Name: Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
Description: Poznaj metodę treningu szczurów z robotycznym manipulandum do badania procesów uczenia się umiejętności motorycznych i odzyskiwania funkcji po uszkodzeniu mózgu. Technika ta umożliwia obiektywną analizę kinematyczną.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było wspierane przez Szwajcarską Narodową Fundację Naukową, Fundację Betty i Davida Koetser na rzecz Badań nad Mózgiem oraz Fundację ETH.

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.
<ol>
	<li>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).</li>
</ol>
2. Procedura treningowa dla zadania typu "sięgnij i ciągnij"
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Powtarzaj to przez 2-3 dni.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Nagroda-dotyk: Naucz szczury, aby dotykały kulistego uchwytu przez okno klatki, a następnie przechodziły na przeciwną stronę klatki, aby odzyskać nagrodę w postaci jedzenia.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Przestań podpowiadać, gdy szczur samodzielnie sięgnie przez okno klatki i wyjmie granulkę jedzenia.</li>
		<li>Kontynuuj, aż zakończy się 100 prób (dotknięć) lub minie 60 minut, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Swobodne ciągnięcie (FP): Naucz szczury, aby sięgały i ciągnęły za uchwyt robota.
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Kontynuuj trening, aż szczury osiągną plateau wydajności lub dostosuj okres treningu do celu eksperymentu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Irvine, K. -A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+method+for+assessing+proximal+and+distal+forelimb+function+in+the+rat%3A+the+Irvine%2C+Beatties+and+Bresnahan+%28IBB%29+forelimb+scale%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale.</a> JoVE. (46), (2010).</li>
<li>Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+pasta+matrix+reaching+task%3A+a+simple+test+for+measuring+skilled+reaching+distance%2C+direction%2C+and+dexterity+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Meth%22%5BJournal%5D)">The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats.</a> J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).</li>
<li>Kemble, E. D., Wimmer, S. C., Konkler, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+varied+prior+manipulatory+or+consummatory+behaviours+on+nut+opening%2C+predation%2C+novel+foods+consumption%2C+nest+building%2C+and+food+tablet+grasping+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Proc%22%5BJournal%5D)">Effects of varied prior manipulatory or consummatory behaviours on nut opening, predation, novel foods consumption, nest building, and food tablet grasping in rats.</a> Behav Proc. 8 (1), 33-44 (1983).</li>
<li>Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+motor+skill+and+instrumental+learning+time+scales+in+a+skilled+reaching+task+in+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat.</a> Behav Brain Res. 155 (2), 249-256 (2004).</li>
<li>Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+skilled+forelimb+reaching+in+the+rat%3A+A+proximally+driven+movement+with+a+single+distal+rotatory+component%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component.</a> Behav Brain Res. 41 (1), 49-59 (1990).</li>
<li>Hays, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+isometric+pull+task%3A+a+novel+automated+method+for+quantifying+forelimb+force+generation+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Meth%22%5BJournal%5D)">The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats.</a> J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).</li>
<li>Sharp, K. G., Duarte, J. E., Gebrekristos, B., Perez, S., Steward, O., Reinkensmeyer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robotic+Rehabilitator+of+the+Rodent+Upper+Extremity%3A+A+System+and+Method+for+Assessing+and+Training+Forelimb+Force+Production+after+Neurological+Injury%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Robotic Rehabilitator of the Rodent Upper Extremity: A System and Method for Assessing and Training Forelimb Force Production after Neurological Injury.</a> J Neurotrauma. 33 (5), 460-467 (2016).</li>
<li>Hays, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+bradykinesia+assessment+task%3A+an+automated+method+to+measure+forelimb+speed+in+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Meth%22%5BJournal%5D)">The bradykinesia assessment task: an automated method to measure forelimb speed in rodents.</a> J Neurosci Meth. 214 (1), 52-61 (2013).</li>
<li>Meyers, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+supination+assessment+task%3A+an+automated+method+for+quantifying+forelimb+rotational+function+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Meth%22%5BJournal%5D)">The supination assessment task: an automated method for quantifying forelimb rotational function in rats.</a> J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).</li>
<li>Lambercy, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-processes+of+motor+learning+revealed+by+a+robotic+manipulandum+for+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents.</a> Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).</li>
<li>Vigaru, B. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+robotic+platform+to+assess%2C+guide+and+perturb+rat+forelimb+movements%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Neural+Syst.+Rehabil.+Eng%22%5BJournal%5D)">A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 21 (5), 796-805 (2013).</li>
<li>Klein, A., Sacrey, L. -A. R., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+rodent+skilled+reaching+as+a+translational+model+for+investigating+brain+damage+and+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci+Biobehav+Rev%22%5BJournal%5D)">The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease.</a> Neurosci Biobehav Rev. 36 (3), 1030-1042 (2012).</li>
<li>Gharbawie, O. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parallel+stages+of+learning+and+recovery+of+skilled+reaching+after+motor+cortex+stroke%3A+%26%2334%3BOppositions%26%2334%3B+organize+normal+and+compensatory+movements%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Parallel stages of learning and recovery of skilled reaching after motor cortex stroke: &#34;Oppositions&#34; organize normal and compensatory movements.</a> Behav Brain Res. 175 (2), 249-262 (2006).</li>
<li>Palmér, T., Tamtè, M., Halje, P., Enqvist, O., Petersson, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+system+for+automated+tracking+of+motor+components+in+neurophysiological+research%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Meth%22%5BJournal%5D)">A system for automated tracking of motor components in neurophysiological research.</a> J Neurosci Meth. 205 (2), 334-344 (2012).</li>
<li>Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+behavioral+method+for+identifying+recovery+and+compensation%3A+Hand+use+in+a+preclinical+stroke+model+using+the+single+pellet+reaching+task%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci+Biobehav+Rev%22%5BJournal%5D)">A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task.</a> Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).</li>
<li>Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compensation+aids+skilled+reaching+in+aging+and+in+recovery+from+forelimb+motor+cortex+stroke+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci%22%5BJournal%5D)">Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat.</a> Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).</li>
<li>Molina-Luna, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dopamine+in+motor+cortex+is+necessary+for+skill+learning+and+synaptic+plasticity%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+one%22%5BJournal%5D)">Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity.</a> PloS one. 4 (9), (2009).</li>
<li>VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-Evans+rats+have+a+larger+cortical+topographic+representation+of+movement+than+Fischer-344+rats%3A+A+microstimulation+study+of+motor+cortex+in+na%C4%B1%CC%88ve+and+skilled+reaching-trained+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res+Bull%22%5BJournal%5D)">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.</a> Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).</li>
<li>Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-Evans+and+Sprague-Dawley+rats+have+similar+skilled+reaching+success+and+limb+representations+in+motor+cortex+but+different+movements%3A+some+cautionary+insights+into+the+selection+of+rat+strains+for+neurobiological+motor+research%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">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.</a> Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).</li>
<li>Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+Spine+Expansion+and+Learning-Induced+Plasticity+in+Layer+1+Primary+Motor+Cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex.</a> J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).</li>
<li>Metz, G. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Skilled+reaching+an+action+pattern%3A+stability+in+rat+%28Rattus+norvegicus%29+grasping+movements+as+a+function+of+changing+food+pellet+size%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size.</a> Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia

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...

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 określenia4,5. 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 liniowej6,7, 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 szczurów10,11. 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.

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

badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

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).

W niniejszej pracy przedstawiamy 3 warianty zadania polegającego na sięganiu i ciągnięciu (reach-and pull) z wykorzystaniem samców szczurów linii Long-Evans (w wieku 10-12 tygodni). W grupie wolnego ciągnięcia (FP) (N = 6) szczury były szkolone w ciągnięciu uchwytu robota przez okres 2 dni bez ograniczeń bocznych. Zwierzęta w grupie ciągnięcia prostego 1 (SP1) (N = 12) były szkolone w ciągnięciu uchwytu bez odchylenia od linii środkowej o więcej niż 2 mm. Zwierzęta te przeszły bezpośredni...

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

Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

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.

investigating-motor-skill-learning-processes-with-robotic

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Wytrwała praktyka poprawia precyzję skoordynowanych ruchów. Tutaj wprowadzamy zadanie sięgania pojedynczymi kulkami, które ma na celu ocenę uczenia się i zapamiętywania umiejętności kończyn przednich u myszy.

Badaj uczenie się umiejętności motorycznych poprzez zadania sięgania pojedynczymi granulkami u myszy

Nie jest jasne, w jaki sposób sygnały z góry na dół z brzusznego strumienia wzrokowego wpływają na ruch. Opracowaliśmy paradygmat do testowania zachowań motorycznych w stosunku do celu na iluzji odwrócenia głębi 3D. Istotne różnice występują zarówno w celowych, ukierunkowanych na cel ruchach, jak i automatycznych działaniach w iluzorycznych i prawdziwych warunkach widzenia.

Metody badania wpływu odgórnych procesów wzrokowych na zachowania motoryczne

Paradygmat jest prezentowany w celu analizy nabywania u szczurów umiejętności sięgania kończynami przednimi do bardzo precyzyjnego dosięgnięcia.

Zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów

Opisujemy nowatorską konfigurację opartą na wirtualnej rzeczywistości, która wykorzystuje dobrowolną kontrolę jednej ręki do poprawy zdolności motorycznych drugiej (niewytrenowanej) ręki. Osiąga się to poprzez dostarczanie sensorycznych informacji zwrotnych w czasie rzeczywistym opartych na ruchu, tak jakby niewytrenowana ręka się poruszała. To nowe podejście może być wykorzystane do usprawnienia rehabilitacji pacjentów z jednostronnym niedowładem połowiczym.

Wykorzystanie wirtualnej rzeczywistości do przenoszenia wiedzy o umiejętnościach motorycznych z jednej ręki do drugiej

Wprowadzamy zadanie czasu reakcji szeregowej kroku (SRT). To zmodyfikowane zadanie SRT, uzupełniające klasyczne zadanie SRT, które obejmuje tylko ruch naciskania palcami, lepiej przybliża codzienne sekwencjonowane czynności i pozwala naukowcom badać dynamiczne procesy leżące u podstaw dyskretnych miar odpowiedzi i rozplątać jawny proces działający w niejawnym uczeniu sekwencyjnym.

"Motor" w niejawnym uczeniu się sekwencji motorycznej: zadanie czasu reakcji szeregowej kroku

Ten artykuł przedstawia projektowanie i implementację dedykowanego manipulatora robotycznego do pozaustrojowego badania ultrasonograficznego. System ma pięć stopni swobody z lekkimi przegubami wykonanymi metodą druku 3D i mechanicznym sprzęgłem do zarządzania bezpieczeństwem.

Zaprojektowanie i wykonanie dedykowanego manipulatora robotycznego do ultrasonografii pozaustrojowej

Korzystając z robotycznego urządzenia izokinetycznego z pomiarami elektromiografii (EMG), ten protokół ilustruje, że ruch izokinetyczny sam w sobie może poprawić wiarygodność pomiarów kąta zaczepienia u pacjentów po udarze z łagodną spastycznością zginaczy łokcia.

Izokinetyczne urządzenie robotyczne poprawiające niezawodność test-retest i międzyoceniający pomiary odruchu rozciągania u pacjentów po udarze mózgu ze spastycznością

To badanie informuje o rozwoju nowatorskiego, wspomaganego przez robota programu rehabilitacji ręki. Proces rozwojowy składa się z eksperymentów z udziałem zarówno osób zdrowych, jak i osób, które przeszły udar i cierpiały na późniejszą dysfunkcję kontroli motorycznej.

Opracowanie nowatorskiego programu rehabilitacji zorientowanej na zadania z wykorzystaniem dwuręcznego egzoszkieletu robotycznej ręki

Obecny protokół opisuje, jak korzystać z bezprzewodowej optogenetyki w połączeniu z szybką wideografią w jednym zadaniu typu "sięgnij do uchwytu" w celu scharakteryzowania obwodów neuronowych zaangażowanych w realizację umiejętnego zachowania motorycznego u swobodnie poruszających się myszy.

In vivo (in vivo) Bezprzewodowa kontrola optogenetyczna wykwalifikowanych zachowań motorycznych

Obecne badanie opisuje test zachowania motorycznego do analizy deficytów motorycznych w modelach gryzoni, w tym szczura TgF344-AD, z wykorzystaniem uczenia maszynowego.

Zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych

Poznaj metodę treningu szczurów z robotycznym manipulandum do badania procesów uczenia się umiejętności motorycznych i odzyskiwania funkcji po uszkodzeniu mózgu. Technika ta umożliwia obiektywną analizę kinematyczną.

Badanie procesów uczenia się umiejętności motorycznych za pomocą manipulandum robotycznego

Przeglądaj więcej filmów