Undersøgelse Motor Skill læreprocesser med en robot Manipulandum
Summary
En paradigme præsenteres for uddannelse og analyse af en automatiseret dygtig nå opgave i rotter. Analyse af trække forsøg afslører forskellige delprocesser af motorisk læring.
Abstract
Dygtige nå opgaverne er almindeligt anvendt i studier af motorik læring og motorisk funktion under sunde og patologiske tilstande, men kan være tidskrævende og tvetydig at kvantificere ud over simple succesrater. Her beskriver vi proceduren for rækkevidde-og-pull opgaver med ETH Pattus, en robot platform til automatiseret forben nå træning at optegnelser trækker og hånd rotation bevægelser i rotter uddannelse. Kinematisk kvantificering af de udførte trække forsøg afslører tilstedeværelsen af distinkte tidsmæssige profiler af bevægelse parametre som trækker hastighed, rumlig variabilitet af trække bane, afvigelse fra midterlinien, samt trække succes. Vi viser, hvordan mindre justeringer i uddannelsen paradigme resultere i ændringer i disse parametre, afslører deres relation til opgave vanskeligheder, generel motorisk funktion eller faglært opgave udførelse. Kombineret med elektrofysiologiske, farmakologiske og optogenetic teknikker, kan dette paradigme anvendesat udforske mekanismerne bag motorisk indlæring og hukommelse dannelse, samt tab og genvinding af funktion (f.eks efter slagtilfælde).
Introduction
Motor opgaver er i vid udstrækning anvendes til at vurdere adfærdsmæssige og neurale ændringer i forbindelse med motorisk læring eller til ændringer i motorisk funktion i neurologiske eller farmakologiske dyremodeller. Fin motorik kan være vanskeligt at kvantificere i gnavere, dog. Opgaver, der kræver håndelag, såsom manipulation af korn 1, pasta 2 eller solsikkefrø 3 er følsomme og ikke kræver omfattende træning af dyret. Deres største ulempe er, at disse opgaver hovedsagelig giver kvalitative resultater og kan være vanskelige at score utvetydigt.
Dygtige nå opgaver, såsom variationer af den enkelte pille nå opgave er mere ligetil at kvantificere 4, 5. Dog kan kinematiske faktorer, der ligger til grund vellykket gennemførelse af disse opgaver kun udledes i begrænset omfang og kræver arbejdskrævende frame-by-frame video enNALYSE.
Robotic enheder har vundet popularitet som et middel til at kvantificere aspekter af forben funktion og motorik. Flere automatiske nå opgaver er tilgængelige. Flertal fokus på et enkelt aspekt af et forben bevægelse, såsom trækning af et håndtag langs en lineær føring 6, 7, enkelt distale benbevægelser 8 eller pronation og supination af poten 9. Mens disse enheder lovende til analyse af motorisk funktion i, de kun afspejler de komplekse motoriske handlinger udføres under enkelt pille nå i begrænset omfang.
Her demonstrerer vi brug af en tre-graders-of-frihed robot enhed, ETH Pattus, udviklet til træning og vurdering af forskellige motoriske opgaver i rotter 10, 11. Det registrerer plane og roterende bevægelse af rotte forben bevægelser i rækkevidde, forståelse, ogtrækker opgaver, der udføres i det vandrette plan. Rotter interagere med robotten via en 6 mm diameter sfæriske håndtag, der kan nås gennem et vindue i afprøvningen bur (bredde: 15 cm, længde: 40 cm, højde: 45 cm) og bevæges i det vandrette plan (skub og træk bevægelser) og roteres (pronation-supination bevægelser). Således det giver rotten til at udføre bevægelser, der tilnærmer de henrettede under konventionelle enkelt pellet nå opgaver. Vinduet er 10 mm bred og placeret 50 mm over burets gulv. Håndtaget er placeret 55 mm over gulvet. En skydedør blokerer adgang til håndtaget mellem nå forsøg og åbner, når robotten når sin startposition og lukker efter en retssag er afsluttet. Efter en korrekt udført bevægelse, modtager rotterne en fødevare belønning på den modsatte side af testbur.
Robotten styres via software og registrerer output fra 3 drejegivere ved 1000 Hz, hvilket resulterer i oplysninger om stillingen of håndtaget i det vandrette plan, samt dens rotation vinkel (for detaljer, se reference 11). Betingelserne for en vellykket opgave udførelse er defineret i softwaren inden hver træningssession (f.eks minimum trække distance og maksimale afvigelse fra midterlinjen i en rækkevidde-og-pull opgave). En indledende standardiseret referenceposition af håndtaget er optaget med en fast holder ved starten af hver træningssession. Denne reference anvendes til alle forsøg inden en session, der sikrer en konstant startposition af håndtaget for hvert forsøg. Konstant positionering af håndtaget i forhold til buret vinduet sikres ved tilpasning af mærker på buret og robot (figur 1).
Videooptagelser af nå bevægelser registreres ved hjælp af en lille høj hastighed kamera (120 billeder / s, 640 x 480 opløsning). Et lille display i kameraets visning viser rottens identifikationsnummer, træning,forsøg nummer og retssagen resultat (succes eller mislykkedes). Disse videoer bruges til at verificere registrerede resultater og vurdere virkningerne af at nå bevægelser, der går forud for rørende, trække eller rotation af håndtaget.
Her udviser vi brugen af denne robot platform i variationer af en rækkevidde-og-pull opgave. Denne opgave kan trænes inden for en periode, der svarer til andre dygtige nå paradigmer og giver reproducerbare resultater. Vi beskriver en typisk træningsprotokol, samt nogle af de vigtigste output parametre. Desuden viser vi, hvordan mindre ændringer i den anvendte træning protokol kan resultere i ændrede tidsforløb for adfærdsmæssige resultater, der kan repræsentere uafhængige delprocesser i motoren dygtighed læreproces.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dygtige nå opgaverne er almindeligt anvendt til at studere motor erhvervelse dygtighed samt svækkelse af motorisk funktion under patologiske tilstande 6. Pålidelig og entydig analyse at nå adfærd er afgørende for studiet af cellulære mekanismer bag erhvervelse motor dygtighed, samt neurofysiologiske processer involveret i tab og efterfølgende genopretning af funktion i dyremodeller af neurologisk sygdom. Resultaterne præsenteres her viser, hvordan rumlige og tidsmæssige aspekter af at t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af den schweiziske National Science Foundation, Betty og David Koetser Foundation for Brain Research og ETH Foundation.
Materials
| 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 | 128×32 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).
