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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsøgene præsenteret her blev godkendt af Veterinærkontor kantonen Zürich, Schweiz og blev udført i henhold til nationale og institutionelle regler.
1. Fodring Betingelser
BEMÆRK: Alle kurser udføres under en planlagt fodring protokol.
- Fodre rotterne 50 g / kg af standard chow gang om dagen, efter træning er afsluttet. Dette beløb af fødevarer er tilstrækkelig til at forhindre større vægttab (kropsvægt er> 90% af gratis-fodring vægt), men lille nok til at sikre reproducerbar adfærdsmæssige condition. Vejes rotterne dagligt for at sikre deres kropsvægt forbliver stabil.
BEMÆRK: Supplerende natten over (10-12 h) underernæring kan være nyttige inden den første belønning-touch session (trin 2.3).
2. Uddannelsen Procedure for et Reach-and-pull Opgave
- Forberedelse: Tillad rotterne til at vænne sig til deres nye hjem bure for mindsst en uge efter ankomsten i dyret facilitet. Håndter rotterne regelmæssigt under denne tid og give støvfrie præcision piller i hjemmet bur at vænne rotterne til den nye mad. Disse piller vil blive brugt som belønning hele uddannelsen protokollen.
- Tilvænning: Placer rotterne i test bur til 30-45 min og give 30-50 pellets i fodring skål, blandet med pulveriseret chow. Åbne og lukke buret vinduet og køre pille dispenser lejlighedsvis at vænne rotterne til deres lyd.
- Gentag dette for 2-3 dage.
- Belønne-touch: træne rotterne til at røre den sfæriske håndtag gennem buret vinduet og til derefter flytte til den modsatte side af buret for at hente en fødevare belønning.
- Juster softwareindstillingerne således at håndtaget er placeret lige uden for testbur vindue ved begyndelsen af hvert forsøg og tilpasse skaftet med midten af buret vinduet. Når forsøgene er succesfulde, dvs. </ Em>, så snart en let berøring på håndtaget (0,25 mm forskydning ikke i nogen retning) er blevet opdaget, lyder der en tone, og en belønning dispenseres. Klassificere forsøg som mislykkedes, da der ikke røre er blevet opdaget i 180 s efter at vinduet åbnes.
- Sæt rotte i uddannelse bur. Spørg rotten at nå ud ved at lade det få fat på en pellet afholdt nær håndtaget. Ret rotten opmærksomhed på håndtaget og mad skål ved at trykke på buret.
- Stop spørge, når rotten uafhængigt når gennem buret vinduet og henter foderpellet.
- Fortsæt indtil 100 forsøg (rører) er afsluttet, eller indtil 60 minutter er gået, hvad der kommer først.
- Fortsat uddannelse af 3-4 dage og begynde den næste fase af uddannelse (trin 2.4), når rotter opnå 100 forsøg inden for 30 minutter på 2 på hinanden følgende dage.
BEMÆRK: Må ikke over-tog dette skridt. Målet med belønning-touch er at opnå pålidelig vekselvirkning mellem rotter og robotten, så at denne adfærd kan formes iefterfølgende træning.
- Gratis pull (FP): Train rotterne til at række ud og trække robottens håndtag.
- Juster softwareindstillingerne således at håndtaget er placeret 18 mm fra vinduet ved starten af hvert forsøg, og skal trækkes i mindst 10 mm uden afbrydelse for en vellykket forsøg. Der er ingen laterale begrænsning af trækbevægelse i denne fase.
- Klassificere et forsøg som mislykkedes når håndtaget ikke er flyttet til 180 s efter at vinduet åbnes, når håndtaget bevæges uden for nås arbejdsområdet (mere end 12 mm fra midterlinjen), eller når rotten har trukket mindre end 10 mm inden 5 s efter den første berøring er detekteret.
- Vær opmærksom på, hvor mange gange bruges venstre og højre pote i løbet af de første 20 forsøg med den første FP session. Poten, der bruges i mindst 80% af forsøgene betragtes som den foretrukne pote.
BEMÆRK: Paw præference kan allerede være klar i belønning-touch sessioner. - Flyt håndtaget til siden, indtil det flugter med kanten af vinduet for at lette at trække med den foretrukne pote (dvs. flytte robotten 5 mm til venstre side af vinduet for højrehåndede rotter og vice-versa).
BEMÆRK: Placer håndtaget i denne nøjagtig samme position i forhold til buret for alle følgende kurser for denne rotte. Forsikre nøjagtig placering af mærker på buret væggen og på robotten. - Sæt rotten i uddannelsen bur og tog indtil 100 forsøg er afsluttet, eller indtil 60 minutter er gået, hvad der kommer først.
BEMÆRK: Hvis rotten ikke når langt nok ud, bede det ved at lade det få fat på en pellet afholdt nær håndtaget. Rotter kan holde op med at trække efter gentagne mislykkede forsøg. Tryk på buret, så lad dem tage fat i for pellets holdt med en tang eller dispensere en pellet at genoprette deres motivation. - For forsøg med kun FP uddannelse, fortsætte uddannelsen som beskrevet i 2.4.
INGENTE: Typisk er der behov for 1-2 FP sessioner for at hjælpe overgangen fra belønning touch til SP (Straight Pull) uddannelse. Målet med disse FP sessioner er at vænne rotter at nå ud, grab og trække i håndtaget, snarere end kun røre det. Som med belønning-touch træning, er det vigtigt ikke at over-toget, hvis målet er at overgangen til et næste træning trin.
- Juster softwareindstillingerne således at håndtaget er placeret 18 mm fra vinduet ved starten af hvert forsøg, og skal trækkes i mindst 10 mm uden afbrydelse for en vellykket forsøg. Der er ingen laterale begrænsning af trækbevægelse i denne fase.
- Lige pull (SP): Train rotterne til at trække i håndtaget uden at afvige mere end 2 mm fra midterlinjen.
BEMÆRK: midterlinjen er defineret i forhold til startpositionen af robotten, ikke til midten af buret vinduet. Således vil et træk forsøg slutter ved midtpunktet af buret vinduet resultere i en trække trajektorie, som afviger mere end 2 mm fra midterlinjen.- Juster software-indstillinger, så kun forsøg, hvor trække bevægelse ikke afviger mere end 2 mm fra midterlinjen på begge sider bliver belønnet med en tone og en pellet. Holde alle andre parametre som beskrevet i trin 2.4.
- Sæt rotten i uddannelsen bur og tog indtil 100 forsøg er afsluttet, eller indtil 60 minutter er gået, hvad der kommer først.
BEMÆRK: Rotter kan blive meget ophidsede og holde op med at trække efter gentagne mislykkede forsøg. Tryk på buret for at omdirigere deres opmærksomhed på at nå opgaven, lad dem tage fat i for pellets holdt med en tang eller dispensere en pellet at genoprette deres motivation. - Fortsæt uddannelse indtil rotterne nå plateau ydeevne, eller tilpasse perioden uddannelse i henhold til målet om et eksperiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Her viser vi 3 variationer af en rækkevidde-og pull opgaven via mandlige Lang Evans rotter (10-12 uger gamle). I de frie-pull (FP) gruppe (N = 6) blev rotter trænet til at trække robottens håndtag til en perioden 22. dag uden laterale restriktioner. Dyr i den straight-pull 1 (SP1) gruppe (N = 12) blev trænet til at trække i håndtaget uden at afvige mere end 2 mm fra midterlinjen. Disse dyr skiftet direkte fra belønning-touch (trin 2.3) til straight-pull uddannelse (trin 2.5). For både FP og SP1 dyr, blev håndtaget placeret i midten af buret vinduet. Disse resultater blev tidligere publiceret i Lambercy et al. 10 Rotter i SP2 (N = 7) modtog 2 FP-træning før overgangen til straight-pull træning. Håndtaget blev rettet ind med kanten af buret vinduet for denne gruppe, hvilket resulterer er en lidt mere vanskelig opgave, da håndtaget ville afvige mere end 2 mm fra midterlinjen hvis trukkettil midten af buret vinduet.
Alle rotter let lære at interagere med robot manipulandum (figur 2A). Antallet af gyldige pulls (dvs. antallet af trække forsøg, hvor håndtaget er trukket mindst 10 mm) stiger hurtigt og når stabile plateauniveauer efter 2-3 dage i FP og SP1. Antallet af gyldige forsøg stiger på et tilsvarende sats i FP sessioner SP2, hvilket resulterer i et stabilt antal gyldige træk per session hele SP uddannelse i SP2 rotter. Plateau ydeevne er høj i alle træning paradigmer og er uafhængig af task parametre som håndtag stilling og grænser for den tilladte mængde af afvigelse fra midterlinien.
SP1 rotter nå plateau succesrate (dvs. den procentdel af gyldige pulls som forbliver inden for 2 mm af midterlinjen) efter 5-4 træningssessioner (figur 2B). SP2 rotter viser enlangsommere progression og rækkevidde plateau succesrate efter 11 sessioner, hvilket indikerer, at en vellykket gennemførelse af denne version af det lige træk opgave er vanskeligere at opnå. Endelige succesrater er ens for SP1 og SP2.
Under SP uddannelse, trækker baner blevet stadig mere lige, som vist ved nedsat afvigelse fra midterlinjen (dvs. området mellem den målte bane og midterlinjen) og resulterer i et øget antal af succesfulde trækker i både SP1 og SP2 (figur 3, figur 5A). Interessant, den gennemsnitlige trække bane FP rotter bliver mere lige under de 22 dages uddannelse periode samt, selv om mængden af afvigelse fra midterlinien stabiliseres på et højere niveau end i SP1 rotter. Dette indikerer, at det naturlige træk bane er relativt lige, når robottens håndtaget er placeret i centrum af buret vinduet. Når håndtaget er justeret wed kanten af vinduet, men det puling bane er buet og afvigelse fra midterlinien forbliver stabil under de SP2-FP sessioner. Afvigelse fra midterlinjen i SP2 gruppen stadig højere end i SP1 gruppen, sandsynligvis som følge af en off-center håndtag placering.
Variabilitet af de trække baner (dvs. størrelsen af konfidensintervallet 95%) falder hurtigt i FP og SP1, og når sammenlignelige niveauer i disse grupper efter 3-4 træningssessioner (figur 5B). Interessant, behøver SP2 dyr Vis ikke denne nedgang i variation og løbende trække med relativt lav variabilitet under SP-sessioner, men viser et hurtigt fald i bane variabilitet under SP2-FP sessioner.
Tilsvarende både betyde og peak trække hastighedsforøgelse under indledende træning (FP, SP1 og SP2-FP), men er stabile under SP2-SP sessioner (figurs 5C, 5D). Selvom gennemsnit trække hastighed ikke ændres under SP2 sessioner, trækker hastighedsprofiler blevet meget mindre variabel gennem uddannelse (figur 4). Dette afspejles i både antallet af submovements (dvs. antal accelerationer og decelerationer i trække bevægelse, figur 5E) og antallet af forsøg med stop (dvs. forsøg, hvor trækker hastigheden falder til nul, figur 5F). Efter et kraftigt fald i de første SP1 og SP2-FP-sessioner, både antallet af submovements og antallet af forsøg med stop fortsætte med at falde i SP1 og SP2 hele 22-sessionen træningsperiode. I FP rotter antallet af submovements og forsøg med stop i begyndelsen hurtigt falde så godt, men stabilisere sig på et højere niveau end både straight-pull grupper, og viser ikke en fortsat forbedring. Interessant, trække hastighed synes ikke at være tæt forbundet med resultatet af en retssag (figur 4
The ~ 5% af rotter, som ikke med held lære at udføre den straight-pull opgave generelt lærer at trække i håndtaget, men er ude af stand til at trække lige (figur 6). Disse dyr viser en konstant høj afvigelse fra midterlinjen, hvilket resulterer i lave succesrater. Ydeevne under SP2-FP sessioner dyret præsenteres her under ellers sammenlignes med SP2 dyr, der erhverver opgaven med succes.
Figur 1: Oversigt over Robotic Manipulandum og Handle Positionering. (A) Teknisk tegning, der viser robot manipulandum og mærker for tilpasning til træning bur. (B) håndtere holdes i konstant henvisning stilling ved starten af en træningssession. (C) Håndtag i fri startposition på stkunsten en trækker retssag. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Typiske Learning Curves af en Reach-og-pull Opgave. (A) Gyldig trække forsøg i et frit pull opgave (FP, N = 6), straight pull opgave uden indledende FP-sessioner (SP1, N = 12) og en lige pull opgave (SP2, N = 7) med indledende RP sessioner (SP2-FP). Værdier er middelværdier ± SEM (B) Succesfulde trække forsøg i procent af gyldige forsøg i den lige trække opgaven med (SP2) og uden (SP1) indledende FP-sessioner. Værdier er gennemsnit ± SEM Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Trække Trajectories gradvis blevet mere lige og mindre variabel Gennem Træning af SP 2 Opgave. Vellykket (sort), mislykkedes (grå) og gennemsnitlige (grøn) baner er vist for den første og sidste straight pull træning session for en repræsentativ dyr. Stiplede linjer viser 4 mm bred zone, inden for hvilken en vellykket forsøg udføres. Den røde prik angiver startpositionen af håndtaget. Den grønne prik viser den teoretiske endepunkt en helt lige 10 mm trække forsøg. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: </ strong> Mean Speed i Trække retning Gyldige Forsøg Øger Lidt Gennem træning og bliver mindre Variabel fra First (A) til den sidste (B) Uddannelse Session. Gennemsnit (grøn) og individuelle trækhastighed profiler af vellykket (sort) og mislykkedes (grå) trækker forsøg er vist for en repræsentativ dyr udfører SP2 opgave. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: En oversigt over parametre målt i en gratis Pulling (FP, N = 6) Opgave, Straight Pull Opgave Uden Indledende FP-sessioner (SP 1, N = 12) og en Straight Pull Task (SP 2
6 "src =" / files / ftp_upload / 54.970 / 54970fig6.jpg "/>
Figur 6: Eksempel på en Animal, der ikke Succesfuld Lær at Udfør SP 2 Opgave. (A) Pulling baner i den første og sidste træningspas. Vellykket (sort), mislykkedes (grå) og gennemsnitlige (grøn) baner er vist for den første og sidste straight pull træning session for en repræsentativ dyr. Stiplede linjer viser 4 mm bred zone, inden for hvilken en vellykket forsøg udføres. Den røde prik angiver startpositionen af håndtaget. Den grønne prik viser den teoretiske endepunkt en helt lige 10 mm trække forsøg. (B) Læring kurve, der viser gyldige og succesrige trække forsøg i hele praktikperioden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 trække bevægelsen viser tydelige profiler under motor færdighedstræning. Disse kan afspejle forskellige delprocesser inden motoren dygtighed læreproces 7, 12.
I resultaterne præsenteret her, viser vi, at selv en lille ændring i træningsprotokol, såsom en anderledes startposition af håndtaget (SP1 vs. SP2), resulterer i ændrede bevægelse parameter profiler. Ved adding to FP sessioner før lige træk uddannelse til vores tidligere offentliggjorte uddannelse protokol 10, var vi i stand til at adskille effekten af at lære at trække fra evnerne til at trække lige. Derudover excentrisk placering af robottens håndtaget i denne forbedrede træningsprotokol (SP2) resulterer i en opgave med en fladere indlæringskurve, der er mere fordelagtige til at studere mekanismer for motorisk læring som det giver tid til indgreb før plateau præstationsniveauer er nået. Desuden er det muligt at skelne faktorer relateret til opgave udførelse fra faktorer relateret til opgave vanskeligheder, der ikke umiddelbart afspejles i succesrater, men kan indikere yderligere finjustering af motorik 4. Glat udførelse af trække bevægelser, afspejles i antallet af submovements kan betragtes som et mål for faglært, lige trække. Derimod falder hurtigt som antallet af gyldige pulls rumlige variabilitet af bevægelsenstigninger i alle tre versioner af rækkevidde-og-pull opgave, men er ikke direkte relateret til at trække succes i lige pull opgaver og kan afspejle generel motorisk funktion eller konvergens på den korrekte bevægelse kræves for en vellykket forsøg, snarere end faglært opgave udførelse, når regler opgaven er blevet lært.
Udførelse af vores robot rækkevidde-og-pull opgaver er bemærkelsesværdigt pålidelig og reproducerbar mellem dyr. Alle trænede dyr erhverve den frie pull opgave, og et flertal (90-95% af dyrene) er i stand til at lære lige træk opgave. Selv dyr, der viser konsekvent lave succesrater i lige trækker fortsat udføres et stort antal gyldige trække forsøg. Disse mislykkedes, men gyldige forsøg er fuldt optaget. Mislykket nå forsøg i en klassisk faglært nå opgave typisk resulterer i en ufuldstændig nå bevægelse. Det er således ikke kun muligt at analysere aspekter af bevægelse i forbindelse med vellykket opgave erhvervelse, men alså at vurdere, hvilke bevægelser parametre resultere i fejl.
Mens målingerne præsenteret her giver detaljerede oplysninger om at trække bevægelser, ikke alle aspekter af rækkevidde-og-pull forben bevægelse registreres. Eventuelle ændringer i nå adfærd, der opstår forud for den første berøring eller efter frigivelse af håndtaget for enden af et gyldigt trække forsøg registreres ikke og kan derfor ikke analyseres med samme præcision. For eksempel er antallet af sensationsprægede forsøg forud for en trækker bevægelse ikke målt, selvom de kan være relevante i forhold til funktionelle nyttiggørelse modeller. Analyse af højhastigheds-videooptagelser giver disse yderligere oplysninger. Tidligere beskrevne fremgangsmåder til bevægelse sporing 13, 14 kan tilpasses til dette formål.
Hertil kommer, at vores optagelser ikke give oplysninger om kvaliteten af rottens greb på håndtaget. Rotation afhåndtere, hvilket indikerer pronation eller supination af poten, kunne give et indblik i kombination med high-speed video. Da rotation og greb er særligt berørt i rotte slagtilfælde modeller 9, 15, 16, er der behov for fremtidige eksperimenter for at bestemme, hvor effektive de rækkevidde-og-pull opgaver præsenteres her er at fange efter slagtilfælde motoriske underskud.
Opgaverne præsenteres her blev designet til at efterligne traditionelle enkelt pellet nå opgaver: den krævede trække afstanden er baseret på den typiske afstand mellem vindue og pellet i disse opgaver og den frie bevægelighed af håndtaget i det vandrette plan muliggør måling af rottens naturlige pote baner over en afstand på 10 mm i gyldige forsøg.
Ligeledes ugyldige forsøg, hvor skaftet bevæges uden for robottens arbejdsområde (f.eks håndtaget swiped afsat under udtrækning) ellerhvor den trak afstanden er utilstrækkelig kunne tolkes som værende magen til faldet pellets i enkelt pellet nå opgaver, selvom håndtaget ikke falder til gulvet, når de slippes.
Dette design indfanger flere aspekter af den trække bevægelse end automatiserede opgaver der tager sigte på at måle et enkelt bevægelse. Men det giver også mulighed for samspil mellem trækker og roterende bevægelser og giver dyr mulighed for erstatning. Indsigt i kompenserende bevægelser under motorik opsving kan være værdifulde, men også komplicerer fortolkningen af resultaterne.
Et afgørende skridt i erhvervelse af rækkevidde-og-pull opgaver er vellykket konditionering af belønning strejf trin i uddannelsen. Uden pålidelig samspil mellem rotter og robot, yderligere uddannelse trin er vanskelige at gennemføre og kvantificere pålideligt. Det er lige så vigtigt at ikke overtrain rotterne under overgangsbestemmelserne uddannelse trin, dog. mens enimals kan fortsat vise forbedringer i ydelse under belønning-touch kurser for mere end 3-4 dage, over-konsolidering forhindrer effektiv udformning af adfærd i den efterfølgende rækkevidde-og-pull træning.
Konstant placering af håndtaget er afgørende for korrekt udførelse og pålidelig analyse af data opnået ved hjælp af den robot rækkevidde-og-pull opgave præsenteres her. Mens positionen af håndtaget i forhold til resten af robotten og til midterlinjen er software-defineret er håndtaget position i forhold til buret vinduet let varieres ved at flytte enten sidelæns. Her har vi vist, hvordan justering af håndtaget med enten kanten eller midten af vinduet ændrer erhvervelse opgave, og kan bruges til at studere processer bag motorik læring. Ustadig justering af håndtaget i en træningsperiode, men vil introducere confounding effekter og udbytter upålidelige adfærdsmæssige udlæsninger.
I protokollen beskrevet her, rottes er uddannet under daglige sessioner består af 100 forsøg, der ligner vores tidligere enkelt pille nå eksperimenter 4, 17. Med automatiserede uddannelse opsætninger kan let øget antallet af forsøg pr session, uden at kræve meget større indsats på den del af forskeren. Mens højere antal forsøg pr session kan resultere i lavere intra-individuel variation af virkningerne af at øge antallet af forsøg pr træningssession på hastigheden af læring og nyttiggørelse skal tages i betragtning. Desuden vil faktorer som mæthed og træthed bliver mere relevant og kan forstyrre præstation i meget lange træningspas.
Selvom stamme og køn forskelle i motorik indlæringsevne er blevet beskrevet i rotter 4, 18, 19, har vi opnået pålidelig ydelse i både Sprague-Dawley end Lang-Evans rotter. Ældre dyr (4-5 måneder gamle) er generelt langsommere end yngre (8-10 uger) og vise længere intervaller mellem forsøg. Desuden har vi observeret dårlige resultater i ældre dyr, når foderpiller er erstattet med en sakkarose-vand belønning. Ældre dyr, der modtager flydende belønninger oplever problemer, når der skiftes fra belønning-touch til at trække. Dette kan være forårsaget af aldersrelaterede belønning-præferencer, i hvilket tilfælde anvendelse af et mere velsmagende væske belønning såsom yoghurt eller jordnøddeolie kan give bedre resultater. Alternativt kunne adfærd ældre dyr indikerer problemer med at forstå en mere abstrakt nå opgave (sammenlignet med konventionel pellet nå), selv om vi observere pålidelig læring opførsel i disse dyr, når der anvendes faste fødevarematerialer belønninger. Derfor bør særligt overvejes effekten af den valgte belønning, når designe eksperimenter, hvor brugen af ældre dyr er at foretrække (dvs. i modeller for slagtilfælde eller Neurodegenerativ sygdom).
Vi har endnu ikke studeret kønsforskelle i motorik læring ved hjælp af ETH Pattus. Det er usandsynligt, at hunrotter ikke vil være i stand til at erhverve SP eller FP opgaver, selv om deres læringsstrategier kan afvige fra mænd. Men selv om østrale cyklus påvirker rygsøjlen tæthed i hunrotter, virkninger på læring kurver og læring-relaterede plasticitet i den primære motor cortex er begrænset 20.
De robot opgaver kan varieres på flere måder: den krævede bevægelse kan være mere eller mindre præcist (for eksempel en begrænset mængde af afvigelse fra en foreskreven bane i en rækkevidde-og-pull opgave), eller robotten kan forstyrre eller hjælpe den gennemførte bevægelse helst eller alle tre dimensioner (i længderetningen eller sidelæns bevægelser i det vandrette plan og rotation vinkel af håndtaget). Andre end variationer på rækkevidde-og-pull opgaver præsenteret i dette papir, er det muligt at designe motor dygtighed ltjene opgaver, hvor for eksempel rotation vinkel af håndtaget, maksimal bevægelse hastighed eller acceleration profil definerer succes i en retssag.
Undtagen tillader let variation af task parametre, forsøgsopstillingen præsenteres her rumligt adskiller motoren handling fra den givne belønning, som afgives på den modsatte side af buret. Tilpasning af belønning størrelse er ikke muligt i klassiske nå opgaver uden at påvirke opgave besvær 21 (En mindre foderpille er mere vanskeligt at forstå end en større), det er heller ikke muligt at variere chancen for en belønning uafhængigt af dyrets færdighedsniveau. Ved hjælp af en robot opgave, kan belønningen opnået for en motor handling varieres baseret på dygtighed, aktuelle ydeevne, eller kan varieres for at vurdere faktorer som motivation.
Afslutningsvis automatiseret uddannelse kombineret med kinematisk bevægelse analyse giver en automatiseret, objektiv metodefor at studere motorik læring, der nøje efterligner konventionelle dygtige nå opgaver, men giver yderligere data for både vellykket og mislykkedes trækker forsøg. Denne tilgang åbner op for nye muligheder for undersøgelse i kombination med elektrofysiologiske, farmakologiske eller optogenetic interventioner rettet mod forbedring af eller indgreb med rækkevidde-og-pull bevægelser eller følge fødevarer belønninger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af den schweiziske National Science Foundation, Betty og David Koetser Foundation for Brain Research og 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 |
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).
