Summary
Bir paradigma sıçanlarda otomatik yetenekli ulaşan görevin eğitim ve analizi için sunulmuştur. çekme girişimlerinin analizi, motor öğrenme farklı subprocesses ortaya koymaktadır.
Abstract
Nitelikli ulaşan görevler genellikle sağlıklı ve patolojik koşullar altında motor beceri öğrenme ve motor fonksiyon çalışmalarında kullanılır, ancak zaman yoğun ve belirsiz basit başarı oranları ötesinde ölçmek için olabilir. Burada, ETH Pattus, kayıtları çekme ve sıçanlarda el rotasyon hareketleri o eğitimi ulaşan otomatik ön ayakları için bir robot platformu ile erişim-ve-çekme görevler için eğitim prosedürü açıklar. gerçekleştirilen çekme girişimleri kinematik ölçümü gibi orta hattan hızı, çekme yörünge mekansal değişkenlik, sapma çekerek, yanı sıra başarıyı çekerek olarak hareket parametrelerinin farklı zamansal profilleri varlığını ortaya koymaktadır. Biz eğitim paradigmasında küçük ayarlamalar zorluk, genel motor fonksiyon veya yetenekli görev yürütme görev onların ilişkisini ifşa bu parametrelerdeki değişiklikler neden göstermek. Elektrofizyolojik, farmakolojik ve optogenetic teknikleri ile birleştiğinde, bu paradigma kullanılabilir(inme sonrası örneğin) Motor öğrenme ve hafıza oluşumunun yanı sıra kaybı ve fonksiyon kurtarma altında yatan mekanizmaları keşfetmek için.
Introduction
Motor görevleri yaygın nörolojik ya da farmakolojik hayvan modellerinde motor fonksiyon değişikliklere motor öğrenme veya ilgili davranışsal ve nöral değişiklikleri değerlendirmek için kullanılır. Ince motor fonksiyon, ancak kemirgenlerde ölçmek zor olabilir. Bu tür tahıl 1 manipülasyon, makarna 2 veya ayçiçeği tohumu 3 olarak el becerisi gerektiren görevler, duyarlı ve hayvan kapsamlı bir eğitim gerektirmez. Onların büyük dezavantajı bu görevleri çoğunlukla nitel sonuçlar ve net bir şekilde skor zor olabilir olmasıdır.
Böyle bir görevi ulaşan tek pelet varyasyonları olarak Nitelikli ulaşan görevleri, 4, 5 ölçmek için daha basittir. Ancak, bu görevlerin başarılı bir şekilde yürütülmesini altında yatan kinematik faktörler yalnızca sınırlı ölçüde olayla ve emek-yoğun kare-kare, video a gerektirir edilebilirnalysis.
Robotik cihazlar ön ayakları fonksiyonu ve motor beceri yönlerini miktarının aracı olarak popülerlik kazanmıştır. Çeşitli otomatik ulaşan görevler mevcuttur. Böyle bir doğrusal kılavuz boyunca bir sapın 6, 7, basit distal ekstremite hareketleri pençe 9 8 veya pronasyonu ve supinasyon çekerek bir ön ayakları hareketinin tek yönü üzerinde çoğunluk odak. bu cihazlar içinde motor fonksiyon analizi için umut vaat ederken, onlar sadece karmaşık motor eylemleri uzatmak sınırlı ulaşan tek pelet sırasında idam yansıtmaktadır.
Burada, sıçanlarda 10, 11 çeşitli motorlu görevleri eğitim ve değerlendirilmesi için geliştirilmiş bir üç derecelik serbestlik robotik cihaz, ETH Pattus, kullanımını göstermektedir. Bu düzlemsel ve erişim, kavramak sıçan ön ayakları hareketleri dönme hareketini ve kaydederyatay düzlemde yürütülen görevler çekerek. (Itme ve çekme ve yatay düzlemde hareket fareler test kafesine (45 cm x 15 cm, uzunluk: 40 cm, yükseklik genişlik) bir pencereden ulaşılabilir 6 mm çaplı, küresel kolu ile robot ile etkileşime hareketleri) ve döndürülmüş (pronasyon-supinasyon hareketleri). Bu nedenle, geleneksel tek pelet ulaşan görevler sırasında idam benzeşmekte hareketleri yürütmek için sıçan sağlar. Pencere 10 mm genişliğinde ve kafes yerden 50 mm yer almaktadır. sap yerden 55 mm yer almaktadır. Bir sürgülü kapı blokları deneme ulaşan ve robot başlangıç konumuna ulaştığında ve deneme tamamlandıktan sonra kapandığında açılır arasındaki sapa erişir. düzgün bir şekilde yürütülür hareket sonra, sıçanlar test kafesine karşı tarafında bir gıda ödül almak.
Robot yazılım üzerinden kontrol ve pozisyon o hakkında bilgi sonuçlanan 1000 Hz de 3 döner enkoderler çıktı kayıtları olduğuyatay bir düzlemde, hem de kendi dönme açısı sapa F (Daha fazla bilgi için, 11 referans bakınız). Başarılı bir görev yürütülmesi için gerekli koşullar (örneğin asgari bir erişim-ve-çekme görevi orta hat mesafe ve maksimum sapmayı çekerek gerekli) her antrenmandan önce yazılımda tanımlanır. sapın bir başlangıç standart referans konumu her eğitim oturumunun başında sabit tutucu ile kaydedilir. Bu referans her deneme için sapın sabit başlama pozisyonu güvence, bir oturum içinde tüm çalışmalar için kullanılır. Kafes penceresine tanıtıcı göreceli sabit konumlandırma kafes ve robot (Şekil 1) işaretleri uyum ile güvence altına alınmıştır.
ulaşan hareketlerin Video kayıtları, küçük bir yüksek hızlı kamera (120 kare / sn, 640 x 480 çözünürlük) kullanılarak kaydedilir. Kameranın görünümünde küçük bir ekran oturumu eğitim, sıçan kimlik numarasını gösterir,deneme numarası ve deneme sonucu (başarı ya da başarısız). Bu videolar kaydedilen sonuçları doğrulamak ve dokunma önce hareketleri ulaşan sapı çekerek veya rotasyon etkilerini değerlendirmek için kullanılır.
Burada, bir erişim-ve-çekme görevi varyasyonları bu robot platformunun kullanımını göstermektedir. Bu görev, diğer yetenekli ulaşan paradigmalar karşılaştırılabilir ve tekrarlanabilir sonuçlar verir bir süre içinde eğitilmiş olabilir. Biz tipik bir eğitim protokolü, yanı sıra bazı temel çıkış parametreleri açıklar. Ayrıca, biz kullanılan eğitim protokolü küçük değişiklikler motor beceri öğrenme süreci içinde bağımsız subprocesses temsil edebilir davranışsal sonuçlar değişmiş zamanlı kurslar neden olabilir nasıl gösterir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Burada sunulan deneyler Zürih, İsviçre Kanton Veteriner Dairesi tarafından onaylanmış ve ulusal ve kurumsal düzenlemelere göre yapılmıştır.
1. Besleme Koşulları
NOT: Tüm eğitim oturumları planlanmış bir beslenme protokolü altında yapılmaktadır.
- Eğitim tamamlandıktan sonra, günde bir kez sıçanlar standart yem 50 gr / kg besleyin. Gıda Bu miktar (vücut ağırlığı serbest besleme ağırlığının>% 90 olan) büyük kilo kaybını önlemek için yeterli olduğunu, ancak tekrarlanabilir davranış klima sağlamak için yeterince küçük. kendi vücut ağırlığı stabil kalmasını sağlamak için günlük sıçan tartılır.
NOT: Ek bir gecede (10-12 saat) gıda yoksunluğu ilk ödül dokunmatik oturumunda (adım 2.3) öncesinde yararlı olabilir.
Bir Reach-ve-çekme Görev 2. Eğitim Prosedürü
- Hazırlanışı: fareler lea de onların yeni ev kafeslerde alışmakta izin verst hayvan barınağında geldikten sonra bir hafta. Bu süre zarfında düzenli olarak sıçan işlemek ve yeni gıda sıçan alıştırmak için evde kafes içinde tozsuz hassas pelet verir. Bu topaklar bir eğitim protokolü boyunca ödülleri olarak kullanılacaktır.
- Alışma: 30-45 dakika süreyle test kafeste sıçan yerleştirin ve toz yem ile karıştırılarak besleme kapta 30-50 pelet sağlamak. Açın ve kafes penceresini kapatmak ve ses sıçan alıştırmak için bazen pelet dağıtıcı çalıştırın.
- 2-3 gün için bu işlemi tekrarlayın.
- Dokunmatik ödüllendirin: kafes pencereden küresel kolu dokunmak sıçan Tren ve daha sonra bir gıda ödül almak için kafesin zıt tarafına geçmek için.
- sap, her deneme başında sadece test kafes pencere dışında yer alır, böylece yazılım ayarlarını yapın ve kafes pencerenin merkezi ile kolunu aynı hizaya getirin. Ne zaman denemeler, yani başarılı </ Em>, en kısa sürede tespit edildiğini sap (herhangi bir yönde 0.25 mm deplasman) hafif bir dokunuş olarak, bir ses duyulur ve bir ödül dağıtılır. penceresi açılır sonra hiçbir dokunuş 180 s için tespit edildiğinde başarısız olarak denemeler sınıflandırır.
- Eğitim kafeste sıçan yerleştirin. o sap yakınında düzenlenen bir topak de kapmak izin vererek ulaşmak için sıçan istemi. kafes dokunarak sap ve gıda kase için sıçan dikkatini yönlendirin.
- Sıçan bağımsız kafes pencereden ulaşır ve gıda pelet alırken isteyen durdurun.
- 100 denemeler (dokunur) tamamlanıncaya kadar devam edin ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
- 3-4 gün eğitim devam edin ve fareler 2 gün üst üste 30 dakika içinde 100 denemeler ulaşmak zaman eğitim (adım 2.4) sonraki aşamada başlar.
NOT: Bu adımı aşırı eğitmek etmeyin. Bu davranış, şekillendirilebilir, böylece ödül dokunma amacı, sıçan ve robot arasında güvenilir bir etkileşim elde etmektirsonraki eğitim.
- Ücretsiz çekme (FP): uzanmak ve robot kolu çekmek için fareler eğitin.
- sap, her deneme başında penceresinden 18 mm bulunur ve başarılı bir deneme için kesintisiz en az 10 mm çekilmeli, böylece yazılım ayarlarını yapın. Bu aşamada çekerek hareketi hiçbir yan kısıtlama yoktur.
- sap penceresi açılır sonra 180 sn boyunca hareketsiz kaldığında zaman başarısız bir deneme sınıflandırmak sap ulaşılabilir çalışma alanı (orta hattan fazla 12 mm) dışında hareket ettirildiğinde, ya da sıçan içinde en az 10 mm çekti zaman ilk dokunuş sonra 5 s tespit edildi.
- İlk FP seansın ilk 20 çalışmalar sırasında sol ve sağ pençe kullanılan kez numarasını not alın. çalışmaların en az% 80 kullanılan ayak tercih edilen ayak olarak kabul edilir.
NOT: pençe tercihi zaten ödül açık olabilirDokunmatik oturumları. - O Tercih pençe çekme kolaylaştırmak için pencerenin kenarına aynı hizaya gelene kadar (sağ elini sıçan ve tersi için pencerenin sol tarafında robot 5 mm hareket yani) yanal kolu hareket ettirin.
NOT: Bu sıçan için aşağıdaki eğitim oturumları için kafese tam bu aynı konuma kolu yerleştirin. kafes duvara ve robot üzerinde işaretleri kesin yerleşim sağlamak. - 100 denemeler tamamlanıncaya kadar eğitim kafes ve tren sıçan koymak ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
NOT: Sıçan yeterince dışarı ulaşamazsa, o sap yakınında düzenlenen bir topak de kapmak izin vererek bunu isteyecektir. Sıçanlar tekrarlanan başarısız girişimden sonra çekmeye çalışırken vermeyebilir. Kafesteki dokunun onları forseps bir çift ile yapılan pelet kapmak ya da motivasyon geri yüklemek için bir pelet dağıtmak edelim. - 2.4 anlatıldığı gibi sadece FP eğitimi içeren deneyler için, eğitim devam ediyor.
YOK HAYIRTE: Genellikle, 1-2 FP oturumları SP (Düz çekin) eğitime ödül dokunmatik geçiş yardımcı olmak için gereklidir. Bu FP oturumların hedefi yerine yalnızca bir dokunuşla ona göre, kolu uzanmak, kapmak ve çekme sıçan alıştırmak etmektir. ödül-touch eğitimi olduğu gibi, aşırı-treni değil amaç bir sonraki eğitim aşamasına geçiş ise önemlidir.
- sap, her deneme başında penceresinden 18 mm bulunur ve başarılı bir deneme için kesintisiz en az 10 mm çekilmeli, böylece yazılım ayarlarını yapın. Bu aşamada çekerek hareketi hiçbir yan kısıtlama yoktur.
- Düz çekme (SP): orta hattan en fazla 2 mm sapmadan kolu çekmek için fareler eğitin.
NOT: orta hat değil kafes penceresinin orta noktasına, robotun başlangıç pozisyonuna göre tanımlanır. Bu durumda, kafes penceresinin orta noktasında sona eren bir çekme girişiminde orta hat 2 mm'den daha fazla sapma bir çekme yörünge neden olur.- çekme hareketi her iki tarafta orta hattan en fazla 2 mm sapma değil sadece denemeler bir tonda ve pelet tarafından ödüllendirilir, böylece yazılım ayarlarını yapın. Adım 2.4 açıklandığı gibi diğer tüm parametreleri tutun.
- 100 denemeler tamamlanıncaya kadar eğitim kafes ve tren sıçan koymak ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
NOT: Sıçanlar son derece heyecanlı olmak ve tekrarlanan başarısız girişimden sonra çekmeye çalışırken vermeyebilir. Ulaşan görev dikkatlerini yönlendirmek, onları forseps bir çift ile yapılan pelet kapmak ya da motivasyon geri yüklemek için bir pelet dağıtım izin kafesin üzerine dokunun. - Sıçanlar plato performansını ulaşana kadar eğitim devam ya da bir deney amaca göre antrenman dönemi adapte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada, erkek Long-Evans sıçanları (10-12 haftalık) kullanarak erişim-ve çekme görevi 3 farklılıklar göstermektedir. serbest-pull (FP) grubunda (N = 6), fareler yanal kısıtlama olmadan bir 22 günlük süre için robotun kolu çekin eğitilmiştir. Hayvanlar orta hattan en fazla 2 mm sapmadan kolu çekmek için eğitilmiştir (N = 12) 1 (SP1) grubu düz çekin. Bu hayvanlar ödül-touch düz çekme eğitimi (adım 2.3) (adım 2.5) doğrudan geçiş. Her iki FP ve SP1 hayvanlar için sap kafes pencerenin ortasına yerleştirildi. Bu sonuçlar, daha önce Lambercy et al yayınlandı. SP2 grubunda 10 Sıçanlar (N = 7) düz çekme eğitime geçmeden önce 2 FP-eğitim oturumları aldı. sap bu grup için kafes penceresinin kenarına ile uyumlu, elde edilen biraz daha zor bir görev çekti eğer sap orta hattan en fazla 2 mm sapma gibi olduğunuKafes penceresinin orta noktasına.
Tüm sıçanlar kolaylıkla robotik manipulandum (Şekil 2A) ile etkileşim öğrenirler. (Yani sap, en az 10 mm çekilir çekme girişimi sayısı) geçerli çeker sayısı hızla artar ve FP ve SP1 2-3 gün sonra stabil plato seviyelerine ulaşmaktadır. Geçerli girişim sayısı SP2 sıçanlarda SP eğitim boyunca oturum başına geçerli bir çeker istikrarlı bir sayıda yol, SP2 FP oturumları sırasında benzer bir oranda artar. Yayla performansı tüm eğitim paradigmaları yüksektir ve orta hattan sapma izin miktarına kolu konumu ve sınırları gibi görev parametreleri bağımsızdır.
SP1 sıçanlar (yani orta hat 2 mm içinde kalır geçerli çeker yüzdesi) 5-4 eğitim oturumları (Şekil 2B) sonra plato başarı oranını ulaşır. SP2 sıçanlar bir gösterebilirdüz çekme görevi bu sürümü başarılı yürütme elde etmek daha zor olduğunu belirten 11 seans sonra yavaş ilerleme ve erişim plato başarı oranı. Nihai başarı oranları SP1 ve SP2 için benzerdir.
SP eğitim sırasında, çekme yörüngeler orta hattan sapması düşmüştür kanıtladığı gibi, giderek daha düz hale (yani ölçülen yörünge ve orta hatta arasındaki bölge) ve SP1 ve SP2 hem de başarılı çeker (Şekil 3, Şekil 5A) sayısında artış ile sonuçlanır. orta hat sapma miktarı SP1 farelerde daha yüksek bir seviyede stabilize olmasına rağmen, İlginç bir şekilde, AP sıçanların ortalama çekme yörüngesi, hem de 22 günlük bir eğitim süresi içinde daha düz hale gelir. Bu robotun tanıtıcı kafes penceresinin merkezinde olduğunda doğal çekme yörünge nispeten düz olduğunu gösterir. sap W hizalandığındaPencerenin kenarına i, ancak, puling yörünge kavisli ve orta hattan sapma SP2 FP seansları sırasında sabit kalır. SP2 grubundaki orta hat sapma olasılıkla merkez dışı kolu yerleştirme sonucu, SP1 grubuna göre daha yüksektir.
Çekme yörüngeleri değişkenliği (% 95 güven aralığı yani boyutu) FP ve SP1 hızla düşer ve 3-4 eğitim oturumları (Şekil 5B) sonra bu gruplarda benzer seviyelere ulaşır. İlginçtir, SP2 hayvanlar değişkenliği bu azalma görünmüyor ve sürekli SP oturumları sırasında nispeten düşük değişkenlik çekme, ancak SP2 FP oturumları sırasında yörünge değişkenlik hızlı bir düşüş gösteriyor.
Benzer şekilde, hem ortalama hem de zirve ilk eğitim oturumları (FP, SP1 ve SP2-FP) sırasında hız artışı çekerek, ancak (SP2 SP oturumları sırasında Şekil stabildirs 5C, 5D). Ortalama çekme hızı SP2 oturumlarında değişmemesine rağmen, çekme hızı profilleri (Şekil 4) daha az değişken eğitim yoluyla olur. (Hız çekerek sıfır, Şekil 5F düşer nerede yani denemeler) Bu submovements sayısında hem de ve durakları ile deneme sayısı (çekme hareketi, Şekil 5E içinde ivmeler ve deselerasyonların yani sayı) yansıtılır. İlk SP1 ve SP2-FP oturumları sırasında güçlü bir azalma, hem submovements sayısı ve duraklı çalışmaların sayısından sonra 22 seanslık eğitim süresi boyunca SP1 ve SP2 azalmaya devam ediyor. FP sıçanlarda, duraklı submovements ve deneme sayısı başlangıçta hızla yanı sıra azalma, ancak her ikisi de düz çekme gruplarına göre daha yüksek bir düzeyde stabilize ve devam eden iyileşme görünmüyor. İlginçtir, hız çekerek (Şekil 4 deneme sonucuna yakından ilişkili olması görünmüyor
Başarıyla genellikle düz çekme görevi gerçekleştirmek için öğrenmek değil sıçanların ~% 5 kolunu çekin öğrenmek, ama düz (Şekil 6) çekmemelerine yoktur. Bu hayvanlar, düşük başarı oranları ile sonuçlanan, orta hattan sürekli yüksek sapma gösteriyor. SP2 FP seansları sırasında burada sunulan hayvan sırasında performans görevini başarıyla elde do SP2 hayvanların bu aksi takdirde karşılaştırılabilir.
Şekil 1: Robotik Manipulandum Genel Bakış ve Konumlandırma tutun. (A) eğitim kafes ile uyum için robotik manipulandum ve işaretleri gösteren Teknik resim. (B) bir eğitim oturumunun başlangıcında sabit referans konumunda tutulur Kolu. (C) st ücretsiz başlangıç pozisyonunda Saplıbir çekme deneme sanatı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: Reach-ve-çekme Görev tipik öğrenme eğrileri. (A) Geçerli giriş FP- ile ücretsiz bir çekme görevinde girişimleri çekerek (FP, N = 6), düz çekme tanıtım FP-oturumları olmadan görev (SP1, N = 12) ve bir düz çekme görevi (SP2 N = 7) oturumları (SP2 FP). Değerler (SP2) ve (SP1), tanıtım FP-oturumları olmadan düz bir şekilde çekerek görev geçerli girişimleri yüzdesi olarak ortalama ± SEM (B) Başarılı çekerek girişimleri vardır. Değerler ortalama ± SEM olan bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3: Çekme Yörüngeler SP 2 Görev Eğitimi boyunca aşamalı Düzgün ve az Değişken olur. Başarılı (siyah), (gri) ve ortalama (yeşil) yörüngeleri temsili hayvan için ilk ve son düz çekme eğitim oturumu için gösterilmiştir başarısız oldu. Noktalı çizgiler başarılı bir deneme yürütüldüğü içinde 4 mm genişliğindeki bölgeyi gösterir. red dot kolunun başlangıç konumunu gösterir. yeşil nokta bir mükemmel düz 10 mm çekerek girişimi teorik uç noktasını gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: </ strong> Ortalama Hız Geçerli girişimleri ve Çekme Yönü Eğitimi boyunca Biraz artırır ve Son (B) Birinci (A) Eğitim Session den daha az değişken Oluyor içinde. girişimleri çekerek Ortalama (yeşil) ve başarılı (siyah) bireysel çekme hızı profilleri ve başarısız (gri) SP2 görevini yürüten bir temsilci hayvan için gösterilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5: Bir Çekme Free Ölçülen Parametreler Genel Bir Bakış (FP, N = 6) Görev, Tanıtım FP-oturumları olmadan Düz Çekme Görev (SP 1, N = 12) ve bir düz çekin Görev (SP 2
6 "src =" / files / ftp_upload / 54970 / 54970fig6.jpg "/>
Şekil 6: Başarıyla SP 2 Görev gerçekleştirin öğrenin etmez bir Animal örneği. (A) ilk ve son antrenman seansında yörüngeleri Çekme. Başarılı (siyah), (gri) ve ortalama (yeşil) yörüngeleri temsili hayvan için ilk ve son düz çekme eğitim oturumu için gösterilmiştir başarısız oldu. Noktalı çizgiler başarılı bir deneme yürütüldüğü içinde 4 mm genişliğindeki bölgeyi gösterir. red dot kolunun başlangıç konumunu gösterir. yeşil nokta bir mükemmel düz 10 mm çekerek girişimi teorik uç noktasını gösterir. Eğitim süresi boyunca geçerli ve başarılı çekme girişimleri gösteren (B) Öğrenme eğrisi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nitelikli ulaşan görevler genellikle patolojik durumlar 6 altında motor beceri edinimi yanı sıra motor fonksiyon bozukluğunu incelemek için kullanılır. davranışı ulaşma güvenilir ve kesin analizi motor beceri kazanımı, hem de kayıp ve nörolojik hastalığın hayvan modellerinde fonksiyonunun geri kazanılması yer nörofizyolojik işlemleri altında yatan hücresel mekanizmaları üzerinde çalışılması için gereklidir. Burada sunulan sonuçlar çekerek hareketin mekansal ve zamansal açıdan, motor beceri eğitimi sırasında farklı profilleri göstermek göstermek. Bu süreç 7, 12 öğrenme motor becerilerin içinde farklı subprocesses yansıtabilir.
Burada sunulan sonuçlar, gösterdiğimiz böyle sap (SP2 vs SP1) farklı bir başlangıç pozisyonu olarak eğitim protokolü bile küçük bir değişim, değişen hareket parametre profilleri ile sonuçlanır. add tarafındanönce bizim daha önce yayınlanmış eğitim protokolü 10 düz çekme eğitim iki FP oturumları ing, biz düz çekmek için beceri çekmek için öğrenme etkilerini ayırmak başardık. Buna ek olarak, bu geliştirilmiş eğitim protokolü (SP2) plato performans seviyeleri önce müdahaleler için zaman sağlar ve motor öğrenme mekanizmaları çalışmak için daha avantajlı olan bir sığ bir öğrenme eğrisi ile bir görev sonuçları robotun kolunun merkez dışı yerleştirme ulaştı. Ayrıca, hemen başarı oranları yansıtılmaz görevin zorluğuna bağlı faktörlerin yürütme görev ile ilgili faktörleri ayırt etmek, fakat motor beceri 4 ileri arıtma gösterebilir mümkündür. submovements etme sayısı tarafından yansıtılır çekme hareketleri düzgün yürütülmesi düz çekme tecrübeli bir ölçüsü olarak kabul edilebilir. Bunun aksine, harekete mekansal çeşitlilik geçerli bir çeker sayısı hızla düşerErişim-ve-çekme görevi her üç versiyonu artar, ancak doğrudan düz çekme görevleri başarı çekerek ile ilişkili değildir ve bir kez genel motor işlevi veya yakınsama başarılı bir deneme için gerekli olan doğru hareketine ziyade yetenekli görev yürütme yansıtabilir görevin kuralları öğrenmiş edilmiştir.
Bizim robot erişim-ve-çekme görevleri yürütme derece güvenilir ve hayvanlar arasında tekrarlanabilir. Tüm eğitimli hayvanlar serbest çekme görevi kazanmak ve bir çoğunluğunun (hayvanların% 90-95) düz çekme görevi öğrenir. düz geçerli çekerek girişimleri sayısının yüksek yürütmeye devam çekerek sırasında sürekli düşük başarı oranları göstermektedir bile hayvanlar. Bu başarısız, ancak geçerli girişimleri tamamen kaydedilir. Başarısız bir klasik yetenekli ulaşan görev girişimleri ulaşan tipik bir eksik ulaşan hareket sonuçlanır. Başarılı bir görev edinilmesine ilişkin hareket yönlerini analiz etmek bu nedenle sadece mümkün değil, ama alböylece parametreleri başarısızlıkla sonuçlanan hareketin değerlendirmek için.
Burada sunulan ölçümler hareketleri çekerek hakkında ayrıntılı bilgi verirken, erişim-ve-çekme ön ayakları hareketinin tüm yönleriyle ele edilmez. Geçerli bir çekme girişimi sonunda önce sap serbest bırakılması ilk dokunuş ya da sonrasında meydana ulaşan davranış herhangi bir değişiklik kaydedilmez ve dolayısıyla eşit hassasiyetle analiz edilemez. Örneğin, bir çekme hareketi önceki girişimler kapma sayısı işlevsel geri kazanım modellerine uygun olarak, ilgili olsa bile, ölçülmez. yüksek hızda video kayıtları analizi bu ek bilgiler sağlar. Hareket izleme 13, 14 için daha önce tarif edilen yöntemler bu amaç için adapte edilebilir.
Ayrıca, bizim kayıtları sapın sıçan kavrama kalitesi hakkında bilgi vermemektedir. rotasyonpronasyon veya pençe supinasyonuna gösteren kolu, yüksek hızlı video ile birlikte bazı bilgiler verebilir. Rotasyon ve kavrama, özellikle sıçan inme modellerinde etkilenen bu yana 9, 15, 16, gelecek deneyler Burada sunulan erişim-ve-çekme görevleri inme sonrası motor açıkları yakalayan ne kadar etkili belirlemek için gereklidir.
Burada sunulan görevler klasik tek pelet ulaşan görevleri taklit etmek için tasarlanmıştır: Gerekli çekme mesafesi pencere ve pelet bu görevler ve yatay düzlem içindeki sap serbest dolaşımı arasındaki tipik mesafe dayanmaktadır sıçan doğal pençe yörüngeleri ölçüm sağlar geçerli çalışmalarda 10 mm mesafe üzerinde.
Aynı şekilde, sap robotun çalışma alanının dışına taşınır geçersiz çalışmalar (örneğin, sap çekerek sırasında kenara çalınmış) veyaçekti mesafe yetersiz olduğu serbest bırakıldığında sap yere düşmeyecek olsa bile, tek pelet ulaşan görevleri düştü pelet benzer olarak yorumlanabilir.
Bu tasarım, tek bir basit hareket ölçmeye yönelik otomatik görevler daha çekerek daha fazla hareket yönlerini yakalar. Ancak, aynı zamanda çekme ve dönme hareketleri arasındaki etkileşimi sağlayan ve hayvanlara tazminat fırsatı verir. motor fonksiyon kurtarma sırasında telafi hareketleri içgörü değerli olabilir, ama aynı zamanda sonuçların yorumlanmasını zorlaştırmaktadır olabilir.
Erişim-ve-çekme görevleri ediniminde kritik bir adım eğitimi ödül dokunmatik adımı başarılı bir şekilde klima olduğunu. Sıçan ve robot arasında güvenilir bir etkileşim olmadan, herhangi bir ileri eğitim aşamaları yürütmek ve güvenilir ölçmek zordur. Ancak, geçiş eğitim aşamaları sırasında sıçan eğitilmek değil aynı derecede önemlidir. bir süreimals fazla 3-4 gün ödül dokunmatik eğitimi sırasında performans iyileştirmeleri göstermeye devam edebilir, aşırı konsolidasyon sonraki uzanma-ve-çekme eğitim davranış etkili şekillendirme engeller.
sapın sabit yerleştirme doğru yürütme ve burada sunulan robot erişim-ve-çekme görevini kullanarak elde edilen herhangi bir verinin güvenilir analiz için esastır. Robotun ve orta hatta geri kalanına sap göreli konumu yazılım tanımlı olsa da, kafes penceresine sapın konumu göreli kolaylıkla ya yanlara hareket ettirerek değiştirilir. Burada, biz kenar veya pencerenin ortasında biriyle sap hizalama görevi edinimini değiştirir ve motor beceri öğrenme altında yatan süreçleri incelemek için nasıl kullanılabileceğini göstermiştir. Bir eğitim süresi içinde sapın inconstant hizalama, ancak, efektler ve verimleri güvenilmez davranış okumalar karıştırıcı tanıtacak.
protokol Burada açıklanan, sıçans önceki tek pelet ulaşan deneyler 4, 17'ye benzer 100 denemeler, oluşan günlük oturumları sırasında eğitilmiştir. Otomatik eğitim kurulumları ile oturum başına deneme sayısı kolayca araştırmacı adına çok fazla çaba gerektirmeden, arttırılabilir. seans başına çalışmaların yüksek sayılar alt içi bireysel değişkenlik neden olabilir iken, öğrenme ve kurtarma hızına antrenman başına çalışmaların sayısının artması etkileri dikkate alınmalıdır. Ayrıca, tokluk ve yorgunluk gibi faktörler daha alakalı hale gelecektir ve çok uzun eğitim oturumları performans olumsuz etkileyebilir.
Öğrenme yeteneği, motor beceri zorlanma ve cinsiyet farklılıkları sıçanlarda 4, 18, 19 tarif edilmiş olmasına rağmen, biz de erkek Sprague-Dawley güvenilir performans almış bird Long-Evans sıçan. (4-5 aylık) Eski hayvanların genç olanlar (8-10 hafta) genellikle daha yavaştır ve çalışmalar arasındaki uzun aralıklar göstermektedir. Gıda pelet sükroz su ödül ile değiştirildiği zaman Ayrıca, daha büyük hayvanlarda zayıf bir performans gözlemledik. çekerek ödül-touch geçiş yaparken sıvı ödülleri deneyim zorluklar almak yaşlı hayvanlar. Bu durumda daha iyi sonuçlar elde edilebilir yoğurt ya da fıstık yağı gibi bir daha kabul edilebilir bir sıvı ödül kullanılarak, yaşla ilişkili ödül tercihleri neden olabilir. Biz katı gıda ödülleri kullanıldığında bu hayvanların güvenilir öğrenme davranışı gözlemlemek her ne kadar Alternatif olarak, yaşlı hayvanlarda davranışları, (konvansiyonel pelet ulaşan karşılaştırıldığında) daha soyut kapsamlıdır görevi anlamakta güçlük gösterebilir. Inme veya nörodejeneratif hastalıkların modellerinde yani eski hayvanların kullanımı tercih edilir deneyleri (tasarlarken Böylece, seçilen ödül etkisi özellikle dikkate alınmalıdırdejeneratif hastalığı).
Henüz ETH Pattus kullanarak motor beceri öğrenme cinsiyet farklılıklarını çalışmadılar. Onların öğrenme stratejileri erkeklerden farklı olabilir, ancak dişi sıçanlar, SP ya da FP görevleri elde etmek mümkün olmayacaktır olası değildir. Östrus döngüsü dişi sıçanlarda omurga yoğunluğunu etkiler rağmen Ancak, öğrenme eğrileri ve primer motor kortekste öğrenme ile ilgili plastisite üzerindeki etkileri 20 sınırlıdır.
Robotik görevler çeşitli şekillerde değiştirilebilir: gerekli hareketi daha az ya da çok kesin (örneğin bir erişim ve çek görevi önceden belirlenen yörünge sapma sınırlı miktarda) ya da robot müdahale etmek veya yardımcı olabilir herhangi biri veya üç boyutlu (sapın yatay düzlem ve dönme açısı uzunlamasına veya yanlamasına hareketler) tüm idam hareketi. Bu çalışmada sunulan erişim-ve-çekme görevlerde varyasyonlar dışında, motor beceri l tasarlamak mümkündürsap örneği dönüş açısına, maksimum hareket hızı veya ivme profili için bir deneme başarısını tanımlayan görevlerini kazanç.
Görev parametrelerinin kolay varyasyonunu sağlayan dışında, burada sunulan deney düzeneği mekansal kafesinin karşı tarafında dağıtılan verilen ödül, motor eylemi ayırır. Ödül boyutunu Uyarlama görev zorluk 21 etkilemeden klasik ulaşan görevleri mümkün değildir (Küçük bir yemek pelet biri daha büyük kavramak için daha zor), ne de bağımsız hayvanın beceri düzeyi bir ödül şansını değiştirmek mümkündür. bir robot görevi kullanarak, bir motorlu işlemi için elde edilen ödül tecrübeli, mevcut performansına göre değiştirilebilir, ya da motivasyon gibi faktörleri değerlendirmek için değiştirilebilir.
Sonuç olarak, otomatik eğitim kinematik hareket analizi ile birlikte otomatik, nesnel bir yöntem sağlaryakından geleneksel yetenekli ulaşan görevleri taklit eden, ama her ikisi de başarılı ek veri verir ve çekme girişimleri başarısız motor beceri öğrenme eğitimi için. Bu yaklaşım erişim-ve-çekme hareketleri veya ortaya çıkan gıda ödülleri ile geliştirilmesi veya müdahaleyi amaçlayan, elektrofizyolojik farmakolojik veya optogenetic müdahalelerle birlikte soruşturmanın yeni yollar açılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok
Acknowledgments
Bu araştırma İsviçre Ulusal Bilim Vakfı, Betty ve David Koetser Vakfı Beyin Araştırmaları ve ETH Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
