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Behavior

Enquête sur les processus d'apprentissage de compétences du moteur avec une robotique manipulandum

Published: February 12, 2017 doi: 10.3791/54970

Summary

Un paradigme est présenté pour la formation et l'analyse d'une tâche qualifiée atteignant automatisée chez les rats. Analyse des tentatives de traction révèle sous-processus distincts de l'apprentissage moteur.

Abstract

tâches atteignant qualifiés sont couramment utilisés dans les études sur l'apprentissage des habiletés motrices et la fonction du moteur dans des conditions saines et pathologiques, mais peut-être temps-intensive et ambiguë pour quantifier au-delà des taux de réussite simples. Ici, nous décrivons la procédure de formation pour les tâches portée et de traction avec ETH Pattus, une plate-forme robotique pour forelimb automatisé atteindre la formation que les dossiers de traction et de mouvements de rotation de la main chez les rats. la quantification cinématique des essais de traction effectués révèle la présence de profils temporels distincts de paramètres de mouvement de traction, tels que la vitesse, la variabilité spatiale de la trajectoire de traction, toute déviation de la ligne médiane, ainsi que le tirant succès. Nous montrons comment des ajustements mineurs dans le paradigme de la formation entraînent des modifications de ces paramètres, révélant leur relation avec la difficulté des tâches, la fonction motrice générale ou de l'exécution des tâches du métier. Combiné avec des techniques électrophysiologiques, pharmacologiques et optogénétiques, ce paradigme peut être utiliséd'explorer les mécanismes sous - jacents de l' apprentissage moteur et la formation de la mémoire, ainsi que la perte et la récupération de la fonction (par exemple après un AVC).

Introduction

tâches à moteur sont largement utilisés pour évaluer les changements comportementaux et neuronaux liés à l'apprentissage moteur ou à des altérations de la fonction motrice dans des modèles animaux neurologiques ou pharmacologiques. fonction de la motricité fine peut être difficile à quantifier chez les rongeurs, cependant. Tâches nécessitant une dextérité manuelle, telles que la manipulation de céréales 1, les pâtes 2, ou de graines de tournesol 3 sont sensibles et ne nécessitent pas une formation approfondie de l'animal. Leur principal inconvénient est que ces tâches donnent des résultats essentiellement qualitatifs et peuvent être difficiles à marquer sans ambiguïté.

Tâches atteignant qualifiés, tels que les variations de la pastille unique pour atteindre la tâche sont plus simples à quantifier 4, 5. Cependant, des facteurs cinématiques qui sous-tendent l'exécution réussie de ces tâches ne peuvent être déduites dans une mesure limitée et nécessitent de main-d'œuvre trame par trame vidéo d'unnalyse.

dispositifs robotiques ont gagné en popularité comme moyen de quantifier les aspects de la fonction forelimb et habileté motrice. Plusieurs tâches atteignant automatisé sont disponibles. L'objectif de la majorité sur un seul aspect d'un mouvement forelimb, comme tirant d'une poignée le long d' un guidage linéaire 6, 7, simples mouvements des membres distaux 8 ou pronation et supination de la patte 9. Bien que ces dispositifs sont prometteurs pour l'analyse de la fonction motrice, ils ne reflètent que les actions motrices complexes exécutées au cours culot unique atteint dans une mesure limitée.

Ici, nous démontrons l'utilisation d'un dispositif robotisé à trois degrés de liberté, ETH Pattus, mis au point pour la formation et l' évaluation des diverses tâches motrices chez les rats 10, 11. Il enregistre plane et mouvement des mouvements des membres antérieurs du rat à portée, portée de rotation, eten tirant les tâches effectuées dans le plan horizontal. Les rats interagissent avec le robot par l'intermédiaire d'une poignée sphérique 6 mm de diamètre qui peut être atteint à travers une fenêtre dans la cage de test (largeur: 15 cm, longueur: 40 cm, hauteur: 45 cm) et déplacé dans le plan horizontal (en poussant et en tirant mouvements) et mis en rotation (mouvements pronation-supination). Ainsi, il permet le rat d'effectuer des mouvements qui se rapprochent de celles exécutées pendant les tâches classiques de granulés atteignant simples. La fenêtre est de 10 mm de large et situé à 50 mm au-dessus du plancher de la cage. La poignée est située à 55 mm au-dessus du sol. Un glissement des blocs de porte l'accès à la poignée entre l'atteinte des essais et ouvre lorsque le robot atteint sa position de départ et se ferme après un procès est terminé. Après un mouvement exécuté correctement, les rats reçoivent une récompense alimentaire sur le côté opposé de la cage de test.

Le robot est contrôlé par le logiciel et enregistre la sortie de 3 encodeurs rotatifs à 1000 Hz, ce qui entraîne des informations sur la position of la poignée dans le plan horizontal, ainsi que son angle de rotation (pour plus de détails, voir la référence 11). Les conditions requises pour l' exécution des tâches de succès sont définis dans le logiciel avant chaque session de formation (par exemple , minimum requis tirant la distance et la déviation maximale de la ligne médiane dans une tâche portée et de traction). Une position de référence normalisée initiale de la poignée est enregistrée avec un support fixe, au début de chaque séance d'entraînement. Cette référence est utilisée pour tous les essais au sein d'une session, assurant une position de départ constante de la poignée pour chaque essai. Le positionnement constant de la poignée par rapport à la fenêtre de la cage est assurée par l' alignement des marques sur la cage et le robot (figure 1).

Les enregistrements vidéo des mouvements d'atteinte sont enregistrés en utilisant une petite caméra haute vitesse (120 images / s, résolution 640 x 480). Un petit écran dans la vue de la caméra montre le numéro d'identification du rat, la formation de session,Numéro d'essai et le résultat d'essai (réussite ou échec). Ces vidéos sont utilisés pour vérifier les résultats enregistrés et d'évaluer les effets d'atteindre les mouvements qui précèdent le toucher, tirer ou rotation de la poignée.

Ici, nous démontrons l'utilisation de cette plate-forme robotique dans les variations d'une tâche portée et de traction. Cette tâche peut être formé dans un délai de temps qui est comparable à d'autres paradigmes atteignant qualifiés et donne des résultats reproductibles. Nous décrivons un protocole typique de formation, ainsi que certains des principaux paramètres de sortie. De plus, nous montrons comment des changements mineurs dans le protocole de formation utilisé peut se traduire par des cours à temps altérés de résultats comportementaux qui peuvent représenter des sous-processus indépendants dans le processus d'apprentissage des habiletés motrices.

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Protocol

Les expériences présentées ici ont été approuvés par l'Office vétérinaire du canton de Zurich, en Suisse et ont été réalisées conformément aux réglementations nationales et institutionnelles.

1. Alimentation Conditions

NOTE: Toutes les séances de formation sont effectuées en vertu d'un protocole d'alimentation programmée.

  1. Nourrir les rats 50 g / kg de nourriture standard une fois par jour, une fois la formation terminée. Cette quantité de nourriture est suffisante pour empêcher une importante perte de poids (poids corporel est> 90% du poids sans alimentation), mais assez petit pour assurer le conditionnement comportemental reproductible. Peser les rats quotidiennement pour assurer leur poids corporel reste stable.
    REMARQUE: une nuit supplémentaire (10-12 h) la privation de nourriture peut être utile avant la première session récompense-touch (étape 2.3).

2. Procédure de formation pour un groupe de Reach-et-pull

  1. Préparation: Laisser les rats habituent à leurs nouvelles cages à domicile pour encst une semaine après l'arrivée dans l'animalerie. Manipuler les rats régulièrement pendant ce temps et donner des pastilles de précision sans poussière dans la cage pour habituer les rats à la nouvelle nourriture. Ces pastilles seront utilisés comme récompenses à travers le protocole de formation.
  2. Accoutumance: Placez les rats dans la cage d'essai pour 30-45 min et fournir 30-50 pellets dans le bol d'alimentation, mélangés avec chow en poudre. Ouvrir et fermer la fenêtre de la cage et faire fonctionner le distributeur de granulés de temps en temps pour habituer les rats à leur son.
    1. Répétez cette opération pour 2-3 jours.
  3. Récompensez-touch: Former les rats de toucher la poignée sphérique à travers la fenêtre de la cage et se déplacer ensuite vers le côté opposé de la cage pour récupérer une récompense alimentaire.
    1. Réglez les paramètres du logiciel de telle sorte que la poignée se trouve juste en dehors de la fenêtre de la cage d'essai au début de chaque essai et aligner la poignée avec le centre de la fenêtre de la cage. Lorsque les essais sont concluants, à savoir </ Em>, dès qu'une touche de lumière sur la poignée (0,25 mm de déplacement dans une direction quelconque) a été détectée, un signal sonore retentit et une récompense est distribuée. Classez essais comme ayant échoué lorsque aucune touche n'a été détectée pendant 180 s après que la fenêtre ouvre.
    2. Mettez le rat dans la cage de formation. Invite le rat pour atteindre en le laissant attraper à une pastille tenue près de la poignée. Diriger l'attention du rat à la cuvette de poignée et de la nourriture en tapant sur la cage.
    3. Incitant s'arrêter lorsque le rat atteint de façon indépendante à travers la fenêtre de la cage et récupère le culot alimentaire.
    4. Continuez jusqu'à ce que 100 essais (petites touches) sont terminées ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
    5. Poursuivre la formation pendant 3-4 jours et commencer la prochaine étape de la formation (étape 2.4) lorsque les rats atteignent 100 essais en 30 minutes sur 2 jours consécutifs.
      REMARQUE: Ne pas trop former cette étape. L'objectif de la récompense-touch est de parvenir à une interaction fiable entre le rat et le robot, de sorte que ce comportement peut être façonné enformation ultérieure.
  4. Traction libre (FP): Former les rats d'atteindre et de tirer la poignée du robot.
    1. Réglez les paramètres du logiciel de telle sorte que la poignée se trouve 18 mm à partir de la fenêtre au début de chaque essai, et doit être tiré au moins 10 mm sans interruption pendant un essai réussi. Il n'y a pas de restrictions latérales sur le mouvement de traction dans cette étape.
      1. Classez un procès comme ayant échoué lorsque la poignée n'a pas été déplacé pendant 180 s après que la fenêtre ouvre, lorsque la poignée est déplacée en dehors de l'espace de travail accessible (plus de 12 mm de la ligne médiane), ou lorsque le rat a tiré moins de 10 mm à l'intérieur 5 s après le premier contact a été détecté.
    2. Prenez note du nombre de fois que la patte gauche et à droite sont utilisés au cours des 20 premiers essais de la première session FP. La patte qui est utilisé dans au moins 80% des essais est considérée comme la patte préféré.
      NOTE: préférence Paw peut déjà être clair en récompensesessions -TOUCH.
    3. Déplacer la poignée latéralement jusqu'à ce qu'il soit aligné avec le bord de la fenêtre pour faciliter la traction avec la patte préférée (c. -à déplacer le robot 5 mm sur le côté gauche de la fenêtre pour les rats à droite et vice-versa).
      REMARQUE: Placez la poignée dans cette exacte même position par rapport à la cage pour toutes les sessions de formation suivantes pour ce rat. Assurer le placement exact par des marques sur la paroi de la cage et sur le robot.
    4. Mettez le rat dans la cage de la formation et de train jusqu'à 100 essais sont terminés ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
      NOTE: Si le rat ne parvient pas assez loin, il invite en le laissant attraper à une pastille tenue près de la poignée. Les rats peuvent cesser d'essayer de tirer après des tentatives infructueuses répétées. Appuyez sur la cage, laissez-les saisir pour les pastilles tenues avec une paire de pinces ou distribuent une pastille pour restaurer leur motivation.
    5. Pour les expériences impliquant seulement la formation FP, poursuivre la formation comme décrit dans 2.4.
      NONTE: En règle générale, 1-2 sessions de PF sont nécessaires pour aider à la transition de récompense tactile pour SP Formation (Pull droite). L'objectif de ces sessions de PF est d'habituer les rats pour atteindre, saisir et tirer la poignée, plutôt que de ne toucher. Comme pour la formation de récompense-touch, il est important de ne pas trop le train si le but est de passer à une étape de formation suivante.
  5. Traction droit (SP): Former les rats pour tirer la poignée sans dévier de plus de 2 mm de la ligne médiane.
    REMARQUE: La ligne médiane est définie par rapport à la position initiale du robot, et non pas au milieu de la fenêtre de la cage. Ainsi, un effort de traction se terminant au milieu de la fenêtre de la cage se traduira par une trajectoire de traction qui dévie de plus de 2 mm de la ligne médiane.
    1. Réglez les paramètres du logiciel de sorte que seuls les essais où le mouvement de traction ne dévie pas plus de 2 mm de la ligne médiane de chaque côté sont récompensés par un ton et une pastille. Gardez tous les autres paramètres comme décrit dans l'étape 2.4.
    2. Mettez le rat dans la cage de la formation et de train jusqu'à 100 essais sont terminés ou jusqu'à 60 minutes se sont écoulées, selon la première éventualité.
      NOTE: Les rats peuvent devenir extrêmement agités et arrêter d'essayer de tirer après des tentatives infructueuses répétées. Appuyez sur la cage pour rediriger leur attention à la tâche d'atteindre, laissez-les saisir pour les pastilles tenues avec une paire de pinces ou distribuent une pastille pour restaurer leur motivation.
    3. Poursuivre la formation jusqu'à ce que les rats atteignent la performance du plateau, ou d'adapter la période de formation en fonction de l'objectif d'une expérience.

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Representative Results

Ici, nous montrons 3 variations d'une tâche de portée et tirer en utilisant des rats Long-Evans mâles (10-12 semaines). Dans le groupe libre-pull (FP) (N = 6), les rats ont été formés pour tirer la poignée du robot pour une période de 22 jours sans restrictions latérales. Les animaux dans la ligne droite-pull 1 groupe (SP1) (N = 12) ont été formés pour tirer la poignée sans dévier de plus de 2 mm de la ligne médiane. Ces animaux directement à partir de la transition récompense-touch (étape 2.3) à la formation droite-pull (étape 2.5). Pour les deux PF et SP1 animaux, la poignée est placée au centre de la fenêtre de la cage. Ces résultats ont déjà été publiés dans Lambercy et al. 10 Les rats du groupe SP2 (N = 7) ont reçu 2 sessions FP-formation avant de passer à la formation droite-pull. Le manche est aligné avec le bord de la fenêtre de la cage de ce groupe, ce qui est une tâche peu plus difficile, car la poignée se dévier de plus de 2 mm de la ligne médiane si tiréau milieu de la fenêtre de la cage.

Tous les rats apprennent facilement à interagir avec le manipulandum robotique (figure 2A). Le nombre de tractions valides (ie le nombre de tentatives de traction où la poignée est tirée d' au moins 10 mm) augmente rapidement et atteint des niveaux de plateau stable après 2-3 jours dans FP et SP1. Le nombre de tentatives valides augmente à un rythme comparable au cours des sessions de PF de SP2, ce qui entraîne un nombre stable de tractions valides par session tout au long de la formation de SP chez les rats SP2. la performance du Plateau est élevé dans tous les paradigmes de formation et est indépendante des paramètres de tâches comme la position de la poignée et des limites sur le montant autorisé de déviation par rapport à la ligne médiane.

Rats SP1 atteignent le taux de réussite du plateau ( à savoir le pourcentage de tractions valides qui reste à moins de 2 mm de la ligne médiane) après 5-4 sessions de formation (figure 2B). les rats montrent une SP2progression plus lente et le plateau de portée taux de succès après 11 séances, ce qui indique que l'exécution réussie de cette version de la tâche de traction droite est plus difficile à réaliser. les taux de réussite finales sont similaires pour SP1 et SP2.

Pendant la formation de SP, les trajectoires de traction deviennent de plus en plus droite, comme en témoigne une diminution écart par rapport à la ligne médiane (soit la zone située entre la trajectoire mesurée et la ligne médiane) et résultant en une augmentation du nombre de tractions avec succès dans les deux SP1 et SP2 (Figure 3, Figure 5A). Fait intéressant, la trajectoire de traction moyenne de rats PF devient plus droit au cours de la période de formation de 22 jours, ainsi, bien que la quantité d'écart par rapport à la ligne médiane se stabilise à un niveau plus élevé que chez les rats SP1. Ceci indique que la trajectoire naturelle de traction est relativement rectiligne lorsque la poignée du robot se trouve dans le centre de la fenêtre de la cage. Lorsque la poignée est alignée avecvec le bord de la fenêtre, cependant, la trajectoire de puling est courbe et écart par rapport à la ligne médiane reste stable au cours des sessions SP2-FP. Déviation de la ligne médiane dans le groupe SP2 reste plus élevé que dans le groupe de SP1, probablement en raison du placement hors-centre de la poignée.

Variabilité des trajectoires de traction (ie la taille de l'intervalle de confiance de 95%) diminue rapidement dans FP et SP1, et atteint des niveaux comparables dans ces groupes après 3-4 séances de formation (figure 5B). Fait intéressant, les animaux SP2 ne montrent pas cette diminution de la variabilité et de tirer en continu relativement faible variabilité au cours des sessions de SP, mais ne montrent un déclin rapide de la variabilité de trajectoire pendant les sessions SP2-FP.

De même, à la fois moyenne et pic tirant augmentation de la vitesse au cours des sessions de formation initiale (FP, SP1 et SP2-FP), mais sont stables au cours des sessions SP2-SP (Figures 5C, 5D). Bien que la vitesse de traction moyenne ne change pas au cours des sessions SP2, les profils de vitesse de traction deviennent beaucoup moins variables grâce à la formation (Figure 4). Cela se reflète dans le nombre de submovements (nombre d'accélérations et de décélérations du mouvement de traction, la figure 5E) et le nombre d'essais avec des arrêts (c. -à- essais où tirant la vitesse tombe à zéro, la figure 5F). Après une forte baisse au cours des séances de SP1 et SP2-PF initial, à la fois le nombre de submovements et le nombre d'essais avec des arrêts continuer à diminuer dans le SP1 et SP2 pendant toute la période de formation de 22 session. Chez les rats PF, le nombre de submovements et des essais avec des arrêts initialement diminuer rapidement aussi bien, mais se stabiliser à un niveau plus élevé que les deux groupes droite-pull et ne montrent pas d'amélioration continue. Fait intéressant, la vitesse de traction ne semble pas être étroitement liée à l'issue d'un procès (Figure 4

Le ~ 5% des rats qui n'apprennent pas réussi à exécuter la tâche droite-pull généralement pas apprendre à tirer la poignée, mais sont incapables de tirer tout droit (Figure 6). Ces animaux montrent un niveau toujours élevé écart par rapport à la ligne médiane, ce qui entraîne des taux de réussite faibles. Performance au cours des sessions SP2-PF l'animal présenté ici au cours est par ailleurs comparable à celui des animaux SP2 qui n'acquièrent la tâche avec succès.

Figure 1
Figure 1: Vue d' ensemble de la robotique manipulandum et poignée de positionnement. (A) de dessin technique montrant la manipulandum robotique et les marques d'alignement sur la cage de formation. (B) Poignée maintenue en position de référence constante au début d'une session de formation. (C) Poignée en libre position de départ à la start d'un essai de traction. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Courbes d'apprentissage typiques d'un groupe de Reach-et-pull. (A) Valide tirant tentatives dans une tâche libre de traction (FP, N = 6), tâche droite de traction sans FP-sessions d' introduction (SP1, N = 12) et une tâche d'extraction droite (SP2, N = 7) avec FP- introduction sessions (SP2-FP). Les valeurs sont moyennes ± SEM (B) tentatives réussies de traction en pourcentage de tentatives valides dans la tâche tirant directement avec (SP2) et sans (SP1) d' introduction FP-sessions. Les valeurs sont la moyenne ± SEM S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 3: Tirer Trajectoires deviennent progressivement Straighter et moins variable Tout au long de la formation de la SP 2 Tâche. Succès (noir), a échoué (gris) et moyennes (vert) trajectoires sont présentés pour la première et dernière séance d'entraînement de traction droite pour un animal représentatif. Les lignes pointillées montrent la zone large de 4 mm dans lequel un essai réussi est exécuté. Le point rouge indique la position initiale de la poignée. Le point vert indique le point final théorique de 10 mm tentative tirant parfaitement droite. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4: </ strong> Vitesse moyenne dans la direction de traction des tentatives valides augmente légèrement Tout au long de la formation et devient moins variable de la première (A) au dernier (B) Session de formation. Moyenne (vert) et les profils de traction individuels de vitesse de succès (noir) et a échoué (gris) en tirant les tentatives sont présentés pour un animal représentant la réalisation de la tâche SP2. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Vue d'ensemble des paramètres mesurés dans un libre Tirer (FP, N = 6) Tâche, Hétéro Pull Task Sans introduction FP-sessions (SP 1, N = 12) et une traction directe Tâche (SP 2 >, N = 7) avec introduction FP-sessions (SP 2 -FP). Les valeurs sont la moyenne ± SEM de toutes les tentatives de traction valides. (A) Déviation de la ligne médiane (zone située entre les trajectoires valides mesurées et une tentative parfaitement droite tirant le long de la ligne médiane, mm 2). (B) Variabilité des trajectoires de traction (95% d'intervalle de toutes les tentatives valides dans une session de confiance). (C) en tirant la vitesse moyenne de toutes les tentatives valides (mm / s). (D) de pointe la vitesse de toutes les tentatives valides (mm / s) de traction. (E) Submovements comme indiqué par les passages à zéro dans le profil d'accélération des tentatives de traction valides (F) Pulling tentatives avec des arrêts (% des tractions valides) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 6: Exemple d'un animal qui n'a pas réussi apprendre à effectuer le SP 2 Tâche. (A) Tirer les trajectoires dans la première et la dernière session de formation. Succès (noir), a échoué (gris) et moyennes (vert) trajectoires sont présentés pour la première et dernière séance d'entraînement de traction droite pour un animal représentatif. Les lignes pointillées montrent la zone large de 4 mm dans lequel un essai réussi est exécuté. Le point rouge indique la position initiale de la poignée. Le point vert indique le point final théorique de 10 mm tentative tirant parfaitement droite. (B) la courbe d'apprentissage montrant les tentatives de traction valides et avec succès tout au long de la période de formation. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Tâches atteignant qualifiés sont couramment utilisés pour étudier l' acquisition des habiletés motrices ainsi que la dépréciation de la fonction motrice dans des conditions pathologiques 6. analyse fiable et sans ambiguïté d'atteindre le comportement est essentiel pour l'étude des mécanismes cellulaires sous-jacents d'acquisition des habiletés motrices, ainsi que les processus neurophysiologiques impliqués dans la perte et la récupération ultérieure de la fonction dans des modèles animaux de maladie neurologique. Les résultats présentés ici montrent comment les aspects spatiaux et temporels du mouvement de traction montrent des profils distincts pendant l'entraînement des habiletés motrices. Ceux - ci peuvent refléter les différentes sous - processus au sein de l'habileté motrice processus 7, 12 apprentissage.

Dans les résultats présentés ici, nous montrons que même un petit changement dans le protocole de formation, comme une position de la poignée (SP1 vs SP2) de départ différent, les résultats des profils de paramètres de mouvement modifiés. En complémenting deux sessions de PF avant l'entraînement de traction directement à notre protocole de formation déjà publié 10, nous avons été en mesure de dissocier les effets de l' apprentissage à tirer de l'habileté à tirer tout droit. En outre, la mise en place de la poignée du robot hors centre à cette amélioration de protocole de formation (SP2) aboutit à une tâche avec une courbe d'apprentissage moins profonde qui est plus avantageux pour les mécanismes d'apprentissage du moteur car il permet de temps pour les interventions avant que les niveaux de performance du plateau sont l'étude atteint. De plus, il est possible de distinguer les facteurs liés à la tâche d' exécution de facteurs liés à la difficulté des tâches qui ne sont pas immédiatement répercutée dans les taux de réussite, mais peut indiquer affiner davantage le moteur 4 compétences. exécution lisse des mouvements de traction, qui se reflète dans le nombre de submovements peut être considéré comme une mesure de l'homme, droit de tirage. En revanche, la variabilité spatiale du mouvement diminue rapidement à mesure que le nombre de tractions validesaugmente dans les trois versions de la tâche portée et de traction, mais ne sont pas directement liées à tirer succès dans des tâches d'extraction droites et peut refléter la fonction motrice générale ou de la convergence sur le mouvement correct requis pour un essai réussi, plutôt que de l'exécution des tâches du métier une fois les règles de la tâche ont été apprises.

L'exécution de nos tâches portée et de traction robotique est remarquablement fiable et reproductible entre les animaux. Tous les animaux formés acquièrent la tâche d'extraction libre, et une majorité (90-95% des animaux) est capable d'apprendre la tâche de traction droite. Même les animaux qui montrent des taux de réussite toujours faible au cours droite tirant continuent d'exécuter un grand nombre de tentatives de traction valides. Ceux-ci ont échoué, mais les tentatives valides sont intégralement enregistrés. Impossible d'atteindre les tentatives dans une tâche d'atteindre l'homme classique se traduit généralement par un mouvement atteignant incomplète. Il est donc possible d'analyser les aspects du mouvement liés à l'acquisition réussie de la tâche, mais alafin d'évaluer quels mouvements paramètres conduisent à l'échec.

Alors que les mesures présentées ici donnent des informations détaillées sur les mouvements de traction, pas tous les aspects du mouvement portée et de traction forelimb sont capturés. Tout changement de comportement atteignant qui se produisent avant le premier contact ou après la libération de la poignée, à la fin d'une tentative de traction valides ne sont pas enregistrées et ne peuvent donc être analysés avec la même précision. Par exemple, le nombre de tentatives saisissant avant un mouvement de traction ne sont pas mesurées, même si elles peuvent être pertinentes par rapport aux modèles de récupération fonctionnelle. L'analyse des enregistrements vidéo à grande vitesse fournit ces informations supplémentaires. Méthodes décrites précédemment pour le suivi des mouvements 13, 14 peuvent être adaptés à cette fin.

De plus, nos enregistrements ne fournissent pas d'informations sur la qualité de la prise en main de la poignée du rat. La rotation de lagérer, indiquant pronation ou supination de la patte, pourrait donner un aperçu en combinaison avec la vidéo haute vitesse. Depuis la rotation et l' adhérence sont particulièrement touchés dans les modèles de course de rat 9, 15, 16, des expériences futures sont nécessaires pour déterminer l'efficacité des tâches portée et de traction présentés ici sont dans la capture post-AVC déficits moteurs.

Les tâches présentées ici ont été conçus pour imiter les tâches classiques atteignant simple de pellets: la distance de traction requise est basée sur la distance typique entre la fenêtre et le culot dans ces tâches et la libre circulation de la poignée dans le plan horizontal permet de mesurer les trajectoires des pattes naturelles du rat sur une distance de 10 mm dans les essais valides.

De même, les essais non valides lorsque la poignée est déplacée en dehors de l'espace de travail du robot (par exemple, la poignée est glissée de côté lors de la traction) ouoù la distance tirée est insuffisante pourrait être interprétée comme étant similaire à pellets a chuté dans les tâches de granulés atteignant simples, même si la poignée ne tombe pas sur le sol lorsqu'il est relâché.

Cette conception capture plusieurs aspects du mouvement de traction de tâches automatisées visant à mesurer un seul mouvement simple. Cependant, il permet également l'interaction entre la traction et des mouvements de rotation et donne aux animaux la possibilité d'indemnisation. Un aperçu de mouvements compensatoires pendant moteur récupération de la fonction peut être utile, mais complique également l'interprétation des résultats.

Une étape cruciale dans l'acquisition des tâches portée et de traction est conditionné avec succès l'étape de récompense tactile de la formation. Sans interaction fiable entre le rat et le robot, d'autres étapes de formation sont difficiles à réaliser et de quantifier de manière fiable. Il est tout aussi important de ne pas overtrain les rats au cours des étapes de formation de transition, cependant. alors qu'unimals peuvent continuer à montrer l'amélioration des performances au cours des sessions de formation récompense-touch pour plus de 3-4 jours, plus de consolidation empêche la mise en forme efficace de comportement dans la suite la formation portée et de traction.

placement constante de la poignée est essentiel pour l'exécution correcte et une analyse fiable de toutes les données obtenues à l'aide de la tâche robotique portée-pull et présenté ici. Alors que la position de la poignée par rapport au reste du robot et de la ligne médiane est définie par logiciel, de la poignée par rapport à la position de la fenêtre de la cage peut être facilement modifiée en déplaçant latéralement. Ici, nous avons montré comment l'alignement de la poignée soit avec le bord ou au centre de la fenêtre modifie l'acquisition de la tâche et peut être utilisé pour étudier les processus sous-jacents l'apprentissage des habiletés motrices. alignement Inconstant de la poignée dans une période de formation, cependant, présentera les effets et les rendements des lectures comportementales fiables confondant.

Dans le protocole décrit ici, le rats sont formés au cours des séances quotidiennes composées de 100 essais, semblables à nos expériences précédentes seule pastille atteignant 4, 17. Avec des configurations de formation automatisées, le nombre d'essais par session peut facilement être augmentée, sans nécessiter beaucoup plus d'efforts de la part du chercheur. Alors que le nombre plus élevé d'essais par session peuvent entraîner une baisse de la variabilité intra-individuelle, les effets de l'augmentation du nombre d'essais par session de formation sur la vitesse d'apprentissage et de récupération doit être pris en compte. En outre, des facteurs comme la satiété et la fatigue deviendront plus pertinentes et pourraient interférer avec les performances des sessions de formation très longues.

Bien que la souche et le sexe des différences dans l' habileté motrice capacité d' apprentissage ont été décrits chez des rats 4, 18, 19, nous avons obtenu des performances fiables dans les deux mâles Sprague-Dawley unrats d Long-Evans. Les animaux plus âgés (âgés de 4-5 mois) sont généralement plus lents que les plus jeunes (8-10 semaines) et montrent de plus longs intervalles entre les essais. De plus, nous avons observé de mauvaises performances chez les animaux plus âgés lorsqu'ils boulettes de nourriture sont remplacées par une récompense de saccharose-eau. Les animaux plus âgés qui reçoivent des récompenses liquides éprouvent des difficultés lors du passage d'une récompense touche à tirer. Cela peut être causé par la récompense des préférences liées à l'âge, dans ce cas, en utilisant une récompense liquide plus acceptable comme le yaourt ou l'huile d'arachide peuvent donner de meilleurs résultats. Alternativement, le comportement des animaux plus âgés pourrait indiquer des difficultés à comprendre une tâche pour atteindre plus abstraite (par rapport à granulés classique atteint), bien que nous faisons observer le comportement d'apprentissage fiable chez ces animaux lorsque les récompenses alimentaires solides sont utilisés. Ainsi, l'effet de la récompense choisie devrait être particulièrement pris en compte lors de la conception des expériences où l'utilisation d'animaux plus âgés est préférable ( par exemple dans des modèles d'accident vasculaire cérébral ou Neurodemaladie générative).

On n'a pas encore étudié les différences de sexe dans l'apprentissage des habiletés motrices utilisant ETH Pattus. Il est peu probable que les rats femelles ne seront pas en mesure d'acquérir la SP ou les tâches de PF, bien que leurs stratégies d'apprentissage peuvent différer des mâles. Cependant, bien que le cycle oestral affecte la densité de la colonne vertébrale chez les rats femelles, les effets sur les courbes d'apprentissage et la plasticité lié à l' apprentissage dans le cortex moteur primaire sont limitées 20.

Les tâches robotiques peuvent être modifiées de plusieurs manières: le mouvement requis peut être plus ou moins précises (par exemple, une quantité limitée de déviation par rapport à une trajectoire prescrite par une tâche portée et de traction) ou le robot peut interférer avec ou d'aider le mouvement exécuté dans l'un quelconque ou l'ensemble des trois dimensions (longueur ou mouvements latéraux dans l'angle horizontal de l'avion et la rotation de la poignée). Autre que des variations sur les tâches portée et de traction présentés dans ce document, il est possible de concevoir des habiletés motrices lgagner des tâches où, par exemple l'angle de rotation de la poignée, la vitesse de déplacement maximale, ou un profil d'accélération définissent le succès d'un essai.

Autre que permettant de faire varier facilement les paramètres de la tâche, le dispositif expérimental présenté ici se sépare spatialement l'action motrice de la récompense donnée, qui est distribué sur le côté opposé de la cage. Adaptation de la taille de la récompense est pas possible dans les tâches classiques atteignant sans affecter la difficulté des tâches 21   (Une boulette de nourriture plus petit est plus difficile à saisir que d'une plus grande), ni est-il possible de faire varier la possibilité d'une récompense indépendamment du niveau de compétence de l'animal. En utilisant une tâche robotique, la récompense obtenue pour une action motrice peut être modifiée en fonction des compétences, de la performance actuelle ou peut être modifiée pour évaluer les facteurs tels que la motivation.

En conclusion, la formation automatisée combinée à l'analyse du mouvement cinématique fournit, une méthode objective automatiséepour étudier moteur habileté apprentissage qui imite étroitement les tâches atteignant qualifiés classiques, mais donne des données supplémentaires à la fois réussi et échoué les tentatives de traction. Cette approche ouvre de nouvelles voies d'investigation en combinaison avec des interventions électrophysiologiques, pharmacologiques ou optogénétiques visant à l'amélioration ou l'interférence avec les mouvements portée et de traction ou des récompenses alimentaires résultant.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler

Acknowledgments

Cette recherche a été soutenue par le Fonds national suisse, Betty et la Fondation David Koetser pour Brain Research et la Fondation des EPF.

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

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Comportement numéro 120 rongeur l'apprentissage l'habileté motrice robot forelimb qualifiés Atteindre cinématique du mouvement
Enquête sur les processus d&#39;apprentissage de compétences du moteur avec une robotique manipulandum
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Leemburg, S., Iijima, M., Lambercy,More

Leemburg, S., Iijima, M., Lambercy, O., Nallet-Khosrofian, L., Gassert, R., Luft, A. Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum. J. Vis. Exp. (120), e54970, doi:10.3791/54970 (2017).

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