Summary
ويرد نموذج للتدريب وتحليل مهمة التوصل الماهرة الآلي في الفئران. تحليل محاولات سحب يكشف فرعية متميزة من التعلم الحركي.
Abstract
وتستخدم المهام الوصول المهرة عادة في الدراسات من تعلم المهارات الحركية وظيفة الحركة في ظل ظروف صحية ومرضية، ولكن يمكن أن يكون للزمن مكثف وغامضة لقياس ما وراء معدلات النجاح بسيطة. هنا، نحن تصف الإجراء التدريب للقيام بمهام الوصول وسحب مع ETH Pattus، منصة روبوتية لforelimb الآلي الوصول إلى التدريب الذي سجلات الشد والجذب حركات دوران اليد في الفئران. الكمي الحركية من محاولات سحب تنفيذ يكشف وجود ملامح الزمنية متميزة من المعلمات حركة مثل سحب سرعة، التغير المكاني للمسار سحب والانحراف من خط الوسط، وكذلك سحب نجاح. وتبين لنا كيف تعديلات طفيفة في نموذج التدريب تؤدي إلى إحداث تغييرات في هذه المعايير، وكشف عن علاقتها تكليف صعوبة، وظيفة السيارات العامة أو تنفيذ المهمة المهرة. جنبا إلى جنب مع تقنيات الكهربية، الدوائية وعلم البصريات الوراثي، وهذا النموذج يمكن استخدامهالاستكشاف الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي وتشكيل الذاكرة، فضلا عن فقدان واستعادة وظيفة (على سبيل المثال بعد السكتة الدماغية).
Introduction
وتستخدم على نطاق واسع المهام الحركية لتقييم التغيرات السلوكية والعصبية المتعلقة التعلم الحركي أو إلى تغيرات في وظيفة الحركة في النماذج الحيوانية عصبية أو الدوائية. وظيفة الحركية الدقيقة يمكن أن يكون من الصعب تحديد في القوارض، ولكن. المهام التي تتطلب المهارة اليدوية، مثل التلاعب من الحبوب 1، المعكرونة 2، أو بذور عباد الشمس 3 حساسة ولا تتطلب تدريبا مكثفا للحيوان. العيب الرئيسي هو أن هذه المهام تسفر عن نتائج معظمها النوعية، ويمكن أن يكون من الصعب أن يسجل بشكل لا لبس فيه.
المهام التوصل الماهرة، مثل الاختلافات من بيليه واحد الوصول مهمة هي الأكثر وضوحا لتحديد 4، 5. ومع ذلك، والعوامل الحركية التي تكمن وراء التنفيذ الناجح لهذه المهام لا يمكن إلا أن يستدل على نطاق محدود وتتطلب كثيفة العمالة الإطار حسب الإطار الفيديوnalysis.
اكتسبت الأجهزة الروبوتية شعبية كوسيلة لقياس جوانب وظيفة forelimb والمهارات الحركية. تتوفر العديد من المهام الآلي الوصول. التركيز الأغلبية على جانب واحد من حركة forelimb، مثل سحب من مؤشر على طول دليل خطي 6 و 7 و بسيطة وحركات الأطراف البعيدة 8، أو كب والبسط من مخلب 9. في حين تظهر هذه الأجهزة وعد لتحليل وظيفة الحركة في، فإنها تعكس فقط الإجراءات الحركية المعقدة نفذت خلال بيليه واحد الوصول إلى محدودة تمديد.
هنا، ونحن لشرح استخدام جهاز ثلاثة درجة-من-الحرية الروبوتية، ETH Pattus، وضعت لتدريب وتقييم المهام الحركية المختلفة في الفئران 10 و 11. فإنه يسجل مستو وحركة دورانية من الحركات الفئران forelimb في متناول اليد، فهم، وسحب المهام التي نفذت في المستوى الأفقي. الفئران تتفاعل مع الروبوت عن طريق مقبض كروي 6 مم القطر التي يمكن الوصول إليها من خلال نافذة في اختبار قفص (العرض: 15 سم، الطول: 40 سم، الطول: 45 سم) وانتقل في المستوى الأفقي (دفع وسحب الحركات) وتناوب (حركات كب-استلقاء). وبالتالي، فإنه يمكن الفئران لتنفيذ الحركات التي تقارب الذين أعدموا خلال المهام بيليه الوصول إلى واحدة التقليدية. نافذة هو 10 ملم واسعة وتقع على بعد 50 مم فوق أرضية القفص. يقع المقبض 55 مم فوق الأرض. والأبواب لبنات انزلاق الوصول إلى مقبض بين الوصول إلى المحاكمات ويفتح عند وصول الروبوت موقف بدايته ويغلق بعد اكتمال المحاكمة. بعد حركة نفذ بشكل صحيح، تتلقى الفئران مكافأة الطعام على الجانب الآخر من اختبار القفص.
يتم التحكم في الروبوت عن طريق برنامج ويسجل الناتج من 3 الترميز دوارة في 1000 هرتز، مما أسفر عن معلومات حول موقف سو المقبض في المستوى الأفقي، وكذلك زاوية دورانه (لمزيد من التفاصيل، أنظر المرجع 11). وقد حددت شروط المطلوبة لتنفيذ المهمة بنجاح في البرنامج قبل كل دورة تدريبية (على سبيل المثال الحد الأدنى المطلوب سحب المسافة وأقصى انحراف عن خط الوسط في مهمة الوصول وسحب). يتم تسجيل موقف مرجعية موحدة الأولي للمقبض مع حامل ثابت في بداية كل دورة تدريبية. يستخدم هذا المرجع لجميع التجارب خلال فترة الدورة، مؤكدا موقف بداية المستمر من المقبض لكل محاكمة. وأكد المواقع المستمر للمقبض المتعلقة نافذة قفص من قبل محاذاة علامات على القفص والروبوت (الشكل 1).
وتسجل تسجيلات فيديو للحركات الوصول باستخدام سرعة عالية كاميرا صغيرة (120 لقطة / ثانية، 640 × 480). والشاشة الصغيرة في عرض الكاميرا يظهر رقم تعريف الفئران، وتدريب الدورة،عدد المحاكمة ونتيجة المحاكمة (نجاح أو فشل). وتستخدم هذه أشرطة الفيديو للتحقق من النتائج المسجلة، وتقييم الآثار التوصل الحركات التي تسبق اللمس، وسحب أو دوران المقبض.
هنا، ونحن لشرح استخدام هذه المنصة الروبوتية في اختلافات مهمة الوصول وسحب. يمكن تدريب هذه المهمة في غضون فترة زمنية يمكن مقارنتها نماذج التوصل الماهرة الأخرى، ويعطي نتائج قابلة للتكرار. نحن تصف بروتوكول تدريب نموذجي، وكذلك بعض من معلمات الإخراج الرئيسية. وعلاوة على ذلك، وتبين لنا كيف يمكن للتغييرات طفيفة في بروتوكول التدريب المستخدمة يمكن أن يؤدي إلى دوام غيرت من النتائج السلوكية التي قد تمثل فرعية مستقلة في إطار عملية تعلم المهارات الحركية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
وتمت الموافقة على التجارب المعروضة هنا من قبل مكتب البيطرية في كانتون زيورخ، سويسرا وونفذت وفقا للوائح وطنية ومؤسسية.
1. شروط التغذية
ملاحظة: يتم تنفيذ جميع الدورات التدريبية في إطار بروتوكول تغذية المحدد.
- إطعام الفئران 50 جم / كجم من طعام القياسية مرة واحدة في اليوم، وبعد اكتمال التدريب. هذه الكمية من الغذاء ما يكفي لمنع فقدان الوزن الرئيسية (وزن الجسم> 90٪ من وزن تغذية خالية)، ولكن صغيرة بما يكفي لضمان تكييف السلوكي استنساخه. وزن الفئران يوميا لضمان وزن الجسم لا تزال مستقرة.
قد يكون بين عشية وضحاها إضافية (10-12 ساعة) الحرمان من الغذاء المفيد قبل أول جلسة مكافأة للمس (الخطوة 2.3): ملاحظة.
2. إجراء تدريب للمهمة الوصول وسحب
- إعداد: السماح للفئران لروض لمن أقفاص المنازل الجديدة لفي مرجةالحادي وبعد أسبوع من وصوله إلى منشأة الحيوان. التعامل مع الفئران بانتظام خلال هذا الوقت، وإعطاء الكريات الدقة بلا غبار في قفص المنزل إلى روض الفئران للغذاء جديد. وسوف تستخدم هذه الكريات كمكافآت في جميع أنحاء بروتوكول التدريب.
- التعود: ضع الفئران في اختبار قفص ل30-45 دقيقة، وتقدم 30-50 الكريات في وعاء التغذية، ويخلط مع طعام مسحوق. فتح وإغلاق نافذة القفص وتشغيل موزع بيليه في بعض الأحيان إلى روض الفئران لصوتهم.
- كرر هذا لمدة 2-3 أيام.
- مكافأة لمسة: تدريب الفئران للمس مقبض كروي من خلال النافذة قفص ثم الانتقال إلى الجانب الآخر من القفص لاسترداد مكافأة الغذاء.
- ضبط إعدادات البرنامج بحيث يقع مقبض خارج النافذة قفص اختبار في بداية كل محاكمة ومحاذاة التعامل مع وسط النافذة القفص. عندما التجارب الناجحة، أي </ م>، في أقرب وقت لمسة خفيفة على مقبض (0.25 ملم النزوح في أي اتجاه) تم الكشف، تسمع صوت نغمة والاستغناء مكافأة. تصنيف المحاكمات كما فشلت عندما تم الكشف عن أي اتصال لمدة 180 ق بعد فتح النافذة.
- وضع الفئران في قفص التدريب. مطالبة الفئران للوصول بها السماح لها الاستيلاء على بيليه الذي عقد بالقرب من المقبض. توجيه انتباه الفئران إلى مقبض والغذاء وعاء بالنقر على القفص.
- وقف دفع عند وصول الفئران بشكل مستقل من خلال نافذة القفص وباسترداد الغذاء بيليه.
- تستمر حتى يتم الانتهاء من 100 تجربة (لمسات) أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
- مواصلة التدريب لمدة 3-4 أيام وتبدأ المرحلة التالية من التدريب (الخطوة 2.4) عند الفئران تحقيق 100 المحاكمات في غضون 30 دقيقة في 2 أيام متتالية.
ملاحظة: لا تبالغ في تدريب هذه الخطوة. الهدف من المكافأة التي تعمل باللمس هو تحقيق التفاعل موثوق بين الفئران والروبوت، بحيث يمكن أن تكون على شكل هذا السلوك فيالتدريب اللاحق.
- سحب مجاني (FP): تدريب الفئران على التواصل وسحب مقبض الروبوت.
- ضبط إعدادات البرنامج بحيث مقبض يقع 18 ملم من نافذة في بداية كل تجربة، ويجب أن يتم سحبها لمدة 10 مم على الأقل دون انقطاع لتجربة ناجحة. لا توجد أية قيود الجانبية على حركة سحب في هذه المرحلة.
- تصنيف محاكمة كما فشلت عندما لم تحرك مقبض ل180 ق بعد فتح النافذة، وعندما يتم نقل المؤشر خارج مساحة العمل يمكن الوصول إليها (أكثر من 12 ملم من خط الوسط)، أو عندما تكون الفئران قد سحبت أقل من 10 ملم في وقد تم الكشف عن 5 ثوان بعد اول لمسة.
- يحيط علما عدة مرات وتستخدم مخلب اليسار واليمين خلال المحاكمات 20 الأولى من الدورة FP الأولى. يعتبر مخلب يستخدم في 80٪ على الأقل من المحاكمات مخلب المفضل.
ملاحظة: باو تفضيل قد تكون واضحة في الثوابجلسات بلمسة و. - حرك مقبض أفقيا حتى تتماشى مع حافة النافذة لتسهيل سحب مع مخلب المفضل (أي تحريك الروبوت 5 ملم إلى الجانب الأيسر من النافذة بالنسبة للفئران سلمت اليمين والعكس بالعكس).
ملاحظة: ضع المؤشر في هذه بالضبط نفس الموقف بالنسبة للقفص لجميع الدورات التدريبية التالية لهذا الجرذ. ضمان وضع المحدد من قبل علامات على جدار القفص وعلى الروبوت. - وضع الفئران في قفص التدريب وتدريب حتى يتم الانتهاء من 100 محاكمات أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
ملاحظة: إذا لم الفئران التواصل بعيدا بما فيه الكفاية، يدفع من قبل السماح لها الاستيلاء على بيليه الذي عقد بالقرب من المقبض. قد يتوقف الفئران في محاولة لسحب بعد المحاولات الفاشلة المتكررة. اضغط على القفص، والسماح لهم الاستيلاء على كريات عقد مع زوج من الملقط أو الاستغناء عن بيليه لاستعادة دوافعهم. - لالتجارب التي تنطوي على تدريب FP الوحيد، مواصلة التدريب كما هو موضح في 2.4.
لاالشركة المصرية للاتصالات: عادة، هناك حاجة إلى 1-2 جلسات FP للمساعدة في الانتقال من لمسة مكافأة ليرة سورية (مستقيم السحب) التدريب. والهدف من هذه الدورات FP هو روض الفئران للوصول، والاستيلاء على سحب المقبض، بدلا من لمسة الوحيد الذي. كما هو الحال مع التدريب مكافأة للمس، فمن المهم عدم الإفراط في القطار إذا كان الهدف هو الانتقال إلى خطوة التدريب المقبلة.
- ضبط إعدادات البرنامج بحيث مقبض يقع 18 ملم من نافذة في بداية كل تجربة، ويجب أن يتم سحبها لمدة 10 مم على الأقل دون انقطاع لتجربة ناجحة. لا توجد أية قيود الجانبية على حركة سحب في هذه المرحلة.
- سحب مباشرة (SP): تدريب الفئران لسحب مقبض دون الانحراف أكثر من 2 مم من خط الوسط.
ملاحظة: يتم تعريف خط الوسط نسبة إلى موضع البدء الروبوت، وليس إلى منتصف نافذة القفص. وبالتالي، فإن محاولة سحب تنتهي في منتصف النافذة قفص يؤدي إلى مسار سحب أن ينحرف أكثر من 2 مم من خط الوسط.- ضبط إعدادات البرنامج بحيث تتم مكافأة فقط محاكمات حيث لا حركة سحب تنحرف أكثر من 2 مم من خط الوسط على جانبي طريق لهجة وبيليه. إبقاء جميع العوامل الأخرى كما هو موضح في الخطوة 2.4.
- وضع الفئران في قفص التدريب وتدريب حتى يتم الانتهاء من 100 محاكمات أو حتى مرت 60 دقيقة، أيهما يأتي أولا.
ملاحظة: قد تصبح الجرذان غاية الإضطراب والتوقف عن محاولة سحب بعد المحاولات الفاشلة المتكررة. اضغط على القفص لإعادة توجيه انتباههم إلى مهمة الوصول، والسماح لهم الاستيلاء على كريات عقد مع زوج من الملقط أو الاستغناء عن بيليه لاستعادة دوافعهم. - مواصلة التدريب حتى الفئران تصل أداء الهضبة، أو التكيف مع فترة التدريب وفقا للهدف من التجربة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
هنا، وتبين لنا 3 اختلافات مهمة الوصول وسحب باستخدام ذكور فئران لونغ إيفانس (10-12 أسابيع من العمر). في المجموعة خالية من السحب (FP) (N = 6)، تم تدريب الفئران لسحب مقبض الروبوت لفترة 22 يوما دون قيود الجانبية. الحيوانات في مباشرة سحب و1 (SP1) مجموعة (N = 12) تم تدريبهم لسحب مقبض دون الانحراف أكثر من 2 مم من خط الوسط. انتقلت هذه الحيوانات مباشرة من المكافأة التي تعمل باللمس (الخطوة 2.3) للتدريب على التوالي سحب (الخطوة 2.5). لكل من تنظيم الأسرة وSP1 الحيوانات، وضعت المؤشر في وسط النافذة القفص. وهذه النتائج التي نشرت سابقا في Lambercy وآخرون. 10 الفئران في المجموعة SP2 (N = 7) تلقى 2 جلسات FP-التدريب قبل الانتقال إلى التدريب على التوالي سحب. كان الانحياز مقبض مع حافة النافذة قفص لهذه المجموعة، مما أدى مهمة أكثر صعوبة قليلا، ومقبض سينحرف أكثر من 2 مم من خط الوسط اذا انسحبتإلى منتصف نافذة القفص.
جميع الفئران تتعلم بسهولة للتفاعل مع manipulandum الروبوتية (الشكل 2A). عدد تسحب صالحة (أي عدد من محاولات سحب حيث يتم سحب مقبض لا يقل عن 10 ملم) يزيد بسرعة وتصل إلى مستويات هضبة مستقرة بعد 2-3 أيام في تنظيم الأسرة وSP1. يزيد من عدد من المحاولات صالحة بنفس المعدل خلال جلسات FP من SP2، مما أدى إلى ثبات عدد تسحب صالحة في كل دورة طوال التدريب ليرة سورية في الفئران SP2. أداء هضبة عالية في جميع نماذج التدريب ومستقلة من معلمات مهمة مثل التعامل مع الموقف وفرض قيود على مبلغ المسموح به للانحراف عن خط الوسط.
الفئران SP1 تصل نسبة نجاح الهضبة (أي نسبة تسحب صالحة أن تبقى ضمن 2 مم من خط الوسط) بعد 5-4 دورات تدريبية (الشكل 2B). تظهر الفئران SP2 لتباطؤ التقدم وهضبة متناول نسبة النجاح بعد 11 جلسات، مشيرا إلى أن التنفيذ الناجح لهذا الإصدار من مهمة سحب على التوالي هو أكثر صعوبة في تحقيقه. نسب النجاح النهائية هي مماثلة لSP1 و SP2.
خلال التدريب ليرة سورية، مسارات سحب تصبح استقامة على نحو متزايد، كما يتضح من انخفاض الانحراف من خط الوسط (أي المنطقة الواقعة بين مسار قياس وخط الوسط) ومما أدى إلى زيادة عدد تسحب الناجحة في كل SP1 و SP2 (الشكل 3، الشكل 5A). ومن المثير للاهتمام، أن متوسط مسار سحب من الفئران FP يصبح أكثر استقامة خلال فترة التدريب 22 يوما أيضا، على الرغم من أن كمية الانحراف عن خط الوسط يستقر على مستوى أعلى مما كان عليه في الفئران SP1. هذا يدل على أن مسار سحب الطبيعي هو مستقيم نسبيا عندما يقع التعامل مع الروبوت في وسط النافذة القفص. عندما يتم محاذاة مقبض ثإيث حافة النافذة، ومع ذلك، فإن مسار puling هو المنحني والانحراف عن خط الوسط لا تزال مستقرة خلال جلسات SP2-FP. الانحراف عن خط الوسط في فريق SP2 لا تزال أعلى مما كانت عليه في مجموعة SP1، على الأرجح نتيجة للخارج مركز التعامل مع التنسيب.
تباين مسارات سحب (أي حجم فاصل الثقة 95٪) ينخفض بسرعة في تنظيم الأسرة وSP1، وتصل إلى مستويات مماثلة في هذه المجموعات بعد 3-4 دورات تدريبية (الشكل 5B). ومن المثير للاهتمام، والحيوانات SP2 لا تظهر هذا الانخفاض في التغير وسحب مستمر مع تقلب منخفض نسبيا خلال جلسات ليرة سورية، ولكن لا تظهر انخفاض سريع لتقلب المسار المنحنى خلال جلسات SP2-FP.
وبالمثل، على حد سواء يعني وذروة سحب سرعة الزيادة خلال دورات تدريبية أولية (FP، SP1 و SP2-FP)، ولكن مستقرة خلال جلسات SP2-SP (الشكلالصورة 5C، 5D). على الرغم من أن لا يتغير متوسط سرعة سحب خلال جلسات SP2، تصبح سحب التشكيلات السرعة أقل متغير الكثير من خلال التدريب (الشكل 4). وينعكس هذا في كل من عدد submovements (أي عدد من تسارع والتباطؤ في حركة سحب، الشكل 5E) وعدد من التجارب مع نقاط (أي محاكمات حيث سحب سرعة تنخفض إلى الصفر، الشكل 5F). بعد انخفاض قوي خلال جلسات SP1 و SP2-FP الأولية، فإن كلا من عدد من submovements وعدد من التجارب مع نقاط تستمر في الانخفاض في SP1 و SP2 طوال فترة التدريب 22 دورة. في الفئران FP، وعدد من submovements والتجارب مع نقاط البداية تتناقص بسرعة أيضا، ولكن يستقر عند مستوى أعلى من المجموعتين على التوالي سحب ولا تظهر التحسن المستمر. ومن المثير للاهتمام، وسحب سرعة لا يبدو أن ترتبط ارتباطا وثيقا بنتائج محاكمة (الشكل 4
و~ 5٪ من الفئران التي لا تعلم بنجاح لتنفيذ المهمة الثابت على سحب عموما لا تعلم لسحب مقبض، ولكن غير قادر على سحب مباشرة (الشكل 6). تظهر هذه الحيوانات انحراف عالية باستمرار من خط الوسط، مما أدى إلى معدلات النجاح منخفضة. الأداء خلال جلسات SP2-FP الحيوان المقدمة هنا خلال يماثل ذلك إلى أن الحيوانات SP2 التي لا يكتسب المهمة بنجاح.
الشكل 1: نظرة عامة على الروبوتية Manipulandum والتعامل مع المواقع. (أ) الرسم التقني تبين manipulandum وعلامات الروبوتية للمواءمة مع القفص التدريب. (ب) مقبض التي عقدت في موقف مرجعية ثابتة في بداية جلسة التدريب. (ج) التعامل في نقطة الانطلاق الحر في شارعفن محاكمة سحب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: منحنيات التعلم النموذجية من مهمة الوصول وسحب. (A) صالح سحب محاولات في مهمة سحب الحرة (اف ب، ن = 6)، مهمة التوالي سحب دون التمهيدية FP-جلسات (SP1، N = 12) ومهمة سحب مباشرة (SP2، N = 7) مع FP- التمهيدية جلسات (SP2-FP). القيم يعني ± SEM (ب) الناجحة محاولات سحب كنسبة مئوية من محاولات صالحة في مهمة سحب على التوالي مع (SP2) ودون (SP1) تمهيدية FP-الجلسات. القيم يعني ± SEM الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): سحب مسارات تصبح تدريجيا استقامة وأقل متغير طوال التدريب لفرقة SP 2. نجاح (أسود)، فشل ترد (الرمادي) ومتوسط (الأخضر) مسارات للدورة التدريبية سحب على التوالي الأولى والأخيرة للحيوان التمثيلي. الخطوط المنقطة تظهر منطقة واسعة 4 ملم من خلاله يتم تنفيذ تجربة ناجحة. النقطة الحمراء تدل على الانطلاق من التعامل معها. معارض النقطة الخضراء نقطة النهاية النظرية ل10 مم محاولة سحب مستقيمة تماما. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (4): </ قوي> متوسط السرعة في اتجاه سحب من محاولات صالح يزيد قليلا خلال التدريب ويصبح أقل متغير من الأولى (A) إلى آخر (ب) دورة تدريبية. ويبين متوسط (الأخضر) والفردية سحب التشكيلات سرعة الناجح (أسود) وفشل (الرمادي) سحب محاولات لحيوان التمثيلي الاضطلاع بالمهمة SP2. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (5): نظرة عامة على معلمات تقاس في حر سحب (اف ب، ن = 6) العمل، على التوالى على العمل السحب بدون تمهيدية FP-جلسات (SP 1، N = 12)، والعمل على سحب مستقيم (SP 2
6 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 54970 / 54970fig6.jpg "/>
الشكل 6: مثال على الحيوانات أن لا تعلم بنجاح لتنفيذ المهمة SP 2. (أ) سحب مسارات في الدورة التدريبية الأولى والأخيرة. نجاح (أسود)، فشل ترد (الرمادي) ومتوسط (الأخضر) مسارات للدورة التدريبية سحب على التوالي الأولى والأخيرة للحيوان التمثيلي. الخطوط المنقطة تظهر منطقة واسعة 4 ملم من خلاله يتم تنفيذ تجربة ناجحة. النقطة الحمراء تدل على الانطلاق من التعامل معها. معارض النقطة الخضراء نقطة النهاية النظرية ل10 مم محاولة سحب مستقيمة تماما. (ب) منحنى التعلم تشير إلى محاولات سحب صالحة وناجحة طوال فترة التدريب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وتستخدم المهام الوصول المهرة عادة لدراسة المحركات اكتساب المهارات وكذلك ضعف وظيفة الحركة في ظل ظروف مرضية 6. تحليل موثوق واضح للوصول إلى السلوك ضروري لدراسة الآليات الخلوية الكامنة وراء اكتساب المهارات الحركية، وكذلك العمليات العصبية المشاركة في الخسارة وانتعاش لاحق من وظيفة في النماذج الحيوانية من الأمراض العصبية. أظهرت النتائج المعروضة هنا كيف الجوانب المكانية والزمانية لحركة سحب تظهر ملامح متميزة خلال التدريب على المهارات الحركية. قد تعكس هذه فرعية مختلفة داخل المهارات الحركية عملية 7، 12 التعلم.
في النتائج المعروضة هنا، وتبين لنا أنه حتى تغيير طفيف في بروتوكول التدريب، مثل نقطة انطلاق مختلفة من مقبض (SP1 مقابل SP2)، والنتائج في ملفات تعريف المعلمة الحركة المتغيرة. عن طريق إضافةجي دورتين FP قبل التدريب سحب مباشرة لدينا بروتوكول التدريب نشرت سابقا 10، تمكنا من فصل آثار التعلم لسحب من المهارة لسحب مباشرة. وبالإضافة إلى ذلك، وضع خارج المركز من التعامل مع الروبوت في هذا المحسن بروتوكول التدريب (SP2) النتائج في مهمة مع منحنى التعلم ضحالة هذا هو أكثر فائدة لدراسة آليات التعلم الحركي لأنها تتيح الوقت للتدخل قبل مستويات الأداء الهضبة هي التوصل إليها. وعلاوة على ذلك، فمن الممكن التمييز بين العوامل ذات الصلة لمهمة التنفيذ من العوامل ذات الصلة لمهمة الصعوبة التي لا تنعكس على الفور في معدلات النجاح، ولكن قد يشير إلى مزيد من الصقل من المهارات الحركية (4). ويمكن اعتبار التنفيذ السلس للحركات سحب، انعكس في عدد من submovements قدرا من المهارة، وسحب مباشرة. على النقيض من ذلك، التغير المكاني لحركة يسقط بسرعة حيث بلغ عدد تسحب صالحةيزيد في كل الصيغ الثلاث المهمة متناول وسحب، ولكن لا علاقة مباشرة لتقليص النجاح في مهام سحب على التوالي، وربما يعكس الوظيفة العامة الحركية أو التقارب في الحركة الصحيحة اللازمة لمحاكمة ناجحة، بدلا من تنفيذ المهمة المهرة مرة واحدة وقد تعلم قواعد مهمة.
إعدام لدينا الروبوتية المهام الوصول وسحب موثوق بها بشكل ملحوظ، واستنساخه بين الحيوانات. جميع الحيوانات المدربة على الحصول على مهمة سحب الحرة، وأغلبية (90-95٪ من الحيوانات) قادرة على تعلم مهمة سحب على التوالي. حتى الحيوانات التي تظهر معدلات النجاح منخفضة باستمرار أثناء سحب مباشرة الاستمرار في تنفيذ عدد كبير من محاولات سحب صالحة. هذه فشلت، ولكن يتم تسجيل محاولات صالحة تماما. فشل التوصل محاولات في مهمة الوصول إلى المهرة الكلاسيكية ينتج عادة في حركة الوصول غير مكتملة. وبالتالي فإنه ليس من الممكن فقط لتحليل جوانب الحركة المتعلقة اكتساب مهمة ناجحة، ولكن اللهوذلك لتقييم أي حركة المعلمات تؤدي إلى الفشل.
في حين أن القياسات المعروضة هنا تعطي معلومات مفصلة حول سحب الحركات، لم يتم القبض على جميع جوانب حركة الوصول وسحب forelimb. أي تغييرات في سلوك الوصول التي تحدث قبل اول لمسة أو بعد صدور مؤشر في نهاية محاولة سحب صالحة لا يتم تسجيلها وبالتالي لا يمكن تحليلها على قدم المساواة مع الدقة. على سبيل المثال، ما لا تقاس عدد من الاستيلاء على محاولات قبل حركة سحب، على الرغم من أنها قد تكون ذات صلة في ما يتعلق نماذج الانتعاش وظيفية. تحليل تسجيلات الفيديو عالية السرعة يوفر هذه المعلومات الإضافية. الأساليب المذكورة سابقا لحركة تتبع 13 و 14 يمكن تكييفها لهذا الغرض.
وعلاوة على ذلك، وتسجيلات لدينا لا توفر معلومات عن نوعية قبضة الفئران من التعامل معها. دورانالتعامل معها، مشيرا إلى كب أو استلقاء من مخلب، يمكن أن توفر بعض التبصر في تركيبة مع فيديو عالي السرعة. منذ التناوب وقبضة تتأثر بشكل خاص في نماذج الفئران السكتة الدماغية 9، 15، 16، وهناك حاجة إلى التجارب في المستقبل لتحديد مدى فعالية المهام الوصول وسحب المقدمة هنا هي في التقاط العجز الحركي بعد السكتة الدماغية.
وقد صممت هذه المهام المعروضة هنا لتقليد المهام الوصول بيليه واحد التقليدية: يستند المسافة سحب المطلوبة على مسافة نموذجية بين النافذة وبيليه في هذه المهام وحرية حركة المؤشر داخل الطائرة الأفقي يمكن قياس مسارات مخلب الطبيعية للفأر على مسافة 10 ملم في التجارب صالحة.
وبالمثل، والمحاكمات غير صالحة حيث يتم نقل مقبض خارج مساحة العمل الروبوت (على سبيل المثال، يتم تمريرها المقبض جانبا خلال سحب) أوحيث المسافة سحبت غير كافية يمكن أن تفسر بأنها تشبه إلى الكريات انخفض في المهام بيليه الوصول إلى واحدة، على الرغم من أن مقبض لا تسقط على الأرض عندما صدر.
هذا التصميم يلتقط أكثر من جوانب حركة سحب من المهام الآلي يهدف إلى قياس حركة واحدة بسيطة. ومع ذلك، فإنه يمكن أيضا التفاعل بين سحب والحركات الدورانية ويعطي الحيوانات الفرصة للحصول على تعويض. نظرة ثاقبة الحركات التعويضية خلال استعادة وظيفة الحركة قد تكون ذات قيمة، ولكن أيضا إلى تعقيد تفسير النتائج.
خطوة حاسمة في الاستحواذ على المهام الوصول وسحب هو تكييف الناجح لخطوة مكافأة مسة من التدريب. دون تدخل موثوق بين الفئران والروبوت، أي خطوات تدريب مزيد من الصعب تنفيذ وقياس بشكل موثوق. من المهم أيضا أن لا إفرط في التدريب الفئران خلال خطوات التدريب الانتقالية، ولكن. في حين أنimals قد يستمر لإظهار التحسينات في الأداء خلال الدورات التدريبية مكافأة لمسة لأكثر من 3-4 أيام، والإفراط في توحيد يمنع تشكيل الفعال للسلوك في مجال التدريب متناول وسحب لاحقا.
وضع ثابت من التعامل معها أمر ضروري لتنفيذ الصحيح وتحليل موثوق من أي بيانات تم الحصول عليها باستخدام مهمة الوصول وسحب الآلية المقدمة هنا. في حين أن موقف مقبض المتعلقة بقية الروبوت وخط الوسط هو المعرفة بالبرمجيات، موقف مقبض نسبة إلى نافذة القفص وتنوعت بسهولة عن طريق تحريك إما جانبية. هنا، لقد أظهرنا كيف محاذاة التعامل مع أي طرف أو وسط النافذة يغير الاستحواذ المهمة، ويمكن استخدامها لدراسة العمليات الأساسية للتعلم المهارات الحركية. محاذاة متخاذلة من التعامل معها خلال فترة التدريب، ومع ذلك، سوف أعرض يتيه الآثار والعوائد قراءات السلوكية لا يمكن الاعتماد عليها.
في وصف بروتوكول هنا، الفئرانويتم تدريب الصورة خلال جلسات يومية تتألف من 100 محاكمات مماثلة لتجاربنا السابقة بيليه واحد تصل إلى 4، 17. مع الاجهزة التدريب الآلي في عدد من التجارب في كل دورة يمكن بسهولة زيادة، دون الحاجة إلى بذل جهد أكبر من جانب الباحث. في حين ارتفاع عدد المحاكمات في كل دورة يمكن أن يؤدي إلى تقلب أقل داخل الفرد، والآثار المترتبة على زيادة عدد المحاكمات في دورة للتدريب على سرعة التعلم والتعافي يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار. وعلاوة على ذلك، فإن عوامل مثل التخمة والتعب تصبح أكثر أهمية ويمكن أن تتداخل مع الأداء في دورات تدريبية طويلة جدا.
وعلى الرغم من وصف السلالة والجنس الاختلافات في المهارات الحركية والقدرة على التعلم لدى الفئران 4، 18، 19، لقد حصلنا على أداء موثوق بها في كل من الذكور سبراغ داولي لالفئران د طويلة ايفانز. الحيوانات الاكبر سنا (4-5 أشهر من العمر) أبطأ بشكل عام من الأصغر سنا (8-10 أسابيع) وتظهر فترات أطول بين التجارب. وعلاوة على ذلك، لاحظنا ضعف الأداء في الحيوانات الأكبر سنا عندما يتم استبدال الغذاء الكريات مع مكافأة المياه السكروز. الحيوانات القديمة التي تلقي المكافآت السائلة تواجه صعوبات عند الانتقال من المكافأة التي تعمل باللمس لسحب. قد يكون سبب ذلك مكافأة تفضيلات المرتبطة بالعمر، وفي هذه الحالة باستخدام مكافأة السائل أكثر استساغة مثل الزبادي أو زيت الفول السوداني قد تسفر عن نتائج أفضل. بدلا من ذلك، سلوك الحيوانات القديمة قد يشير صعوبات في فهم مهمة الوصول إلى أكثر تجريدا (مقارنة بيليه التقليدية الوصول)، على الرغم من أننا نفعل مراقبة سلوك التعلم يمكن الاعتماد عليها في هذه الحيوانات عندما يتم استخدام المكافآت الغذائية الصلبة. وبالتالي، يجب أن لا سيما أن يؤخذ في الاعتبار تأثير مكافأة المختار عند تصميم التجارب حيث استخدام الحيوانات القديمة هو الأفضل (أي في نماذج من السكتة الدماغية أو neurodeمرض توليدي).
نحن لم تدرس بعد الفروق بين الجنسين في تعلم المهارات الحركية باستخدام ETH Pattus. فمن غير المرجح أن إناث الفئران لن تكون قادرة على الحصول على SP أو المهام FP، على الرغم من أن استراتيجيات تعلمهم قد تختلف من الذكور. ومع ذلك، على الرغم من أن دورة داقية تؤثر كثافة العمود الفقري في إناث الفئران، والآثار على منحنيات التعلم واللدونة المتعلقة التعلم في القشرة الحركية الأولية محدودة 20.
يمكن أن تختلف المهام الروبوتية في عدة طرق: الحركة المطلوبة قد تكون أكثر أو أقل دقة (على سبيل المثال، كمية محدودة من الانحراف عن المسار المحدد في مهمة الوصول وسحب)، أو الروبوت قد تتداخل مع أو مساعدة حركة أعدم في أي واحد أو كل ثلاثة أبعاد (الحركات طوليا أو عرضيا في الطائرة، وتناوب زاوية أفقية من المقبض). البعض من الاختلافات حول المهام الوصول وسحب الواردة في هذه الوثيقة، فمن الممكن تصميم المهارات الحركية لكسب المهام حيث على سبيل المثال زاوية دوران المقبض، وأقصى سرعة الحركة، أو الشخصية تسارع تحديد نجاح أي محاكمة.
البعض من السماح الاختلاف السهل من معلمات مهمة، والإعداد التجريبية المقدمة هنا يفصل مكانيا عمل المحرك من ثواب معين، والتي يتم الاستغناء على الجانب الآخر من القفص. التكيف مع حجم الثواب من غير الممكن في المهام الوصول الكلاسيكية دون أن يؤثر ذلك صعوبة المهمة 21 (أ الغذاء بيليه أصغر هو أكثر صعوبة لفهم من أكبر واحد)، كما أنه ليس من الممكن أن تختلف من فرصة مكافأة مستقل عن مستوى المهارات الحيوان. باستخدام مهمة الروبوتية، قد تختلف المكافأة التي تم الحصول عليها لعمل المحرك على أساس المهارة والأداء الحالي، أو قد تكون متنوعة لتقييم العوامل مثل الدافع.
وفي الختام، والتدريب الآلي جنبا إلى جنب مع تحليل حركة الحركية يوفر، طريقة موضوعية الآليلدراسة الحركية تعلم المهارات الذي يحاكي عن كثب المهام التوصل الماهرة التقليدية، ولكن تعطي بيانات إضافية على حد سواء الناجحة والفاشلة محاولات سحب. هذا النهج يفتح آفاقا جديدة للتحقيق في تركيبة مع التدخلات الكهربية، الدوائية أو علم البصريات الوراثي تهدف إلى تعزيز أو تدخل مع حركات اليد وسحب أو الناتجة المكافآت الغذاء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف
Acknowledgments
وأيد هذا البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية، مؤسسة بيتي وديفيد Koetser لأبحاث الدماغ ومؤسسة ETH.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ETH Pattus | ETH Pattus was made by the Rehabilitation Engineering Laboratory of Prof. Gassert at ETH Zurich. | ||
| Training cage | The plexiglass training cage was made in-house. | ||
| Pellet dispenser | Campden Instruments | 80209 | |
| 45-mg dustless precision pellets | Bio-Serv | F0021-J | |
| GoPro Hero 3+ Silver Edition | digitec.ch | 284528 | Small highspeed camera |
| Small display | Adafruit Industries | #50, #661 | 128 x 32 SPI OLED display controlled via an Arduino Uno microcontroller and Labview software |
| LabVIEW 2012 | National Instruments | 776678-3513 | ETH Pattus is compatible with more recent Labview versions. |
| Matlab 2014b | The Mathworks | MLALL |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lambercy, O., et al. Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents. Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Molina-Luna, K., et al. Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PloS one. 4 (9), (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
