Projektowanie i wykorzystanie aparatu do prezentacji chwytalnych obiektów w przestrzeni roboczej 3D
8 sierpnia 2019
Prezentowany tutaj jest protokół budowy automatycznego urządzenia, które prowadzi małpę do wykonania elastycznego zadania polegającego na sięganiu i chwytaniu. Aparat łączy w sobie urządzenie translacyjne 3D i stół obrotowy w celu prezentacji wielu obiektów w dowolnej pozycji w przestrzeni 3D.
Zasada neuronalna leżąca u podstaw zasięgu i chwytania była intensywnie badana w ostatnich dziesięcioleciach, jednak opracowano niewiele urządzeń, które umożliwiają elastyczne połączenie obu ruchów w jednym zadaniu. Poprzez sprzężenie niestandardowego stołu obrotowego z trójwymiarowym urządzeniem translacyjnym, nasze urządzenie umożliwia próbne połączenie wielu pozycji w przestrzeni trójwymiarowej i obiektów o różnych kształtach w każdej pozycji. Nasz aparat stanowi cenną platformę do badania funkcji kończyn górnych i leżących u ich podstaw zasad neuronalnych.
Może również ułatwiać jednoczesną rekonstrukcję ruchów sięgania i chwytania w interfejsie mózg-maszyna. Zacznij od zamocowania dwóch szyn Y na górnej powierzchni ramy równolegle, mocując wsporniki do górnej powierzchni za pomocą. Następnie połącz dwie szyny Y z wałem łączącym i dwoma złączami membranowymi.
Dokręć blokujące sprzęgieł, aby zsynchronizować wały dwóch szyn. Włóż sześć nakrętek w tylne rowki szyny Z i przymocuj jedną stronę ramy trójkąta prostokątnego do tylnej części szyny Z za pomocą. Pociągnij trójkątną ramę do końca, który jest dystalny do wału i dokręć.
W ten sam sposób przymocuj drugą ramkę trójkąta prostokątnego do drugiej szyny Z. Przymocuj pozostałe boki dwóch trójkątnych ramek pod kątem prostym do suwaków dwóch szyn Y za pomocą. Następnie połącz dwie szyny Z za pomocą wału łączącego i złączy membranowych, a następnie dokręć blokujące sprzęgła.
Przymocuj dwie płyty łączące w kształcie litery T z tyłu szyny X za pomocą nakrętek i. Następnie pociągnij dwie deski w kształcie litery T do dwóch końców szyny X i dokręć. Przymocuj dwie deski łączące w kształcie litery T do suwaków dwóch szyn Z za pomocą.
Włóż silnik krokowy do otworu wału reduktora biegów i skręć ze sobą ich kołnierze. Na koniec przykręć pierścień łączący do końca wału szyny X. Włóż wałek reduktora biegów do sprzęgła i przykręć reduktor do pierścienia łączącego.
Dokręć blokującą sprzęgła. Zacznij od umieszczenia czujników dotykowych w rowku korpusu obiektu i przyklej je do predefiniowanych obszarów dotykowych za pomocą taśmy dwustronnej. Przełóż przewody przez otwór w tablicy przedmiotowej i przymocuj pokrywę do korpusu obiektu za pomocą.
Następnie przeprowadź przewody przez otwory po bokach rotatora i przykręć przedmioty do rotatora. końcówki przewodów czujników dotykowych do obracających się końców elektrycznego pierścienia ślizgowego i owiń połączenia taśmą izolacyjną. Przykręć obudowę do suwaka szyny X.
Umieść łożysko w dolnym otworze skrzynki. Następnie włóż rotator do obudowy od prawej strony i przeprowadź przewody elektrycznego pierścienia ślizgowego przez górny otwór obudowy. Następnie włóż metalowy wałek do łożyska od górnego otworu obudowy i dopasuj wpust wału do rowka wpustowego rotatora.
Ustaw elektryczny pierścień ślizgowy wokół metalowego wału. Umieść koniec listwy ustalającej w wycięciu elektrycznego pierścienia ślizgowego, aby zapobiec obracaniu się pierścienia zewnętrznego. Włóż wałek silnika krokowego do metalowego otworu wału i zamocuj silnik na górze pudełka za pomocą.
Przyklej trójkolorową diodę LED z przodu obudowy za pomocą taśmy. Na koniec przykręć prawy kredens do obudowy. Włóż przewody sterujące silników krokowych, diod LED i czujników dotykowych do portów cyfrowych karty akwizycji danych.
Aby zainicjować 3-wymiarowe urządzenie translacyjne i stół obrotowy, pociągnij suwaki wszystkich liniowych szyn ślizgowych do punktu początkowego i obróć pierwszy obiekt stołu obrotowego tak, aby był skierowany w stronę przedniej strony stołu obrotowego. Następnie wprowadź współrzędne wszystkich pozycji w macierzy do dokumentu tekstowego. Upewnij się, że każdy wiersz zawiera współrzędne X, Y i Z jednej pozycji oddzielone spacją, a następnie zapisz dokument.
Następnie otwórz oprogramowanie paradygmatu, kliknij przycisk Otwórz plik w panelu Pula i wybierz dokument tekstowy, aby załadować pozycje prezentacji do oprogramowania paradygmatu. Sprawdź obiekty, które mają zostać zaprezentowane w eksperymencie w Puli Obiektów oprogramowania paradygmatu. Następnie dostosuj parametry eksperymentalne w panelu Parametry czasu oprogramowania paradygmatu.
Ustaw linię bazową na 400 milisekund, Przebieg silnika równy 2000 milisekund, Planowanie równe 1000 milisekund, Maksymalny czas reakcji równy 500 milisekund, Maksymalny czas dotarcia równy 1000 milisekund, Min. Czas wstrzymania równy 500 milisekund, Nagroda równa się 60 milisekund, a Sygnał błędu równy 1000 milisekund. Następnie przymocuj krzesło małpy do aluminiowej ramy konstrukcyjnej. Przymocuj trzy odblaskowe znaczniki na końcu ramienia za pomocą taśmy dwustronnej.
Upewnij się, że trzy znaczniki tworzą trójkąt scalene. Następnie w oprogramowaniu paradygmatu kliknij przycisk Uruchom, aby uruchomić zadanie. Kliknij przycisk RECORD na panelu przechwytywania ruchu w oprogramowaniu Cortex, aby nagrywać trajektorie trzech znaczników przez 60 sekund, gdy małpa wykonuje zadanie.
Kliknij przycisk ZATRZYMAJ, aby zakończyć eksperyment. Zbuduj szablon śledzenia trzech znaczników w oprogramowaniu, korzystając z zarejestrowanych trajektorii i zapisz szablon. Następnie podłącz przewód uziemiający wzmacniacza front-end do masy układu mikroelektrod, który jest wszczepiony w korę ruchową małpy.
Włóż stopnie głowicy do złącza układu mikroelektrod. Otwórz oprogramowanie centralne systemu akwizycji sygnałów neuronowych. Otwórz oprogramowanie do synchronizacji.
Kliknij trzy przyciski łączenia w panelach Cerebus, Motion Capture i Paradigm, aby połączyć oprogramowanie do synchronizacji odpowiednio z systemem akwizycji sygnału neuronowego, systemem przechwytywania ruchu i oprogramowaniem paradygmatu. Na koniec kliknij przycisk Uruchom oprogramowania paradygmatu, aby ponownie uruchomić zadanie, a następnie przycisk Nagraj na panelu Przechowywanie plików centralnego oprogramowania, aby rozpocząć nagrywanie sygnałów neuronowych. Sprawdź zapisany szablon śledzenia i kliknij przycisk RECORD na panelu przechwytywania ruchu oprogramowania Cortex, aby rozpocząć nagrywanie trajektorii nadgarstka małpy.
Trajektoria nadgarstka podczas fazy docierania we wszystkich udanych próbach została wyodrębniona i podzielona na osiem grup w oparciu o pozycje docelowe. Końce ośmiu grup trajektorii tworzą prostopadłościan o takim samym rozmiarze jak predefiniowany prostopadłościenny obszar roboczy. Tutaj histogram czasu perybodźca pokazuje dwa przykładowe neurony dostrajające zarówno pozycję osiągania, jak i pokazane są obiekty.
Neuron na górze wykazuje znaczną selektywność podczas faz sięgania i trzymania. Podczas gdy neuron na dole zaczyna dostrajać pozycje i obiekty od środka fazy biegu motorycznego. Ponieważ oprogramowanie paradygmatu nie było w stanie odczytać pozycji silników, konieczne jest zainicjowanie stołu obrotowego i urządzenia translacyjnego przed każdą sesją.
Aby w pełni kontrolować, kiedy badany może zobaczyć obiekt docelowy i jego pozycję, przed aparatem można zainstalować przełączane szkło. Korzystając z naszej aparatury, możliwe jest teraz badanie interakcji neuronalnej między ruchami sięgania i chwytania, co może pomóc w jednoczesnym rozszyfrowaniu trajektorii zasięgu i rodzajów chwytu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół konstrukcji automatycznego urządzenia zaprojektowanego do prowadzenia małp w wykonywaniu elastycznego zadania chwytania przedmiotów. Aparatura integruje trójwymiarowy mechanizm translacyjny ze stołem obrotowym, co umożliwia prezentację wielu obiektów w różnych pozycjach w przestrzeni 3D.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- neuronauka
- badania behawioralne
- inżynieria
Wstęp
- Badania nad neuronalnymi mechanizmami sięgania i chwytania są bardzo szerokie.
- Istnieje niewiele urządzeń, które pozwalają na elastyczne łączenie tych ruchów w ramach jednego zadania.
- Integracja stołu obrotowego z urządzeniem translacyjnym 3D jest nowatorska.
- Aparat ten może usprawnić badanie funkcji kończyn górnych oraz ich podstaw neuronalnych.
Cel badania
- Opracowanie urządzenia umożliwiającego kombinowanie pozycji i kształtów obiektów w poszczególnych próbach.
- Ułatwienie jednoczesnej rekonstrukcji ruchów sięgania i chwytania.
- Zapewnienie platformy do badania interfejsów mózg-maszyna.
Zastosowane metody
- Budowa aparatury z wykorzystaniem szyn Y oraz wału łączącego.
- Zabezpieczenie konstrukcji za pomocą śrub w celu zapewnienia stabilności.
- Wykorzystanie specjalnie wykonanego stołu obrotowego do prezentacji obiektu.
- Zastosowanie urządzenia translacyjnego 3D dla zapewnienia elastyczności ruchu.
Główne wyniki
- Aparatura ta umożliwia skuteczne manipulowanie obiektami w przestrzeni 3D.
- Pozwala ona na badanie ruchów kończyny górnej w kontrolowanym środowisku.
- Ułatwia prowadzenie badań nad neuronowymi mechanizmami sięgania i chwytania.
- Stanowi cenne narzędzie do badań nad interfejsami mózg-maszyna.
Wnioski
- Opracowana aparatura stanowi istotny postęp w badaniach nad neuronauką.
- Oferuje ona nowe możliwości zrozumienia kontroli motorycznej oraz mechanizmów neuronalnych.
- Narzędzie to może usprawnić badanie złożonych zadań motorycznych u naczelnych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Urządzenie to umożliwia precyzyjne rozdzielenie kinematyki zasięgu i chwytu w modelach naczelnych, wspierając mechanistyczną weryfikację hipotez dotyczących kontroli motorycznej kończyny górnej. Dzięki możliwości niezależnej manipulacji tożsamością obiektu oraz jego pozycją przestrzenną, platforma zwiększa wiarygodność predykcyjną w badaniach nad kodowaniem neuronalnym istotnych dla rozwoju interfejsów mózg-maszyna. Rozwiązanie to wypełnia krytyczną lukę w narzędziach do walidacji przedklinicznej neuroprotez ruchowych, ułatwiając ciągłość translacyjną od etapu odkryć do oceny przedklinicznej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie kodowania neuronalnego dla zasięgu w stosunku do chwytania poprzez rozdzielenie tożsamości obiektu od jego pozycji przestrzennej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną platformę do testowania hipotez terapeutycznych dotyczących funkcji obwodów ruchowych w modelach naczelnych istotnych w kontekście chorób.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na uzyskanie ilościowych odczytów trajektorii nadgarstka i rodzaju chwytu w celu wysokiej wierności fenotypowania zaburzeń motorycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację analizy poprzez niezależną od ruchów motorycznych kontrolę prezentacji i pozycji obiektu za pomocą zsynchronizowanych osi translacyjnych i rotacyjnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia badanie zasad neuronalnych leżących u podstaw funkcji kończyny górnej, co ma bezpośrednie znaczenie dla rozwoju neuroprotezy ruchowej.
- Wartość operacyjna: Umożliwia jednoczesne pozyskiwanie sygnałów kinematycznych i neuronalnych, wspierając ewaluację interwencji w zakresie regeneracji ruchowej w oparciu o biomarkery.
Integracja potoku i przepływu pracy
Aparat ten integruje się z procesami badawczymi w obszarze biologii odkrywczej, umożliwiając testowanie hipotez dotyczących kodowania w korze ruchowej, a uzyskane wyniki służą do identyfikacji potencjalnych punktów uchwycenia dla strategii neuromodulacyjnych lub rehabilitacyjnych ukierunkowanych na funkcje kończyny górnej.
- Biologia odkrywcza: Wspomaga wyjaśnianie szlaków i redukcję ryzyka biologicznego poprzez izolowanie korelacji neuronalnych komponentów sięgania i chwytania w przestrzeni roboczej 3D.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analizy dzięki mierzalnym wynikom kinematycznym (trajektoria nadgarstka) oraz dyskretnym pomiarom typu chwytu z czujników dotykowych.
- Analityka: Umożliwia analizę histogramów czasu po bodźcu oraz klastrowanie trajektorii w celu porównania dostrojenia neuronalnego w zależności od pozycji i tożsamości obiektów.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną poprzez zastosowalność interfejsu mózg-maszyna, umożliwiając jednoczesne dekodowanie trajektorii sięgania i typów chwytu.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zaprojektowana jako rekonfigurowalna platforma do powtarzalnych prób z różnymi zestawami obiektów i macierzami przestrzennymi, wspierająca podłużne modele badań.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad kontrolą motoryczną poprzez umożliwienie niezależnej manipulacji zmiennymi parametrami sięgania i chwytania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki zsynchronizowanemu, sterowanemu silnikowo przesunięciu 3D i rotacji obiektu, co minimalizuje zmienność zależną od eksperymentatora.
- Wartość strategiczna: Zwiększa pewność decyzji go/no-go w programach regeneracji motorycznej poprzez walidację zaangażowania celu za pomocą mierzalnych odczytów kinematycznych i neuronalnych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowany do ryzyka rozwój kandydatów do neuromodulacji lub rehabilitacji, dostarczając przedklinicznych dowodów na specyficzną dla celu modulację obwodów motorycznych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w szkoleniu naczelnych, obsłudze systemów przechwytywania ruchu oraz akwizycji sygnałów neuronalnych w celu skutecznego wdrożenia.
- Zależny od precyzyjnych komponentów mechanicznych (prowadnice liniowe, silniki krokowe, pierścienie ślizgowe) oraz protokołów kalibracji w celu dokładnego pozycjonowania 3D.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w obszarze neuronauki, inżynierii i analizy behawioralnej dla spójnego mapowania obiektów i pozycji.
- Adaptacja w różnych systemach modelowych może wymagać skalowania komponentów mechanicznych oraz rozdzielczości czujników, aby dopasować je do kinematyki specyficznej dla danego gatunku.
- Ograniczenia praktyczne obejmują zależność od sukcesu w szkoleniu naczelnych oraz konieczność ręcznej inicjalizacji stołu obrotowego i urządzenia translacyjnego przed każdą sesją.
