Summary
פרדיגמה מוצג לאימונים וניתוח של משימת לכת מיומנת אוטומטית בחולדות. ניתוח של ניסיונות משייכים מגלה subprocesses הברור של למידה מוטורית.
Abstract
משימות לכת מיומנות נפוצות במחקרי של למידה מיומנות מוטורי ותפקוד מוטורי בתנאים בריאים ופתולוגיים, אבל יכולות להיות זמן עתיר ומעורפל לכמת מעבר שיעורי הצלחה פשוט. כאן, אנו מתארים את הליך ההכשרה למשימות יד-ו-משיכה עם ETH Pattus, פלטפורמה רובוטית עבור forelimb האוטומטית לכת אימון שרשומות מושכות תנועות סיבוב יד בחולדות. כימות קינמטית של ניסיונות המשייכים בצעו כדי לגלות את נוכחותם של פרופילים זמניים ברורים של פרמטרי תנועה כגון משייכת מהירות, השתנות מרחבית של המסלול מושך, סטיית קו האמצע, כמו גם משייך הצלחה. אנו מראים כיצד שינויים קלים בתוך הפרדיגמה ההכשרה לגרום שינויים בפרמטרים אלה, ובכך והקשר שלהם קושי מטלה, תפקוד מוטורי בכלל או ביצוע משימה מיומן. בשילוב עם טכניקות אלקטרו, תרופתי optogenetic, פרדיגמה זו יכולה לשמשכדי לחקור את המנגנונים למידה מוטורית היווצרות הזיכרון, כמו גם אובדן התאוששות של תפקוד (למשל לאחר שבץ).
Introduction
משימות מנוע נמצאים בשימוש נרחב כדי להעריך שינויים התנהגותיים עצביים הקשורים למידה מוטורית או שינויים בתפקוד המוטורי במודלים של בעלי חיים נוירולוגיות או תרופתי. תפקוד מוטורי פיין יכול להיות קשה לכמת במכרסמים, זאת. משימות הדורשות מיומנות ידנית, כגון מניפולציה של דגני בוקר 1, פסטה 2, או גרעיני חמניות 3 רגישים ואינם דורשים הכשרה מקיפה של החיה. החסרון העיקרי שלהם הוא כי משימות אלה להניב תוצאות איכותיות בעיקר ויכולות להיות קשה להבקיע באופן חד משמעי.
משימות לכת מיומנות, כגון וריאציות של הגלולה האחת לכת משימה יותר פשוטות לכמת 4, 5. עם זאת, גורמי קינמטיקה העומד בבסיס ביצוע מוצלח של משימות אלה ניתן להסיק רק במידה מוגבלת ודורשים עתיר עבודת מסגרת לפי מסגרת וידאוnalysis.
התקנים רובוטיים צברו פופולריות כאמצעי לכימות ההיבטים של תפקוד forelimb ו מיומנות מוטורית. מספר משימות לכת אוטומטית זמינות. המוקד הרוב על היבט אחד של תנועה forelimb, כגון משיכת ידית לאורך מדריך ליניארית 6, 7, תנועות הגפיים דיסטלי פשוט 8, או פרונציה ו סופינציה של כפה 9. בעוד מכשירים אלה מראים תוצאות מבטיחות בתחום הניתוח של תפקוד מוטורי, הם רק משקפים את הפעולות המוטוריות המורכבות שבוצעו במהלך גלולה אחת להגיע אל מוגבל להאריך.
הנה, אנחנו מדגימים את השימוש במכשיר שלוש מעלות-של-חופש רובוטית, ETH Pattus, שפותח לאימון והערכה של מטלות מוטוריות שונות בחולדות 10, 11. היא מתעד מישוריים תנועה סיבובית של תנועות forelimb עכברוש ידם, לחוש,משייך משימות שבוצעו במישור האופקי. חולדות אינטראקציה עם הרובוט באמצעות ידית כדורית 6 מ"מ בקוטר כי ניתן להגיע דרך חלון בכלוב בדיקות (רוחב: 15 ס"מ, אורך: 40 ס"מ, גובה: 45 ס"מ) ועבר במישור האופקי (דוחפים ומושכים תנועות) וסובב (תנועות-סופינציה פרונציה). לפיכך, הוא מאפשר החולדה לבצע תנועות קרובות לאלה שבוצעו במהלך משימות לכת גלולות אחת קונבנציונליות. החלון הוא 10 מ"מ רחב וממוקם 50 מ"מ מעל רצפת הכלוב. הידית ממוקמת 55 מ"מ מעל הרצפה. חוסם דלת זזה לגשת לידית בין לכת ניסויים ופותחים כאשר הרובוט מגיע מיקום ההתחלה שלו וסוגר אחרי משפט הושלם. לאחר תנועת להורג כראוי, חולדות לקבל פרס מזון בצד השני של כלוב הבדיקות.
הרובוט נשלט באמצעות תוכנה ורשומה פלט 3 אנקודר ב 1000 הרץ, וכתוצאה מכך המידע לגבי המיקום of הידית במישור האופקי, כמו גם זווית הסיבוב שלה (לפרטים, ראה חומר עזר 11). התנאים הנדרשים לביצוע משימה מוצלח מוגדרים בתוכנה לפני כל אימון (מינימום למשל נדרש משייך מרחק וסטייה מקסימלית מפני קו אמצע משימת יד-ו-pull). עמדת התייחסות סטנדרטית ראשונית של הידית הוא הקליט עם בעל קבוע בתחילת כל אימון. אזכור זה משמש עבור כל הניסויים בתוך מושב, והבטיח בעמדת תחילה מתמדת של הידית עבור כל ניסוי. מיצוב הקבוע של יחסי הידית לחלון הכלוב מובטח על ידי יישור של סימנים על כלוב רובוט (איור 1).
הקלטות וידאו של תנועות הלכת נרשמות באמצעות מצלמת מהירות גבוהה קטנה (120 מסגרות / s, 640 x 480 רזולוציה). תצוגה קטנה הראייה של המצלמה מראה את מספר זיהוי של העכברוש, אימון פגישה,מספר בדיקת תוצאת משפט (הצלחה או נכשלו). קטעי וידאו אלה משמשים כדי לאמת את תוצאות רשמו ועל מנת להעריך את ההשפעות של לכת תנועות קודמות הנגיעה, מושכים או סיבוב של הידית.
הנה, אנחנו מדגימים את השימוש בפלטפורמה רובוטית זו בוריאציות של משימת יד-ו-משיכה. משימה זו יכולה להיות מאומנת בתוך פרק הזמן זה ניתן להשוות פרדיגמות לכת מיומנות אחרות מניב תוצאות לשחזור. אנו מתארים פרוטוקול אימון טיפוסי, כמו גם כמה פרמטרי הפלט הראשיים. יתר על כן, אנו מראים כיצד שינויים קלים בפרוטוקול הכשרה בשימוש יכול לגרום קורסים הזמן שינו תוצאות התנהגותיות שעשויים לייצג subprocesses עצמאית בתוך תהליך הלמידה מיומנות מוטורית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הניסויים שהוצגו כאן אושרו על ידי משרד הווטרינרית של קנטון ציריך, שוויץ בוצעו בהתאם לתקנות לאומיות ומוסדיות.
1. תנאי האכלה
הערה: כל האימונים מתבצעים תחת פרוטוקול האכלה מתוזמנת.
- להאכיל את החולדות 50 גרם / ק"ג של צ'או תקן פעם ביום, לאחר השלמת אימונים. סכום זה של מזון הוא מספיק כדי למנוע ירידה במשקל גדולה (משקל גוף הוא> 90% מהמשקל ללא האכלה), אך קטן מספיק כדי להבטיח מיזוג התנהגותיים לשחזור. לשקול החולדות יומיות על מנת להבטיח ממשקל גופם נשאר יציב.
הערה: לילה נוסף (10-12 שעות) מניעת מזון עשויה להיות שימושית לפני פגישת גמול בנגיעה הראשונה (שלב 2.3).
2. נוהל הדרכה עבור משימת Reach-ו-משיכה
- אופן הכנה: אפשר החולדות להרגיל כלובים לביתם החדשים במשך לאהרח שבוע לאחר הגעתו למתקן בעלי החיים. טפלו חולדות באופן קבוע באותה תקופה ולתת כדורי דיוק dustless בכלוב בבית להרגיל את החולדות את המזון החדש. כדורים אלה ישמשו כגמול ברחבי פרוטוקול אימון.
- הרגלה: מניחה את החולדות בכלוב הבדיקות 30-45 דקות ולספק 30-50 כדורים בקערת ההאכלה, מעורבב עם אוכל אבקה. לפתוח ולסגור את חלון הכלוב ולהפעיל את מנפק גלולה מדי פעם כדי להרגיל את החולדות הצליל שלהם.
- חזור על פעולה זו במשך 2-3 ימים.
- Reward בנגיעה: לאלף את החולדות לגעת בידית הכדורית מבעד לחלון הכלוב אז לעבור לצד השני של הכלוב כדי לאחזר פרסי מזון.
- התאם את גדרות תוכנה כך הידית ממוקמת ממש מחוץ לחלון כלוב הבדיקות בתחילת כל ניסוי וליישר את הידית עם במרכז החלון בכלוב. כאשר ניסויים מוצלחים, כלומר </ Em>, בהקדם במגע קל על הידית (עקירת 0.25 מ"מ בכל כיוון) התגלה, יישמע צליל גמול הוא חלק. לסווג ניסויים כמו נכשל כשאף מגע שזוהה עבור 180 s לאחר החלון נפתח.
- מכניסים את החולדה בכלוב אימון. הצג בפני החולדה להושיט ידי לתת לה לתפוס בכל גלולה שנערך ליד הידית. מפנה את תשומת לבו של חולדת קערת הידית ומזון ידי קשה על הכלוב.
- עצור מה שגרם כאשר החולדה מגיעה באופן עצמאי דרך חלון כלוב מאחזר גלול מזון.
- המשך עד 100 ניסויים (נגיעות) הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
- המשך ההכשרה במשך 3-4 ימים ולהתחיל לשלב הבא של אימון (שלב 2.4) כאשר חולדות להשיג 100 ניסויים בתוך 30 דקות על 2 ימים רצופים.
הערה: אל יתר להכשיר את הצעד הזה. המטרה בנגיעת גמול היא להשיג אינטראקציה אמינה בין חולדת הרובוט, כך שהתנהגות זו יכולה להיות מעוצבת בהכשרה שלאחר מכן.
- משיכה חינם (FP): לאלף את החולדות להושיט יד ולמשוך את הידית של הרובוט.
- התאם את הגדרות התוכנה כך הידית ממוקם 18 מ"מ מהחלון בתחילת כל ניסוי, וחייב להיות משך במשך 10 מ"מ לפחות ללא הפרעה למשפט מוצלח. אין הגבלות לרוחב על התנועה המשייכת בשלב זה.
- לסווג משפט כמו נכשל כאשר הידית לא זזו ממקומם 180 אחרי החלון נפתח, כאשר הידית מועבר מחוץ לסביבת העבודה ניתן להשגה (יותר מ -12 מ"מ קו האמצע), או כאשר החולדה משכה פחות מ -10 מ"מ בתוך 5 ים לאחר המגע הראשון זוהה.
- לרשום את מספר הפעמים כפה על ימין ועל השמאל משמשים במהלך 20 הניסויים הראשונים של פגישת FP הראשונה. הכף המשמש לפחות 80% של הניסויים נחשבת כפה המועדפת.
הערה: העדפת Paw עשויה להיות כבר ברורה בשכרהפעלות -touch. - הזז את הידית רוחבית עד שהוא מיושר עם קצה החלון כדי להקל משייכת עם הכפה המועדפת (כלומר להעביר את מ"מ רובוט 5 אל הצד השמאלי של החלון לחולדות ימניות ולהיפך).
הערה: הנח את הידית באותו המיקום היחסי הזה בדיוק לכלוב לכל האימונים הבאים עכברוש זה. הבטח מיקום מדויק על ידי סימנים על קיר הכלוב על הרובוט. - מכניסים את החולדה בכלוב הכשרה הרכבת עד 100 ניסויים הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
הערה: אם החולדה לא להושיט יד רחוקה מספיק, להנחות אותו לתת לה לתפוס בכל גלולה שנערכה ליד הידית. חולדות יכולות להפסיק לנסות למשוך אחרי ניסיונות כושלים חוזרים ונשנים. קש על הכלוב, לתת להם לתפוס כדורים שנערכו עם זוג מלקחיים או לוותר גלולה לשחזר את המוטיבציה שלהם. - בניסויים מעורבים אימונים FP בלבד, להמשיך באימונים כמתואר 2.4.
לאTE: בדרך כלל, 1-2 מפגשי FP נדרשים כדי לעזור מעבר מגע גמול SP ההדרכה (ישר Pull). מטרת המפגשים FP אלה הוא להרגיל חולדות להושיט יד, לתפוס ולמשוך את הידית, ולא לגעת רק זה. כמו אימון גמול-מגע, חשוב לא מעל הרכבת אם המטרה היא לעבור צעד בהדרכה הבא.
- התאם את הגדרות התוכנה כך הידית ממוקם 18 מ"מ מהחלון בתחילת כל ניסוי, וחייב להיות משך במשך 10 מ"מ לפחות ללא הפרעה למשפט מוצלח. אין הגבלות לרוחב על התנועה המשייכת בשלב זה.
- ישר משיכה (SP): לאלף את החולדות למשוך בידית בלי לחרוג יותר מ -2 מ"מ מן קו האמצע.
הערה: קו האמצע מוגדר ביחס למיקום ההתחלה של הרובוט, לא אל נקודת האמצע של החלון בכלוב. לפיכך, ניסיון משייך וכלה בנקודת האמצע של החלון בכלוב יגרום למסלול משייך שחורג יותר מ -2 מ"מ מן קו אמצע.- התאם את הגדרות התוכנה כך שרק ניסויים שבהם התנועה משיכת אינה חורגת יותר מ -2 מ"מ מן קו האמצע צידיו מתוגמלים על ידי הטון גלולה. שמור את כל הפרמטרים האחרים כפי שמתואר בשלב 2.4.
- מכניסים את החולדה בכלוב הכשרה הרכבת עד 100 ניסויים הושלמו או עד 60 דקות חלפו, המוקדם מבין השניים.
הערה: חולדות עשויות להיות מאוד נסערות ולהפסיק לנסות למשוך אחרי ניסיונות כושלים חוזרים ונשנים. קש על הכלוב כדי להפנות את תשומת לבם את המשימה להגיע, לתת להם לתפוס כדורים שנערכו עם זוג מלקחיים או לוותר גלולה לשחזר את המוטיבציה שלהם. - המשך אימונים עד החולדות להגיע לביצועים רמים, או להתאים את תקופת ההכשרה בהתאם למטרה של ניסוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כאן, אנו מציגים 3 וריאציות של משימת יד-ו משיכה באמצעות חולדות לונג-אוונס זכר (10-12 שבועות). בשנות ה pull-חינם (FP) קבוצה (N = 6), חולדות אומנו למשוך בידית של הרובוט לתקופה 22 יום ללא הגבלות לרוחב. בעלי חיים תחת הישר למשוך 1 (SP1) קבוצה (N = 12) הוכשרו למשוך בידית בלי לחרוג יותר מ -2 מ"מ מן קו האמצע. חיות אלה שהועברו ישירות בנגיעה גמול (שלב 2.3) לאימון ישר-משיכה (שלב 2.5). הן אצל בעלי החיים FP ו SP1, הידית הוצבה במרכז החלון בכלוב. תוצאות אלו פורסמו בעבר באל et Lambercy. 10 חולדות בקבוצת SP2 (N = 7) קבלו 2 מפגשי FP-אימון לפני שתעבור הכשרה ישרה-משיכה. הידית הייתה מתואמת עם קצה החלון בכלוב עבור קבוצה זו, וכתוצאה מכך היא משימה קצת יותר קשה, כמו הידית תסטה יותר מ -2 מ"מ מן הקו האמצע בעת המשיכהאל נקודת האמצע של החלון בכלוב.
כל החולדות למדו עד מהרה אינטראקציה עם manipulandum רובוטית (איור 2 א). מספר המשייכות תקפות (כלומר מספר ניסיונות נמתחים הידית נמשכת לפחות 10 מ"מימ) מגדיל במהירות ומגיע רמות רמה יציבות לאחר 2-3 ימי FP ו SP1. מספר ניסיונות תקפים מגדיל בשיעור דומה במהלך פגישות FP של SP2, וכתוצאה מכך מספר יציב של משייכות תקפות בכל הפעלה במהלך אימוני SP בחולדות SP2. ביצועי Plateau הם גבוהים בכל פרדיגמות ההכשרה הוא עצמאי של פרמטרי משימה כמו עמדת ידית וכן הגבלות על השיעור המוותר של סטיית קו האמצע.
חולדות SP1 להגיע שיעור הצלחת רמה (כלומר אחוז המשייכות התקפות שנשאר בתוך 2 מ"מ של קו אמצע) אחרי 5-4 אימונים (איור 2 ב). חולדות SP2 להראותשיעור הצלחת התקדמות ומישור יד איטי לאחר 11 מפגשים, המציין כי ביצוע מוצלח של גרסה זו של המשימה למשוך ישר הוא יותר קשה להשיג. שיעורי הצלחה סופיים דומים עבור SP1 ו- SP2.
במהלך אימוני SP, המסלולים משייכים להיות זקופים יותר ויותר, כפי שמעידים ירידה חריגה קו אמצע (כלומר בשטח שבין המסלול נמדד קו האמצע) וכתוצאה מכך הגדלת מספר המשייכות מוצלחות בשני SP1 ו- SP2 (איור 3, איור 5 א). מעניין לציין, כי מסלול משיכת הממוצע של חולדות FP הופך ישר בתקופת ההכשרה 22 יום וכן, אם כי הסכום של סטייה קו האמצע מייצב ברמה גבוהה יותר מאשר אצל חולדות SP1. זה מצביע על כך את המסלול המשייך הטבעי הוא ישר יחסית כאשר הידית של הרובוט ממוקמת במרכז החלון בכלוב. כאשר הידית מיושרת wה- i קצה החלון, לעומת זאת, את מסלול puling מתעקם סטיית קו האמצע נשארה יציבה במהלך פגישות SP2-FP. סטיית קו אמצע בקבוצת SP2 עדיין גבוהה בהשוואה לקבוצת SP1, סביר כתוצאת מיקום ידית מחוץ למרכז.
השתנות של המסלולים המשייכים (כלומר גודל של 95%) טיפות במהירות FP ו SP1, ומגיעה רמות דומות בקבוצות הללו לאחר 3-4 אימונים (איור 5). מעניין, חיות SP2 לא מראים ירידה זו השתנות ולמשוך ברציפות עם השתנות נמוכה יחסית במהלך הפגישות SP, אבל להראות ירידה מהירה של השתנות מסלול בפגישות SP2-FP.
באופן דומה, שניהם מתכוונים שיא משייך להגביר מהירות במהלך אימונים ראשוניים (FP, SP1 ו- SP2-FP), אבל הם יציבים במהלך פגישות SP2-SP (איורים 5C, 5D). למרות מהירות משיכת הממוצע אינו משתנה במהלך הפגישות SP2, פרופילים מהירות משיכת להיות הרבה פחות משתנה באמצעות הכשרה (איור 4). הדבר בא לידי ביטוי הן במספר submovements (כלומר מספר תאוצה decelerations בתנועת משיכה, איור 5E) ומספר ניסויים עם עצירות (ניסויים כלומר היכן משיכת מהירות יורדת לאפס, איור 5F). לאחר ירידה חזקה במהלך הפגישות SP1 ו- SP2-FP הראשונית, הן במספר submovements ומספר ניסויים עם עצירות נמשכת הירידה ב- SP1 ו- SP2 לאורך תקופת ההכשרה 22 מפגשים. בחולדות FP, מספר submovements וניסויים עם עצירות בתחילה במהירות להקטין גם כן, אבל לייצב ברמה גבוהה מאשר שני קבוצות ישרה במשיכה לא מראה שיפור מתמשך. מעניין, מושך מהירות לא נראה להיות קשור קשר הדוק התוצאה של ניסוי (איור 4
הסימן ~ 5% של חולדות שלא ללמוד בהצלחה לבצע את המשימה ישר-משיכה כלל לומדים למשוך בידית, אך אינם מסוגלים למשוך ישר (איור 6). חיות אלו מראות סטייה גבוהה באופן עקבי מ קו אמצע, וכתוצאה מכך שיעור הצלחה נמוך. ביצועים במהלך פגישות SP2-FP החיה שהוצגה כאן במהלך היא אחרת דומה לזה של חיות SP2 כי משיגות את המשימה בהצלחה.
איור 1: סקירה כללית של Manipulandum רובוטית ולטפל מיצוב. (א) ציור טכני מראה את manipulandum וסימני רובוטיות יישור עם כלוב האימון. (ב) ידית החזיקה בעמדת התייחסות מתמדת בתחילת אימון. (C) טפל במצב המוצא חינם בבית stאמנות משפט מושך. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: עקומות למידה אופייניות של משימות Reach-ו-משיכה. (א) תקפים משייך ניסיונות במשימת משיכה חינם (FP, N = 6), המשימה למשוך ישר בלי FP-הפעלות מבוא (SP1, N = 12) ו משימת משיכה ישר (SP2, N = 7) עם FP- המבוא הפעלות (SP2-FP). ערכים הם ממוצעים ± SEM (B) ניסיונות משייכים מוצלחים כאחוז הניסיונות תקפו את המשימה ישר מושכת עם (SP2) ובלי (SP1) FP-הפעלות מבוא. ערכים הם ממוצע ± SEM אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: המסלולים משייכים הופכים בהדרגה ישרה ופחות משתנה לאורך ההדרכה של המשימה 2 SP. (שחור) מוצלח, נכשל (אפור) ממוצע (ירוק) מסלולים מוצגים עבור האימון המשיך הישר הראשון ואחרון עבור חיית נציג. קווים מקווקווים להראות את אזור 4 מ"מ רחב שבתוכו משפט מוצלח מבוצע. הנקודה האדומה מציינת את נקודת ההתחלה של הידית. הנקודה הירוקה מציגה את נקודת הסיום התיאורטי של ניסיון משייך ישר לחלוטין 10 מ"מימ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: </ strong> מהירות ממוצעת בכיוון משייך ניסיונות תקפים עולה במעט במהלך אימונים הופך משתנים פחות מהכנסת הראשונה (א) עד הרגע האחרון (B) האימון. ממוצע (ירוק) ופרופילים מהירי משייכת פרט של (שחור) מוצלחים וכושלים (אפור) משייכים ניסיונות מוצגים עבור חיית נציג שנבחרה לבצע את משימת SP2. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: סקירה של פרמטרים שנמדדה בתוך חינם משייך (FP, N = 6) משימות, משימות משוכות ישרות בלי-הפעלות FP מבוא (SP 1, N = 12) ו משוכים ישר משימות (SP 2
6 "src =" / files / ftp_upload / 54,970 / 54970fig6.jpg "/>
איור 6: דוגמה של חיה שאינה למד בהצלחה לבצע את המשימה 2 SP. (א) משייך מסלולים ב האימון הראשון והאחרון. (שחור) מוצלח, נכשל (אפור) ממוצע (ירוק) מסלולים מוצגים עבור האימון המשיך הישר הראשון ואחרון עבור חיית נציג. קווים מקווקווים להראות את אזור 4 מ"מ רחב שבתוכו משפט מוצלח מבוצע. הנקודה האדומה מציינת את נקודת ההתחלה של הידית. הנקודה הירוקה מציגה את נקודת הסיום התיאורטי של ניסיון משייך ישר לחלוטין 10 מ"מימ. (ב) עקום למידה מראה ניסיונות משייכים תקפים ומוצלחים לאורך כל תקופת אימונים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
להגיע משימות מיומנות משמשות כדי ללמוד רכישת מיומנות מוטורית וכן ירידת ערך של תפקוד מוטורי מתחת לגיל 6 במצבים פתולוגיים. ניתוח אמין וחד משמעי להגיע התנהגות חיוני לחקר מנגנונים תאיים בבסיס רכישת מיומנות מוטורית, כמו גם תהליכים נוירופיזיולוגיים מעורבים אובדן וההתאוששות הבאה של פונקציה במודלים של בעלי חיים של מחלות נוירולוגיות. התוצאות המוצגות כאן מראות כיצד היבטים במרחב ובזמן של התנועה מושכת להראות פרופילים שונים במהלך אימון מיומנות מוטורית. אלה עשויים לשקף subprocesses שונה בתוך המיומנות המוטורית תהליך למידת 7, 12.
בתוצאות שהוצגו כאן, אנו מראים שאפילו שינוי קטן פרוטוקול אימון, כגון עמדת פתיחה שונה של הידית (SP1 לעומת SP2), תוצאות פרופילי פרמטר תנועה שונים. באמצעות הוספהing שני מפגשים FP לפני אימון משיכה ישר פרוטוקול אימון שפורסמו בעבר שלנו 10, הצלחנו לנתק את השפעת הלמידה למשוך מן המיומנות למשוך ישר. בנוסף, המיקום מחוץ למרכז של ידית הרובוט בפרוטוקול אימונים משופר זו (SP2) תוצאות במשימה עם עקומה למידה רדודה כי הוא יתרון נוסף ללימוד מנגנוני הלמידה המוטורית כפי שהוא מאפשר זמן להתערבויות לפני רמות ביצועי רמה הן השיג. יתר על כן, אפשר להבחין גורמים הקשורים משימה ביצוע מגורמים הקשורים קושי המטלה שאינם משתקפים מיד בשיעורי הצלחה, אבל עשוי להצביע על חידוד נוסף של מיומנות מוטורית 4. ביצוע חלק של תנועות משיכה, בא לידי ביטוי במספר של submovements יכול להיחשב כמדד של מיומן, ישר מושך. לעומת זאת, השתנות מרחבית של תנועת טיפות במהירות כמספר מושך תקףעליות בכל שלוש הגירסות של המשימה הוא מגיע לכל ו-משיכה, אבל לא קשור באופן ישיר לצמק הצלחה במשימות משיכה ישר ויישקף תפקוד מוטורי בכלל או התכנסות על התנועה הנכונה הנדרשת במשפט מוצלח, ולא ביצוע משימה מיומן פעם הכללים של המשימה נלמדו.
ביצוע של משימות יד-ו-משיכה רובוטית שלנו להפליא אמין והדיר בין בעלי חיים. כל חיות מאולפות לרכוש את המשימה למשוך חינם, ורוב (90-95% של בעלי חיים) הוא מסוגל ללמוד את המשימה למשוך ישר. אפילו חיות שמראות אחוזי הצלחה נמוכים בעקביות במהלך ישר מושך ממשיך בביצוע מספר גבוה של ניסיונות משייכים תקפים. אלה נכשלו, אך ניסיונות תקפים נרשמים באופן מלא. נכשל להגיע ניסיונות במשימה להגיע קלסית מיומנת בדרך כלל תוצאות תנועת לכת שלמה. לכן זה לא אפשרי רק לנתח היבטים של התנועה הקשורות לרכישת משימה מוצלחת, אבל אלכך להעריך אילו תנועת פרמטרים לגרום לכשל.
בעוד המדידות המוצגות כאן לתת מידע מפורט על משייכת תנועות, לא כל ההיבטים של תנועת יד-ו-משיכת forelimb נלכדים. כל שינוי בהתנהגות לכת המתרחשות לפני המגע הראשון או לאחר שחרורו של הידית בסוף הניסיון משייך תקף אינו רשום ולכן יכול לא להיות מנותח עם דיוק שווה. לדוגמה, מספר תופס ניסיונות לפני תנועה משיכת אינם נמדדים, למרות שהם עשויים להיות רלוונטיים ביחס למודלים התאוששות תפקודית. ניתוח של הקלטות וידאו במהירות גבוהה מספק מידע נוסף זה. בעבר השיטות שתוארו למעקב התנועה 13, 14 ניתן להתאים למטרה זו.
יתר על כן, הקלטות שלנו אינן מספקות מידע לגבי האיכות של האחיזה של החולדה של הידית. סיבוב שללהתמודד, המציין פרונציה או סופינציה של הכף, יכול לספק כמה תובנות בשילוב עם וידאו במהירות גבוהה. מאז סיבוב והאחיזה מושפעים בעיקר במודלי שבץ עכברוש 9, 15, 16, בניסויים עתידיים נדרשים כדי לקבוע את מידת האפקטיביות משימות יד-ו-המשיכה המוצגות כאן הן בלכידת גירעונות מנועים שלאחר שבץ.
המשימות שהוצגו כאן נועדו לחקות משימות לכת גלולה אחת קונבנציונלית: המרחק המשייך הנדרש מתבסס על המרחק הטיפוסי בין החלון גלול במטלות אלה ואת התנועה החופשית של הידית בתוך המישור האופקי מאפשר מדידה של מסלולי הכפה הטבעיים של העכברוש על פני מרחק 10 מ"מימ בניסויים תקפים.
כמו כן, ניסויים לא חוקיים שבו הידית מועבר מחוץ לסביבת העבודה של הרובוט (למשל, את הידית הוא סחב הצידה במהלך משיכת) אוכאשר אורך מסלול המשך אינו מספיק יכול להתפרש להיות דומה כדורי ירד במשימות לכת גלולות אחת, למרות הידית לא תיפול על הרצפה כאשר שוחררו.
עיצוב זה לוכד יותר היבטים של התנועה מושכת יותר משימות אוטומטיות שמטרתן מדידת תנועה פשוטה אחת. עם זאת, הוא גם מאפשר אינטראקציה בין המשייכת ותנועות סיבוב ונותן חיות ההזדמנות לפיצוי. תובנה תנועות מפצות במהלך התאוששות תפקוד מוטורית עשוי להיות בעל ערך, אלא גם מסבך הפרשנות של התוצאות.
שלב קריטי ברכישת משימות יד-ו-המשיכה הוא מיזוג מוצלח של שלב מגע גמול של אימונים. ללא אינטראקציה אמינה בין חולדת רובוט, כל שלבים הכשרה נוספים שקשה לבצע ולכמת באופן מהימן. זה חשוב לא פחות שלא overtrain החולדות במהלך שלבי אימון מעבר, עם זאת. בעודimals עשויה להמשיך להציג שיפורים בביצועים בזמן אימונים גמול-מגע במשך יותר מ 3-4 ימים, על-איחוד מונע עיצוב יעיל של התנהגות באימון שלאחר מכן הוא מגיע לכל ו-משיכה.
מיקום קבוע של הידית חיוני ביצוע נכון וניתוח אמין של כל נתונים המתקבלים באמצעות משימת יד-ו-משיכה רובוטית שהוצגה כאן. בעוד עמדת ביחס הידית שאר הרובוט כדי קו האמצע הוא מוגדר תוכנה, המיקום היחסי של ידית לחלון כלוב מגוונת בקלות על ידי הזזת או לצדדים. הנה, הראינו כיצד יישור של הידית עם או קצה או במרכז החלון משנה רכישת משימה וניתן להשתמש בו כדי ללמוד התהליכים שבבסיס למידה מיומנות מוטורית. יישור הפכפך של הידית בתוך תקופה של הכשרה, עם זאת, יכיר בלבול תופעות ותשואות readouts התנהגותיות לא אמין.
בפרוטוקול המתואר כאן, חולדההים מאומן במהלך הפגישות יומיות מורכבות 100 ניסויים, בדומה לניסויי הלכת גלולה אחת הקודם שלנו 4, 17. עם setups הדרכה אוטומטי במספר ניסויים בכל הפעלה ניתן להגדיל בקלות, שאינו דורש מאמץ הרבה יותר מצד החוקר. בעוד מספרים גבוהים יותר של ניסויים בכל הפעלה עלולים לגרום השתנות תוך פרט תחתונות, את ההשפעות של הגדלת מספר ניסויים לכל אימון על המהירות של למידה יש התאוששות להילקח בחשבון. יתר על כן, גורמים כמו שובע ועייף יהפכו להיות רלוונטיים יותר יכולים להפריע ביצועים בהדרכות ארוכות מאוד.
למרות ההבדלים זן ומין ב מיומנות מוטורית יכולת למידה תוארו בחולדות 4, 18, 19, השגנו ביצועים אמינים בשני ספראג-Dawley זכרחולדות ד ארוך אוונס. מבוגרי בעלי חיים (4-5 חודשים) הם איטיים יותר מאשר בדרך כלל צעירים (8-10 שבועות) ולהראות מרווחי זמן בין ניסויים. יתר על כן, ראינו ביצועים ירודים בחיות מבוגרות כאשר כדורי מזון מוחלפים גמול סוכרוז- מים. מבוגרי בעלי חיים המקבלים קשיי ניסיון תגמולים נוזליים כאשר מעבר מ-מגע גמול לצמק. זו עלולה להיגרם על ידי העדפות שלו לתגמול הקשורות לגיל, ובמקרה זה באמצעות גמול נוזלי יותר טעים כגון שמן יוגורט או בוטנים עשויים להניב תוצאות טובות יותר. לחלופין, את ההתנהגות של בעלי חי מבוגרים עלולה להצביע על קשיים בהבנת משימת לכת מופשטת יותר (לעומת גלולה קונבנציונלית לכת), למרות שאנחנו עושים להתבונן בהתנהגות למידה אמינה בחיות אלה כאשר תגמולי מזון מוצקים משמשים. לכן, ההשפעה של גמול הנבחר צריך במיוחד לקחת בחשבון בעת תכנון ניסויים שבהם השימוש בבעלי חיים מבוגרים עדיפה (כלומר במודלים של שבץ או neurodeמחלה ניוונית).
אנחנו עדיין לא למדנו הבדלים בין מינים בלימוד מיומנות מוטורית באמצעות ETH Pattus. אין זה סביר כי חולדות נקבות לא תוכלנה לרכוש את SP או משימות FP, למרות אסטרטגיות הלמידה שלהם עשויות להיות שונות מן הזכרים. עם זאת, למרות מחזור הייחום משפיע צפיפות עמוד שדרה בחולדות נקבות, השפעות על עקומות למידה פלסטית הקשורות למידת הקורטקס מוטורי ראשוני מוגבלות 20.
המשימות רובוטית יכולות להיות מגוונות בכמה דרכים: התנועה הדרושה עשויה להיות פחות או יותר מדויק (למשל, כמות מוגבלת של סטיית ממסלול שנקבע משימת יד-ו-pull), או הרובוט עלולה להפריע או לסייע התנועה לפועל בכל אחד או כל שלושה ממדים (לאורכו או לצדדי תנועות בזווית המטוס וסיבוב האופקית של הידית). מלבד וריאציות על המשימות-ו-למשוך ידם המוצגות במאמר זה, אפשר לעצב l מיומנות מוטוריתלהרוויח משימות שבו עבור זווית סיבוב דוגמא של הידית, מהירות תנועה מקסימלית, או פרופיל אץ להגדיר את ההצלחה של ניסוי.
מלבד המאפשר וריאציה קלה של פרמטרי משימה, הגדרת הניסוי המוצג כאן מרחבית מפריד בין הפעולות המוטוריות מן שכרן, אשר הוא חלק בצד השני של הכלוב. התאמת גודל הגמול אינה אפשרית משימות קלסיות לכת מבלי להשפיע משימת קושי 21 (גלולת מזון קטנה יותר קשה לתפוס מאשר אחד גדול יותר), וגם לא ניתן לשנות את סיכוי גמול באופן בלתי תלויה את רמת המיומנות של החיה. שימוש משימה רובוטית, הגמול המתקבל עבור לפעילות מוטורית עשוי להיות מגוון המבוססת על מיומנות, ביצועים נוכחיים, או עשוי להיות מגוון להעריך גורמים כגון מוטיבציה.
לסיכום, הדרכה אוטומטית בשילוב עם ניתוח תנועה קינמטיקה מספק שיטה אוטומטית, מטרהללימוד למידה מיומנות מוטורית כי תחקה משימות לכת מיומנות קונבנציונליות, אך מניבת נתונים נוספים של שניהם מוצלחים וכושל ניסיונות מושכים. גישה זו פותחת אפיקים חדשים של חקירה בשילוב עם התערבויות אלקטרו, תרופתי או optogenetic שמטרתן שיפור של או הפרעה בתנועות יד-ו-משיכה או פרסי המזון וכתוצאה מכך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לחשוף
Acknowledgments
מחקר זה מומן על ידי הקרן הלאומית למדע השוויצרי, בטי ודוד Koetser קרן לחקר המוח וקרן 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).
