z 100 próbami lub 60 minutami oznaczającymi ich zakończenie. Jeśli szczur nie sięga wystarczająco daleko, aby wykonać zadanie, ukształtuj prawidłowe zachowanie, trzymając granulkę z kleszczami w pobliżu uchwytu.
Jeśli wydaje się, że szczur traci zainteresowanie ciągnięciem za uchwyt, stuknij w klatkę lub dozuj granulkę. Określ preferencje łapy szczura na podstawie pierwszych 20 prób pociągnięcia za uchwyt. Po prostu wybierz łapę, która jest częściej używana jako łapa dominująca.
Większość szczurów wykazuje silną preferencję i używa jednej łapy w co najmniej 80% prób. Po zauważeniu dominującej łapy dostosuj pozycję rączki na boki, aby faworyzować tę łapę. Dopasuj klamkę do krawędzi okna i utrzymuj ją w tej pozycji przez wszystkie przyszłe sesje z tym szczurem.
Kontynuuj trening zadania, aż szczur osiągnie plateau wydajności lub wykona zadanie 100 razy w ciągu 30 minut przez dwa kolejne dni. Zazwyczaj potrzebne są tylko dwie sesje przed przystąpieniem do prostego ciągnięcia. Ostatnim etapem treningu jest nauczenie szczurów prostego ciągnięcia za rączkę w celu uzyskania nagrody.
Zmień parametry w oprogramowaniu tak, aby ruch ciągnący, który odchyla się o więcej niż dwa milimetry od linii środkowej, był uważany za awarię. Jak zwykle, każda sesja powinna być prowadzona do momentu ukończenia 100 prób lub upływu 60 minut. Kontynuuj szkolenie szczurów w tym zadaniu, aż ich poziom umiejętności osiągnie plateau lub dopóki szczury nie przekroczą określonych kryteriów.
Wykorzystując 10 do 12 tygodniowych samców szczurów Long-Evans, porównano trzy różne techniki treningu w ciągu 22 dni treningu. Każda grupa została przeszkolona w zakresie treningu dotykowego z nagrodą. Potem zmieniły się parametry.
W jednej grupie, FP, szczury zostały przeszkolone do ciągnięcia za uchwyt robota bez żadnych ograniczeń bocznych. W następnej grupie, SP1, szczury były szkolone do ciągnięcia za uchwyt bez odchylania się o więcej niż dwa milimetry od linii środkowej, ale nie dano im żadnych sesji treningowych swobodnego ciągnięcia. W ostatniej grupie, SP2, szczury otrzymały dokładnie dwie sesje treningu swobodnego ciągnięcia, a następnie przeszły do treningu prostego ciągnięcia.
Co ważne w przypadku SP2, klamka była ustawiona w jednej linii w pobliżu jednej krawędzi okna, co spowodowało trudniejsze zadanie. Ten stan może wystąpić przypadkowo, jeśli robot nie jest konsekwentnie wyrównany z klatką przez operatora. Prawdopodobnie ze względu na to dodatkowe wyzwanie, wskaźnik powodzenia zadania dla szczurów z SP1 ustabilizował się szybciej niż w przypadku szczurów z SP2.
W trakcie sesji ruch uchwytu poprawił się od pierwszej do ostatniej sesji. Pokazane dane dotyczą jednego reprezentatywnego szczura z grupy SP2. Podobnie, prędkość ciągnięcia stała się bardziej regularna od pierwszej do ostatniej sesji, co wskazuje, że nauczono się bardziej stabilnego ruchu.
Dane te pochodzą również od reprezentatywnego szczura SP2. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonać zautomatyzowane zadanie umiejętnego docierania i jakie czynniki mogą mieć wpływ na Twoje wyniki. Jak wykazaliśmy, niewielka zmiana we wzorcu treningu wpłynie na wydajność zwierzęcia.
Dlatego próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby wszystkie warunki były spójne dla każdego zwierzęcia, takie jak lokalizacja uchwytu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł przedstawia paradygmat szkolenia i analizy zautomatyzowanego zadania z doskonaleniem umiejętności u szczurów, koncentrując się na podprocesach uczenia się motorycznego. Metoda ma na celu zwiększenie rozumienia uczenia się umiejętności motorycznych i regeneracji po uszkodzeniu mózgu.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka behawioralna
- Uczenie się motoryczne
- Neurorehabilitacja
Tło
- Badanie procesów leżących u podstaw uczenia się umiejętności motorycznych.
- Eksploruje regenerację funkcji motorycznych po uszkodzeniu mózgu lub udarze.
- Wykorzystuje robotyczne manipulandum dla lepszej analizy.
- Koncentruje się na analizie kinematycznej zadań sięgania.
Cel badania
- Szkolenie szczurów w zadaniu z doskonaleniem sięgania.
- Analiza oddzielnych podprocesów uczenia się motorycznego.
- Zapewnić bardziej obiektywną ocenę niż konwencjonalne metody.
Zastosowane metody
- Szkolenie szczurów z użyciem robotycznego manipulandum.
- Okres przyzwyczajania dla nowo nabytych szczurów.
- Regularne manipulowanie i karmienie pelletami pokarmowymi.
- Obiektywna analiza prób ciągnięcia.
Główne wyniki
- Identyfikacja podprocesów zaangażowanych w uczenie się motoryczne.
- Zwiększone zrozumienie mechanizmów regeneracji funkcji motorycznych.
- Demonstracja zalet metod szkoleń robotycznych.
Wnioski
- Robotyczne manipulandum ułatwia lepszą analizę kinematyczną.
- Metody szkolenia zapewniają wgląd w procesy uczenia się motorycznego.
- Badanie przyczynia się do rozwoju pola neurorehabilitacji.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Automated skilled reaching tasks in rodent models provide a quantifiable platform for dissecting motor skill learning mechanisms, supporting target validation in neuromotor therapeutic development. Kinematic analysis of pulling velocity, trajectory variability, and midline deviation enables objective assessment of motor function, reducing ambiguity in preclinical efficacy readouts. This approach enhances predictive confidence in lead identification for neurorehabilitation interventions by linking behavioral outputs to underlying neural processes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of motor learning subprocesses through quantifiable kinematic parameters such as pulling velocity and spatial variability.
- Operational Value: Provides objective, automated measurement of motor performance, reducing variability inherent in manual scoring of reaching tasks.
- Predictive Value: Supports biological de-risking by linking training-induced changes in movement patterns to neural plasticity mechanisms relevant to therapeutic targeting.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, quantitative outputs including pulling success rate, deviation from midline, and temporal movement profiles for compound screening.
- Reproducibility: Robotic manipulandum ensures consistent task parameters across sessions, improving inter-animal and inter-lab reliability.
- Scalability: Automated data collection facilitates high-throughput evaluation of motor function across treatment groups and timepoints.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models skilled motor impairment and recovery, applicable to stroke, traumatic brain injury, and neurodegenerative conditions.
- Translational Continuity: Kinematic biomarkers such as movement smoothness and success rate align with clinical motor assessment scales.
- Mechanistic De-risking: Integration with electrophysiological, pharmacological, and optogenetic methods enables causal interrogation of neural circuits underlying motor learning.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead optimization to preclinical validation, particularly for neuromotor pathways.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of gene or pathway contributions to motor learning by measuring changes in kinematic profiles following manipulation.
- Screening: Enables assay-ready quantification of motor skill acquisition and retention, facilitating dose-response and time-course evaluations.
- Analytics: Delivers multivariate readouts (velocity, trajectory, success) that allow comparative analysis of motor function across experimental conditions.
- Translational Research: Connects rodent motor performance to clinical recovery metrics through shared kinematic features relevant to neurorehabilitation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for longitudinal motor function assessment across multiple therapeutic modalities and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in motor behavior interpretation.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization of motor skill assessment across studies and sites.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by providing objective, quantifiable endpoints for motor recovery.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neurorehabilitation candidates based on translational motor function data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent handling, behavioral training, and robotic system operation.
- Dependent on access to a programmable robotic manipulandum with force and motion tracking capabilities.
- Necessitates standardization of training protocols, reward schedules, and environmental conditions across experimental groups.
- Involves adaptation considerations when translating parameters across rat strains, ages, or injury models.
- Limited by the need for careful overtraining avoidance to prevent behavioral stasis and ensure sensitivity to skill changes.
