Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Behavior

Undersöka motorisk lärprocesser med en Robotic Manipulandum

doi: 10.3791/54970 Published: February 12, 2017

Summary

En paradigm presenteras för utbildning och analys av en automatiserad skicklig nå uppgift hos råttor. Analys av dragförsök visar olika delprocesser av motorisk inlärning.

Abstract

Skickliga gående uppgifter används ofta i studier av motorisk inlärning och motorisk funktion i friska och patologiska tillstånd, men kan vara tidskrävande och tvetydigt att kvantifiera bortom enkla framgångsrika. Här beskriver vi träningsproceduren för räckvidd-och-pull uppgifter med ETH Pattus, en robotplattform för automatiserad forelimb nå utbildning som rekord dra och handrotationsrörelser hos råttor. Kinematisk kvantifiering av de utförda drag försök avslöjar närvaron av olika tidsprofiler av rörelseparametrar såsom dra hastighet, rumslig variation av dragbanan, avvikelse från mittlinjen, samt dra framgång. Vi visar hur smärre justeringar i utbildning paradigm resultera i förändringar i dessa parametrar, avslöja deras relation till uppgiften svårighet, allmän motorisk funktion eller utförande skicklig uppgift. I kombination med elektrofysiologiska, farmakologiska och optogenetic tekniker, kan detta paradigm användasatt undersöka mekanismerna bakom motorisk inlärning och minnesbildning, liksom förlust och återhämtning av funktion (t.ex. efter stroke).

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Motor uppgifter används ofta för att bedöma beteendemässiga och neurala förändringar i samband med motor lärande eller förändringar i motoriken hos neurologiska eller farmakologiska djurmodeller. Fin motorik kan vara svårt att kvantifiera i gnagare, dock. Uppgifter som kräver fingerfärdighet, såsom manipulation av spannmål 1, pasta två eller solrosfrön 3 är känsliga och inte kräver omfattande utbildning av djuret. Deras främsta nackdelen är att dessa uppgifter ger mestadels kvalitativa resultat och kan vara svåra att göra mål entydigt.

Skickliga gående uppgifter, till exempel variationer av enstaka pellets nå uppgift är enklare att kvantifiera 4, 5. Däremot kan kinematiska faktorer som ligger bakom ett framgångsrikt genomförande av dessa uppgifter endast härledas till en begränsad utsträckning och kräver arbetsintensiva ram-by-frame video enNALYS.

Robotanordningar har vunnit popularitet som ett sätt att kvantifiera aspekter av forelimb funktion och motorisk. Flera automatiserade gående uppgifter finns tillgängliga. Majoriteten fokus på en enda aspekt av en forelimb rörelse, såsom att dra av ett handtag längs en linjär styrning 6, 7, enkla distala benrörelser 8, eller pronation och supination av tassen 9. Även om dessa anordningar visar lovande för analys av motoriken hos de bara återspeglar de komplexa motor åtgärder utförs under enda pellet nå till en begränsad sträcka.

Här visar vi att använda en tre graders frihetsrobotanordningen, ETH Pattus, utvecklad för utbildning och bedömning av olika motor uppgifter i råttor 10, 11. Den registrerar plan och roterande rörelse hos råtta forelimb rörelser i räckvidd, grepp, ochdra uppgifter som utförs i horisontalplanet. Råttor interagerar med roboten via en 6 mm diameter sfärisk handtag som kan nås genom ett fönster i testburen (bredd: 15 cm, längd: 40 cm, höjd: 45 cm) och flyttade i horisontalplanet (trycka och dra rörelser) och roterades (pronation-supination rörelser). Således möjliggör den råttan att utföra rörelser som approximerar de som exekveras under konventionella enkelpelletsgående uppgifter. Fönstret är 10 mm bred och 50 mm ovanför burgolvet. Handtaget ligger 55 mm ovanför golvet. En skjutdörr blockerar åtkomst till handtaget mellan gående försök och öppnas när roboten når sitt startläge och stänger efter en rättegång är klar. Efter en korrekt utförd rörelse, råttor får en matbelöning på den motsatta sidan av testburen.

Roboten styrs via programvara och registrerar utsignalen från 3 roterande pulsgivare på 1000 Hz, vilket resulterar i information om tjänsten of handtaget i horisontalplanet, samt dess rotationsvinkel (för detaljer, se referens 11). Villkoren för framgångsrikt genomförande uppgift definieras i programvaran före varje träningspass (t.ex. minimikravet dra avstånd och maximal avvikelse från mittlinjen i en räckvidd-och-pull uppgift). En första standardiserade referensläge på handtaget är inspelad med en fast hållare i början av varje träningspass. Denna referens används för samtliga försök inom en session, som garanterar en konstant startposition av handtaget för varje försök. Konstant positionering av handtaget i förhållande till buren fönstret säkerställes genom inriktning av märken på buren och roboten (figur 1).

Videoinspelningar av utsträckta rörelser registreras med hjälp av en liten höghastighetskamera (120 bilder / s, 640 x 480 upplösning). Ett litet fönster i kamerans vyn visar råttans identifikationsnummer, träningspass,prov nummer och provresultatet (framgång eller misslyckades). Dessa filmer används för att verifiera inspelade resultat och bedöma effekterna av att nå rörelser som föregår röra, dra eller rotation av handtaget.

Här visar vi användningen av denna robotic plattform i variationer av en räckvidd-and-pull uppgift. Denna uppgift kan tränas inom en tidsperiod som är jämförbart med andra duktiga gående paradigm och ger reproducerbara resultat. Vi beskriver en typisk träningsprotokoll, liksom några av de viktigaste utgångsparametrar. Dessutom visar vi hur små förändringar i den använda utbildning protokollet kan leda till förändrade tidsförlopp för beteende utfall som kan representera oberoende delprocesser inom motorisk inlärningsprocessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Experimenten som presenteras här har godkänts av veterinärkontor kantonen Zürich, Schweiz och genomfördes i enlighet med nationella och institutionella regler.

1. utfodringsförhållanden

OBS: Samtliga utbildningar utförs under en schemalagd utfodring protokoll.

  1. Mata råttorna 50 g / kg standard chow gång per dag, efter träning är klar. Denna mängd mat är tillräcklig för att förhindra större viktminskning (kroppsvikt är> 90% av fri-matning vikt), men tillräckligt liten för att säkerställa reproducerbar beteendekonditionering. Väg råttorna dagligen för att säkerställa sin kroppsvikt är fortsatt stabil.
    OBS! Ytterligare över natten (10-12 h) livsmedelsbrist kan vara användbara före den första belöningen-touch session (steg 2,3).

2. Utbildning ordningen för en Reach-och-pull Task

  1. Förberedelser: Låt råttorna vänja till sina nya hem burar under least en vecka efter ankomsten i djuranläggningen. Hantera råttorna regelbundet under denna tid och ge dammfri precision pellets i hemmet buren för att vänja råttorna till den nya maten. Dessa pellets kommer att användas som belöningar hela utbildningen protokollet.
  2. Tillvänjning: Placera råttorna i test bur för 30-45 minuter och ge 30-50 pellets i matskålen, blandat med pulveriserad chow. Öppna och stänga buren fönstret och kör pellet dispenser ibland att vänja råttorna till deras sound.
    1. Upprepa detta för 2-3 dagar.
  3. Belöna-touch: träna råttorna att röra den sfäriska handtaget genom korgen fönstret och att sedan flytta till den motsatta sidan av buren för att hämta ett livsmedel belöning.
    1. Justera programinställningarna så att handtaget ligger strax utanför test buren fönster i början av varje försök och rikta in handtaget med mitten av buren fönstret. När försöken är framgångsrika, dvs. </ Em>, så snart som en lätt beröring på handtaget (0,25 mm förskjutning i någon riktning) har upptäckts, avges en ljudsignal och en belöning fördelas. Klassificera försök som misslyckades när ingen beröring har upptäckts 180 s efter öppnas.
    2. Sätt råtta i utbildning bur. Fråga råttan att nå ut genom att låta det ta på en pellet hålls nära handtaget. Rikta råttans uppmärksamhet till handtaget och matskål genom att trycka på buren.
    3. Sluta meddelar när råttan oberoende når genom buren fönstret och hämtar maten pellets.
    4. Fortsätt tills 100 försök (vidrör) har slutförts eller tills 60 minuter har gått, vilket som kommer först.
    5. Fortsätta utbildningen av 3-4 dagar och börjar nästa steg i utbildningen (steg 2,4) när råttor uppnå 100 prövningar inom 30 minuter på 2 dagar i följd.
      OBS: Dra inte träna det här steget. Målet med belöning-touch är att uppnå tillförlitlig samverkan mellan råtta och roboten, så att detta beteende kan formas iefterföljande utbildning.
  4. Gratis pull (FP): Träna råttorna att nå ut och dra robotens handtag.
    1. Justera programinställningarna så att handtaget ligger 18 mm från fönstret i början av varje försök, och måste dras minst 10 mm utan avbrott för en lyckad rättegång. Det inte finns några sido restriktioner för dragrörelsen i detta skede.
      1. Klassificera ett prov som misslyckades när handtaget inte har flyttats till 180 s efter fönstret öppnas, när handtaget flyttas utanför nås arbetsyta (mer än 12 mm från mittlinjen), eller när råttan har dragit mindre än 10 mm i 5 s efter den första kontakten har upptäckts.
    2. Ta del av hur många gånger vänster och höger tass används under de första 20 försök i första FP sessionen. Tassen som används i åtminstone 80% av försöken anses vara den föredragna tassen.
      OBS: Paw önskemål kan redan vara klar i belöning-Touch sessioner.
    3. Flytta handtaget i sidled tills den är i linje med kanten på fönstret för att underlätta att dra med den föredragna tassen (dvs. flytta roboten 5 mm till vänster i fönstret för högerhänta råttor och vice versa).
      OBS: Placera handtaget i detta exakt samma position i förhållande till buren för alla följande träningspass för råtta. Försäkra avkräver placering av märken på buren väggen och på roboten.
    4. Sätt råtta i utbildning bur och tåget tills 100 försök har slutförts eller tills 60 minuter har gått, vilket som kommer först.
      OBS: Om råttan inte når ut tillräckligt långt, uppmana det genom att låta det ta på en pellet hålls nära handtaget. Råttor kan sluta försöka dra efter upprepade misslyckade försök. Knacka på buren, låt dem ta för pellets som hålls med en pincett eller avstå en pellet för att återställa deras motivation.
    5. För experiment som involverar endast FP utbildning, fortsätta träna som beskrivs i 2.4.
      NEJTE: Typiskt 1-2 FP sessioner behövs för att hjälpa övergången från belöning touch till SP (Straight Pull) utbildning. Målet med dessa FP sessioner är att vänja råttor för att nå ut, greppa och dra i handtaget, snarare än att bara röra vid den. Som med belöning-tryckträning, är det viktigt att inte över tåg om målet är att gå över till nästa träning steg.
  5. Straight pull (SP): Träna råttorna att dra i handtaget utan att avvika mer än 2 mm från mittlinjen.
    OBS: Den mittlinjen definieras i förhållande till startläget för roboten, inte till mittpunkten av buren fönstret. Således kommer en dragförsök slutar vid mittpunkten av buren fönstret resultera i en dragande bana som avviker mer än 2 mm från mittlinjen.
    1. Justera programinställningarna så att endast prövningar där dragrörelsen inte avviker mer än 2 mm från mittlinjen på vardera sidan belönas med en ton och en pellet. Håll alla andra parametrar som beskrivs i steg 2,4.
    2. Sätt råtta i utbildning bur och tåget tills 100 försök har slutförts eller tills 60 minuter har gått, vilket som kommer först.
      OBS: Råttor kan bli extremt upprörd och sluta försöka dra efter upprepade misslyckade försök. Knacka på buren för att omdirigera sin uppmärksamhet mot att nå uppgift, låt dem ta för pellets som hålls med en pincett eller avstå en pellet för att återställa deras motivation.
    3. Fortsätta träna tills råttorna når platån prestanda, eller anpassa utbildningsperioden i enlighet med målet om ett experiment.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Här visar vi 3 varianter av en räckvidd-och pull uppgift med hjälp av manliga Long-Evans råttor (10-12 veckor gamla). I det fria-pull (FP) grupp (N = 6) råttor utbildade för att dra robotens handtag för en 22-dagarsperiod utan sido begränsningar. Djur i rak pull 1 (SP1) grupp (N = 12) tränades att dra i handtaget utan att avvika mer än 2 mm från mittlinjen. Dessa djur gått direkt från belöning-touch (steg 2,3) till rak pull utbildning (steg 2,5). För både FP och SP1 djur, var handtaget placeras i mitten av buren fönstret. Dessa resultat har tidigare publicerats i Lambercy et al. 10 Råttor i SP2 gruppen (N = 7) fick 2 FP-utbildningar innan övergång till rak-pull utbildning. Handtaget var i linje med kanten av buren fönster för denna grupp, vilket är en något svårare uppgift, eftersom handtaget skulle avvika mer än 2 mm från mittlinjen om drogtill mittpunkten av buren fönstret.

Alla råttor lär sig lätt att samverka med robot manipulandum (Figur 2A). Antalet giltiga drag (dvs antalet dragförsök där handtaget dras minst 10 mm) ökar snabbt och når en stabil platå nivåer efter 2-3 dagar i FP och SP1. Antalet giltiga försök ökar i samma takt under FP sessioner SP2, vilket resulterar i en stabil antal giltiga dragningar per session hela SP utbildning i SP2 råttor. Plateau prestanda är hög i alla utbildnings paradigm och är oberoende av uppgiftsparametrar som handtagets läge och gränser för tillåtna mängden avvikelse från mittlinjen.

SP1 råttor nå platå framgång (dvs andelen giltiga drar som återstår inom 2 mm mittlinjen) efter 5-4 träningspass (Figur 2B). SP2-råttor visar enlångsammare progression och räckvidd platå framgång efter 11 sessioner, vilket tyder på att ett framgångsrikt genomförande av denna version av den raka drag uppgiften är svårare att uppnå. Slut framgångsrika är likartade för SP1 och SP2.

Under SP utbildning, dra banor blir allt rakare, vilket framgår av minskad avvikelse från mittlinjen (dvs området mellan den uppmätta banan och mittlinjen) och resulterar i ett ökat antal framgångsrika drar både SP1 och SP2 (Figur 3, Figur 5A). Intressant nog blir den genomsnittliga drag bana FP råttor rakare under 22 dagars utbildning period också, även om mängden av avvikelsen från mittlinjen stabiliseras på en högre nivå än i SP1 råttor. Detta tyder på att den naturliga drag bana är relativt rak när roboten handtag ligger i mitten av buren fönstret. När handtaget är i linje wed kanten av fönstret, är dock puling bana böjda och avvikelse från mittlinjen förblir stabil under SP2-FP-sessioner. Avvikelse från mittlinjen i SP2 gruppen är högre än i SP1 gruppen, sannolikt som en följd av excentriskt handtag placering.

Variationen av drag banor (dvs. storleken på 95% konfidensintervall) sjunker snabbt i FP och SP1, och når jämförbara nivåer i dessa grupper efter 3-4 träningspass (Figur 5B). Intressant nog behöver SP2 djuren inte visar denna minskning i variabilitet och kontinuerligt dra med relativt låg variation under SP sessioner, men visar en snabb nedgång av banan variabilitet under SP2-FP-sessioner.

På samma sätt, både medelvärde och toppdraghastighetsökning under första träningspass (FP, SP1 och SP2-FP), men är stabila under SP2 SP sessioner (Figurs 5C, 5D). Även genomsnittlig draghastighet inte förändras under SP2 sessioner, dra hastighetsprofiler blivit mycket mindre variabel genom utbildning (Figur 4). Detta återspeglas både i antalet submovements (dvs. antal accelerationer och inbromsningar i dragrörelsen, Figur 5E) och antalet försök med stopp (dvs. prövningar där draghastigheten sjunker till noll, figur 5F). Efter en stark nedgång under de första SP1 och SP2-FP-sessioner, både antalet submovements och antalet försök med stopp fortsätter att minska i SP1 och SP2 hela 22-sessions praktikperiod. I FP råttor antalet submovements och försök med stopp initialt snabbt minska också, men stabiliseras på en högre nivå än både rak pull grupper och inte visar en fortsatt förbättring. Intressant draghastighet inte verkar vara nära relaterat till resultatet av en studie (Figur 4

Den ~ 5% av råttor som inte lyckas lära sig att utföra den raka drag uppgift i allmänhet lär sig att dra i handtaget, men kan inte dra rakt (figur 6). Dessa djur visar en genomgående hög avvikelse från mittlinjen, vilket resulterar i låga andelen framgångsrika. Prestanda under SP2-FP sessioner djur presenteras här under är i övrigt jämförbar med SP2 djur som inte förvärva uppgift.

Figur 1
Figur 1: Översikt av Robotic Manipulandum och handtag positionering. (A) Teknisk ritning som visar robot manipulandum och märken för anpassning till utbildning bur. (B) hantera hålls i konstant referensläge i början av ett träningspass. (C) Hantera i fritt utgångsläge vid stkonst av en dragprov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Typiska inlärningskurvor av Reach-och-pull aktivitet. (A) Gäller dragförsök i en fri drag uppgift (FP, N = 6), straight pull uppgift utan inledande FP-sessioner (SP1, N = 12) och en rak drag uppgift (SP2, N = 7) med inledande FP sessioner (SP2-FP). Värdena är medelvärden ± SEM (B) Framgångsrika dragförsök som andelen giltiga försök i den raka drag uppgift med (SP2) och utan (SP1) introduktions FP-sessioner. Värdena är medelvärde ± SEM Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 3: Dra Trajectories blir successivt rakare och mindre varierande Under Utbildning av SP 2 Uppgift. Framgångsrik (svart), misslyckades (grå) och genomsnittliga (grön) banor visas för första och sista rak drag träningspass för en representativ djur. Streckade linjer visar 4 mm bred zon inom vilken en framgångsrik försöks exekveras. Den röda pricken betecknar utgångsläget av handtaget. Den gröna pricken visar den teoretiska slutpunkten för en perfekt rak 10 mm dragförsök. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: </ strong> medelhastigheten i dragriktningen av giltiga försök ökar något Under träning och blir mindre variabel från första (A) till den sista (B) träningspass. Genomsnitt (grön) och individuella draghastighetsprofiler framgångsrik (svart) och misslyckades (grå) drar försök visas för en representativ djur utför SP2 uppgiften. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: En översikt av parametrar som mäts i en gratis Dra (FP, N = 6) Uppgift, Straight Pull uppgift utan inledande FP-sessioner (SP 1, N = 12) och en rak dragning Uppgift (SP 2 >, N = 7) med inledande FP-sessioner (SP 2 -FP). Värdena är medelvärde ± SEM av alla giltiga Dra försök. (A) Avvikelse från mittlinjen (område mellan de uppmätta giltiga banor och en perfekt rak dragförsök längs mittlinjen, mm 2). (B) variationen i drag banor (95% konfidensintervall av alla giltiga försök inom en session). (C) Medelvärde draghastighet av alla giltiga försök (mm / s). (D) Peak draghastighet av alla giltiga försök (mm / s). (E) Submovements vilket indikeras av nollgenomgångar i accelerationsprofilen giltiga dragförsök (F) Pulling försök med stopp (% av giltiga drar) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

6 "src =" / filer / ftp_upload / 54.970 / 54970fig6.jpg "/>
Figur 6: Exempel på ett djur som inte lyckas lära sig att utföra SP 2 Uppgift. (A) Pulling banor i den första och sista träningspass. Framgångsrik (svart), misslyckades (grå) och genomsnittliga (grön) banor visas för första och sista rak drag träningspass för en representativ djur. Streckade linjer visar 4 mm bred zon inom vilken en framgångsrik försöks exekveras. Den röda pricken betecknar utgångsläget av handtaget. Den gröna pricken visar den teoretiska slutpunkten för en perfekt rak 10 mm dragförsök. (B) inlärningskurva som visar giltiga och framgångsrika dragförsök under utbildningstiden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Skickliga gående uppgifter används ofta för att studera motorisk förvärv samt försämrad motorik enligt patologiska tillstånd 6. Tillförlitlig och entydig analys att nå beteende är avgörande för att studera cellulära mekanismer som ligger bakom motorisk förvärv, samt neurofysiologiska processer i förlust och efterföljande återhämtning av funktion i djurmodeller av neurologisk sjukdom. De resultat som presenteras här visar hur rumsliga och tidsmässiga aspekter av dragrörelsen visar olika profiler under motorisk träning. Dessa kan återspegla olika delprocesser inom motorisk inlärningsprocessen 7, 12.

I resultaten som presenteras här visar vi att även en liten förändring i utbildning protokoll, såsom ett annat utgångsläge av handtaget (SP1 vs. SP2), resulterar i förändrade rörelseparameterprofiler. genom adding två FP sessioner före rak dragning utbildning till våra tidigare publicerade utbildning protokoll 10, kunde vi skilja effekterna av att lära sig att dra från färdigheten att dra rakt. Dessutom off-center placering av robotens handtaget i denna förbättrade träningsprotokoll (SP2) resulterar i en uppgift med en grundare inlärningskurva som är mer fördelaktig för att studera mekanismer för motorisk inlärning, eftersom det ger tid för interventioner före platå prestandanivåer är nådde. Dessutom är det möjligt att urskilja faktorer relaterade till uppgiften utförande från faktorer relaterade till uppgiften svårighet som inte omedelbart återspeglas i framgångsrika, men kan tyda på ytterligare förfining av motorisk 4. Smidigt genomförande av dragrörelser, som återspeglas i antalet submovements kan vara ett mått på kompetent, rak dra. Däremot droppar rumslig variabilitet av rörelsen snabbt som antalet giltiga dragningarökar i alla tre versioner av REACH-och-dra uppgift, men är inte direkt relaterade till att dra framgång i raka drag uppgifter och kan återspegla allmänna motorik eller konvergens på rätt rörelse som krävs för en lyckad studie, snarare än exekvering skicklig uppgift en gång reglerna för uppgiften har lärt.

Utförande av våra robot räckvidd-och-pull uppgifter är anmärkningsvärt pålitlig och reproducerbar mellan djur. Alla dresserade djur förvärva fri drag uppgiften, och en majoritet (90-95% av djuren) kan lära den raka drag uppgiften. Även djur som visar genomgående låga svarsfrekvensen under direkt dra fortsätta att utföra ett stort antal giltiga dragförsök. Dessa misslyckades, men giltiga försök registreras fullständigt. Misslyckades att nå försök i en klassisk skicklig nå uppgift typiskt resulterar i en ofullständig nå rörelse. Det är därför inte bara möjligt att analysera aspekter av rörelsen i samband med framgångsrika uppgift förvärv, men alså att bedöma vilken rörelse parametrar resulterar i ett misslyckande.

Medan mätningarna presenteras här ger detaljerad information om att dra rörelser, inte alla aspekter av REACH-och-drag forelimb rörelse fångas. Eventuella ändringar i gående beteende som sker före den första beröring eller efter frigöring av handtaget i slutet av en giltig dragförsök registreras inte och kan därför inte analyseras med samma precision. Till exempel är antalet greppa försök innan en dragrörelsen inte mäts, även om de kan vara relevanta i förhållande till funktionell återhämtning modeller. Analys av höghastighets videoinspelningar ger denna ytterligare information. Tidigare beskrivna metoder för att spåra rörelse 13, 14 kan anpassas för detta ändamål.

Dessutom behöver våra inspelningar inte ge information om kvaliteten på råttans grepp på handtaget. Rotation avhandtag, vilket tyder på pronation eller supination av tassen, kan ge en inblick i kombination med höghastighetsvideo. Eftersom rotation och grepp är särskilt utsatta i rått stroke modeller 9, 15, 16, behövs framtida experiment för att avgöra hur effektiva de uppgifter räckvidd-och-pull som presenteras här är att fånga efter stroke motoriken.

De uppgifter som presenteras här var utformade för att efterlikna konventionella enda pelletsgående uppgifter: det krävs dragavståndet är baserad på den typiska avståndet mellan fönstret och pellets i dessa uppgifter och den fria rörligheten för handtaget i horisontalplanet möjliggör mätning av råttans naturliga paw banor över ett 10 mm avstånd giltiga prövningar.

Likaså ogiltiga prövningar där handtaget flyttas utanför robotens arbetsyta (t.ex. handtaget dras undan under dragning) ellerdär drog avståndet är otillräcklig kan tolkas som liknar tappade pellets i enskilda pellets nå uppgifter, även om handtaget inte faller i golvet när de släpps.

Denna konstruktion fångar fler aspekter av dragrörelsen än automatiska uppgifter som syftar till att mäta en enda enkel rörelse. Men gör det också samverkan mellan dragning och roterande rörelser och ger djuren möjlighet till ersättning. Insikt i kompensationsrörelser under motorik återhämtning kan vara värdefull, men också komplicerar tolkningen av resultaten.

Ett kritiskt steg i förvärvet av REACH-och-pull uppgifter är framgångsrik konditionering av belöning beröring steget utbildning. Utan tillförlitlig samverkan mellan råtta och robot, ytterligare träningssteg är svåra att genomföra och kvantifiera på ett tillförlitligt sätt. Det är lika viktigt att inte overtrain råttorna under övergångsträningssteg, dock. medan enDJUR kan fortsätta att visa förbättringar i prestanda under belöning-touch-utbildning för mer än 3-4 dagar, överkonsolidering förhindrar effektiv formning av beteende i efterföljande räckvidd-och-pull utbildning.

Konstant placering av handtaget är en förutsättning för korrekt utförande och tillförlitlig analys av alla data som erhållits med hjälp av robot räckvidd-och-drag uppgift presenteras här. Medan läget av handtaget i förhållande till resten av roboten och mittlinjen är mjukvarudefinierad, är handtagets position i förhållande till buren fönstret lätt varieras genom att flytta antingen i sidled. Här har vi visat hur anpassningen av handtaget med antingen kanten eller mitten av fönstret förändrar uppgiften förvärv och kan användas för att studera processer som ligger bakom motorisk inlärning. Obeständig inriktning av handtaget inom en träningsperiod, dock kommer att introducera confounding effekter och ger opålitliga beteende avläsning.

I beskrev protokollet här, råttas utbildas under dagliga sessioner består av 100 försök, liknande våra tidigare enda pellet gående experiment 4, 17. Med automatiska tränings inställningar lätt kan ökas antalet försök per session, utan att kräva mycket mer ansträngning på den del av forskaren. Medan högre antal försök per session kan resultera i en lägre intra-individuell variation, effekterna av att öka antalet försök per träningspass på hastigheten på inlärning och återhämtning måste tas med i beräkningen. Dessutom kommer faktorer som mättnad och trötthet blir mer relevant och kan störa prestanda i mycket långa träningspass.

Även stam och könsskillnader i motorisk inlärningsförmåga har beskrivits i råttor 4, 18, 19, har vi fått pålitliga prestanda i både manliga Sprague-Dawley end Long-Evans råttor. Äldre djur (4-5 månader gamla) är i allmänhet långsammare än yngre (8-10 veckor) och visar längre intervall mellan försöken. Dessutom har vi observerat dåliga resultat i äldre djur när mat pellets är ersatta med en sackaros-vatten belöning. Äldre djur som får flytande belöningar upplever svårigheter vid övergången från belöning-touch till att dra. Detta kan orsakas av åldersrelaterade belönings-preferences, i vilket fall med hjälp av en mer tilltalande flytande belöning såsom yoghurt eller jordnötsolja kan ge bättre resultat. Alternativt kan beteendet hos äldre djur pekar på svårigheter att förstå en mer abstrakt gående uppgift (jämfört med konventionell pellet gående), även om vi observerar tillförlitlig inlärningsbeteendet hos dessa djur när fasta matbelöningar används. Därför bör effekten av den valda belöning särskilt beaktas när man utformar experiment där användningen av äldre djur är att föredra (dvs. i modeller av stroke eller Neurodegenerativ sjukdom).

Vi har ännu inte studerat könsskillnader i motorisk inlärning med hjälp av ETH Pattus. Det är osannolikt att honråttor inte kommer att kunna förvärva SP eller FP uppgifter, även om deras inlärningsstrategier kan skilja sig från män. Men även om Östrogencykeln påverkar ryggraden densitet i honråttor, är effekter på inlärningskurvor och lärande relaterade plasticitet i primärmotor cortex begränsad 20.

Robot uppgifter kan varieras på flera sätt: den erforderliga rörelsen kan vara mer eller mindre exakt (till exempel en begränsad mängd avvikelse från en förutbestämd bana i en räckvidd-och-drag uppgift) kan eller roboten störa eller hjälpa den exekverade rörelse i vilken som helst eller alla av tre dimensioner (på längden eller sidorörelser i horisontalplanet och rotationsvinkel av handtaget). Annat än variationer på de uppgifter räckvidd-och-pull som presenteras i detta dokument, är det möjligt att utforma motorisk ltjänar uppgifter där till exempel rotationsvinkel av handtaget, maximal rörelsehastighet, eller accelerationsprofil definierar framgång för ett försök.

Annat än att tillåta lätt variation av uppgiftsparametrar, den experimentuppställning som presenteras här separerar spatialt motor verkan från den givna belöning, som dispenseras på den motsatta sidan av buren. Anpassning belöningen storlek är inte möjlig i klassiska gående uppgifter utan att påverka uppgift svårighet 21   (En mindre mat pellets är svårare att förstå än en större), inte heller är det möjligt att variera risken för en belöning oberoende av djurets skicklighetsnivå. Med användning av en robotliknande uppgift, kan belöningen som erhålles för en motor åtgärd varieras baserat på skicklighet, nuvarande prestanda, eller kan varieras för att bedöma faktorer såsom motivation.

Sammanfattningsvis, automatiserade utbildning i kombination med kinematisk rörelseanalys ger ett automatiserat, objektiv metodför att studera motorisk inlärning som nära efterliknar konventionella kvalificerade gående uppgifter, men ger ytterligare uppgifter om både lyckade och misslyckade dragförsök. Detta tillvägagångssätt öppnar upp nya vägar för undersökning i kombination med elektrofysiologiska, farmakologiska eller optogenetic insatser som syftar till att stärka eller störningar med räckvidd-och-dra rörelser eller resulterande livsmedels belöningar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut

Acknowledgments

Denna forskning stöds av den schweiziska National Science Foundation, Betty och David Koetser Stiftelsen för hjärnforskning och ETH Foundation.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Lambercy, O., et al. Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents. Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Molina-Luna, K., et al. Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PloS one. 4, (9), (2009).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
Undersöka motorisk lärprocesser med en Robotic Manipulandum
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter