Summary
Een paradigma is gepresenteerd voor de opleiding en de analyse van een geautomatiseerde geschoolde bereiken taak bij ratten. Analyse van het trekken van pogingen onthult verschillende deelprocessen van motorisch leren.
Abstract
Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt in studies van motorische vaardigheden leren en motorische functie onder gezonde en pathologische omstandigheden, maar kan tijdrovend en dubbelzinnig te kwantificeren dan eenvoudige slagingspercentages zijn. Hier beschrijven we de training procedure voor het bereik-en-pull taken met ETH Pattus, een robot platform voor geautomatiseerde voorpoot bereiken training die platen te trekken en met de hand draaien bewegingen bij ratten. Kinematische kwantificering van de uitgevoerde trekken pogingen onthult de aanwezigheid van verschillende tijdelijke profielen verkeer parameters zoals het trekken snelheid ruimtelijke variabiliteit van de trekkende traject afwijking van middellijn, en trekken succes. We laten zien hoe kleine aanpassingen in de opleiding paradigma leiden tot veranderingen in deze parameters, waaruit hun relatie tot problemen, algemene motorische functie of geschoolde taakuitvoering taak. In combinatie met elektrofysiologische, farmacologische en optogenetic technieken kan dit paradigma worden gebruiktom de mechanismen die ten grondslag liggen motorisch leren en geheugenvorming, evenals verlies en herstel van de functie (bijvoorbeeld na een beroerte) te verkennen.
Introduction
Motorische taken worden op grote schaal gebruikt om gedrags-en neurale veranderingen in verband met motorisch leren of om veranderingen in de motorische functie in de neurologische of farmacologische diermodellen beoordelen. Fijne motoriek kan moeilijk te kwantificeren bij knaagdieren, echter. Taken die handvaardigheid, zoals manipulatie van granen 1, 2 pasta, of zonnebloempitten 3 zijn gevoelig en hebben een uitgebreide training van het dier niet nodig. Hun voornaamste nadeel is dat deze taken leveren veelal kwalitatieve resultaten en kan moeilijk zijn eenduidig scoren.
Geschoolde bereiken taken, zoals variaties van de interne pellet bereiken taak zijn eenvoudiger te kwantificeren 4, 5. Echter, kinematische factoren die de succesvolle uitvoering van deze taken ten grondslag liggen kan alleen worden afgeleid in beperkte mate en vereisen arbeidsintensieve beeld-voor-frame van video eenNALYSE.
Robotic apparaten zijn populairder geworden als middel om te kwantificeren aspecten van de voorpoot functie en motorische vaardigheden. Verschillende geautomatiseerde bereiken taken beschikbaar. De meeste nadruk op een aspect van een voorpoot beweging, zoals het trekken van een handvat langs een lineaire geleiding 6, 7, eenvoudige distale ledematen bewegingen 8 of pronatie en supinatie van de poot 9. Hoewel deze inrichtingen veelbelovend voor de analyse van motorische functie, ze geven alleen de complexe motorische acties uitgevoerd tijdens één pellet bereiken in beperkte mate.
Hier tonen we het gebruik van een drie-graden-van-vrijheid robotachtige apparaat, ETH Pattus, ontwikkeld voor de opleiding en beoordeling van de verschillende motorische taken bij ratten 10, 11. Het registreert vlakke en roterende beweging van rat voorpoot bewegingen binnen bereik, greep, entrekken taken die in het horizontale vlak uitgevoerd. Ratten interactie met de robot via een 6 mm diameter bolvormige handvat dat door een raam in het testen kooi (breedte: 15 cm, lengte: 40 cm, hoogte: 45 cm) kan worden bereikt en verhuisde in het horizontale vlak (duwen en trekken bewegingen) en geroteerd (pronatie-supinatie bewegingen). Zo stelt de rat te bewegingen die deze geëxecuteerd tijdens de conventionele single pellet bereiken taken onderling uit te voeren. Het venster is 10 mm breed en 50 mm ligt boven de kooivloer. De hendel bevindt zich 55 mm boven de vloer. Een schuifdeur blokkeert de toegang tot de handgreep tussen het bereiken van proeven en opent wanneer de robot zijn startpositie bereikt en sluit na een proefperiode is voltooid. Na een correct uitgevoerde beweging, ratten krijgen een voedselbeloning aan de andere zijde van de kooi testen.
De robot wordt via software en registreert output van 3 rotary encoders bij 1000 Hz, waardoor de positie en de of de handgreep in het horizontale vlak, en de rotatiehoek (voor details, zie referentie 11). De voor succesvol taak uitvoeren omstandigheden worden bepaald in de software voor elke trainingssessie (bijv minimaal vereiste afstand trekken en maximale afwijking van middellijn in een bereik-en-pull taak). Een eerste gestandaardiseerde referentiepositie van de handgreep is opgenomen met een vaste houder aan het begin van elke trainingssessie. Het verzoek wordt voor alle proeven in een sessie, garanderen een constante startpositie van de handgreep voor elk onderzoek. Constante positionering van de handgreep ten opzichte van het venster kooi wordt gewaarborgd door aanpassing van markeringen op de kooi en robot (figuur 1).
Video-opnamen van het bereiken van bewegingen worden opgenomen met behulp van een kleine high speed camera (120 frames / s, 640 x 480 resolutie). Een klein scherm in het oog van de camera toont de rat identificatienummer, trainingproef nummer en berechting resultaat (succes of mislukt). Deze video's worden gebruikt om vastgelegde resultaten verifiëren en de effecten bereiken bewegingen die het aanraken voorafgaan, trekken of roteren van de handgreep beoordelen.
Hier tonen we het gebruik van deze robot platform variaties van een bereik-en-pull taak. Deze taak kan worden opgeleid binnen een periode die vergelijkbaar is met andere deskundigen bereiken paradigma en reproduceerbare resultaten oplevert. We beschrijven een typische scholingsprotocol, evenals enkele van de belangrijkste uitvoerparameters. Bovendien laten we zien hoe kleine veranderingen in de gebruikte training protocol kan resulteren in gewijzigde tijdsverloop van behavioral resultaten die onafhankelijk deelprocessen binnen de motorische vaardigheden leerproces kan vertegenwoordigen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De experimenten hier gepresenteerde werden goedgekeurd door het Veterinair Bureau van het kanton Zürich, Zwitserland en werden volgens de nationale en institutionele regelgeving uitgevoerd.
1. Feeding Voorwaarden
LET OP: Alle trainingen worden uitgevoerd in het kader van een geplande voeden protocol.
- Voer de ratten 50 g / kg standaard voeding eenmaal per dag na de training voltooid. Deze hoeveelheid voedsel voldoende grote gewichtsverlies voorkomen (lichaamsgewicht> 90% vrij gevende gewicht), maar klein genoeg om reproduceerbare gedragsconditionering waarborgen. Weeg de ratten dagelijks om ervoor te zorgen hun lichaamsgewicht stabiel blijft.
LET OP: Extra overnacht (10-12 uur) onthouden van voedsel kan nuttig zijn voor de eerste beloning keer sessie (stap 2.3) zijn.
2. Training Procedure voor een Reach-and-pull Task
- Bereiding: Laat de ratten te wennen aan hun nieuwe huis kooien voor op least een week na aankomst in het dier faciliteit. Behandel de ratten regelmatig tijdens deze tijd en geven stofvrij precisie pellets in de kooi aan de ratten wennen aan het nieuwe voer. Deze pellets worden gebruikt als beloning gehele trainingsprotocol.
- Gewenning: Plaats de ratten in het testen kooi voor 30-45 min en bieden 30-50 pellets in de voerbak, gemengd met poedervormige chow. Open en sluit het venster kooi en laat de pellet dispenser af en toe aan de ratten wennen aan hun sound.
- Herhaal dit voor 2-3 dagen.
- Beloning keer: Train de ratten de bolvormige greep raakt door het venster kooi en vervolgens naar de andere kant van de kooi een voedselbeloning halen.
- Pas de software-instellingen, zodat de handgreep ligt net buiten het raam testen kooi aan het begin van elke proef en breng het handvat met het midden van het venster kooi. Als de proeven succesvol zijn, dat wil zeggen </ Em>, zodra een lichte aanraking op het handvat (0,25 mm verplaatsing in elke richting) is gedetecteerd, klinkt er een geluidssignaal en een beloning is afgegeven. Classificeren onderzoeken als mislukt als er geen contact is geconstateerd 180 s na het venster wordt geopend.
- Zet de rat in de opleiding kooi. Prompt de rat te bereiken door het te laten drinken in een pellet gehouden in de buurt van de handgreep. Richt de rat aandacht aan het handvat en etensbak door te tikken op de kooi.
- Stop wordt gevraagd wanneer de rat onafhankelijk bereikt door het raam kooi en haalt de voedsel pellet.
- Doorgaan tot 100 trials (aanrakingen) zijn voltooid of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
- Continue training voor 3-4 dagen en beginnen met de volgende fase van de opleiding (stap 2.4) bij ratten binnen 30 minuten te bereiken 100 trials op 2 opeenvolgende dagen.
LET OP: Niet te trainen deze stap. Het doel van de beloning-touch is om betrouwbare interactie tussen de rat en de robot te bereiken, zodat dit gedrag kan worden vormgegeven indaaropvolgende training.
- Gratis pull (FP): Train de ratten om uit te reiken en trek het handvat van de robot.
- Pas de software wijzigen zodat het handvat zich 18 mm van het raam aan het begin van elke test en moeten worden getrokken ten minste 10 mm onafgebroken een succesvolle proef. Er zijn geen zijdelingse beperkingen op het trekbeweging in dit stadium.
- Classificeren proef als mislukt wanneer de hendel niet voor 180 s na het venster verplaatst, wanneer de hendel wordt bewogen buiten de bereikbare werkruimte (meer dan 12 mm middellijn), of wanneer de ratten minder dan 10 mm heeft getrokken binnen 5 s na de eerste keer is gedetecteerd.
- Let op het aantal keren dat de linker- en rechterpoot worden gebruikt tijdens de eerste 20 proeven van de eerste sessie FP. De poot die in ten minste 80% van de proeven wordt geacht de voorkeur poot.
LET OP: De Poot voorkeur kan al duidelijk in beloning-Touch sessies. - Beweeg de hendel zijwaarts totdat deze is uitgelijnd met de rand van het venster te faciliteren trekken met de gewenste poot (dwz zet de robot 5 mm aan de linkerkant van het venster voor rechtshandige ratten en vice-versa).
OPMERKING: Zet de hendel in precies dezelfde positie ten opzichte van de kooi voor alle volgende trainingen hiervoor rat. Verzeker exacte plaatsing merktekens op de muur kooi en de robot. - Zet de rat in de opleiding kooi en trein tot 100 onderzoeken zijn afgerond of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
OPMERKING: Als de rat niet ver genoeg reiken, prompt door te laten drinken in een pellet gehouden in de buurt van de handgreep. Ratten kunnen stoppen met proberen te trekken na herhaaldelijke mislukte pogingen. Tik op de kooi, laat ze grijpen voor pellets gehouden met een pincet of afzien van een pellet om hun motivatie te herstellen. - Voor experimenten met alleen FP training, opleiding voort te zetten zoals beschreven in 2.4.
NEETE: Typisch, 1-2 FP sessies nodig zijn om de overgang van beloning tintje aan SP (Straight Pull) opleiding te helpen. Het doel van deze FP sessies is om ratten wennen om uit te reiken, grijp en trek aan de hendel, in plaats van alleen maar aanraken. Net als bij beloning keer training, is het belangrijk om niet te over-trein als het doel is om de overgang naar een volgende training stap.
- Pas de software wijzigen zodat het handvat zich 18 mm van het raam aan het begin van elke test en moeten worden getrokken ten minste 10 mm onafgebroken een succesvolle proef. Er zijn geen zijdelingse beperkingen op het trekbeweging in dit stadium.
- Straight pull (SP): Train de ratten aan het handvat te trekken zonder af te wijken van meer dan 2 mm van de middellijn.
OPMERKING: De middellijn wordt gedefinieerd ten opzichte van de beginpositie van de robot, niet het midden van het venster kooi. Zo zal een trekkende poging eindigt in het midden van het venster kooi leiden tot een trekkracht traject dat meer dan 2 mm middellijn afwijkt.- Pas de software-instellingen, zodat alleen onderzoeken waarbij de trekbeweging niet wordt afgeweken van meer dan 2 mm van de middenlijn aan weerszijden worden beloond met een toon en een pellet. Houd alle andere parameters zoals beschreven in stap 2.4.
- Zet de rat in de opleiding kooi en trein tot 100 onderzoeken zijn afgerond of tot 60 minuten zijn verstreken, wat het eerst komt.
LET OP: Ratten kunnen erg onrustig worden en stoppen met proberen te trekken na herhaaldelijke mislukte pogingen. Druk op de kooi om hun aandacht te leiden naar het bereiken taak laten grijpen pellet gehouden met een pincet of een pellet afzien hun motivatie herstellen. - Voortzetting van de opleiding tot de ratten plateau prestaties te bereiken, of de stage in overeenstemming met het doel van een experiment aan te passen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hier tonen we 3 varianten van een bereik-en pull-taak met behulp van mannelijke Long-Evans ratten (10-12 weken oud). In de vrije pull (FP) (N = 6) werden ratten getraind om greep de robot trekken gedurende 22 dagen zonder zijdelingse beperkingen. Dieren in de straight-pull 1 (SP1) groep (N = 12) werden getraind om de hendel te trekken zonder af te wijken van meer dan 2 mm van de middellijn. Deze dieren overgestapt rechtstreeks van beloning-touch (stap 2.3) naar straight-pull training (stap 2.5). Voor zowel FP en SP1 dieren werd de handgreep in het midden van het venster kooi. Deze resultaten werden eerder gepubliceerd in Lambercy et al. 10 Ratten in de SP2-groep (N = 7) ontvangen 2 FP-trainingen voor de overgang naar straight-pull training. Het handvat is uitgelijnd met de rand van het venster kooi voor deze groep resulteert een iets moeilijke taak, aangezien het handvat meer dan 2 mm vanaf de middellijn zou afwijken indien getrokkentot aan het midden van het venster kooi.
Alle ratten gemakkelijk leren om met de robot manipulandum (Figuur 2A). Het aantal geldige trekt (dwz het aantal pogingen te trekken, waar de hendel wordt getrokken minstens 10 mm) neemt snel toe en bereikt stabiel plateau niveaus na 2-3 dagen in FP en SP1. Het aantal geldige pogingen verhoogt op een vergelijkbaar tempo tijdens de FP zittingen van SP2, wat resulteert in een stabiel aantal geldige trekt per sessie hele SP training in SP2 ratten. Plateau prestatie is hoog in alle trainingen paradigma's en is onafhankelijk van de taak parameters zoals positie van de handgreep en de beperkingen op de toegestane hoeveelheid afwijking van de middellijn.
SP1 ratten bereiken rate plateau succes (dat wil zeggen het percentage geldige trekt dat binnen 2 mm van de middenlijn blijft) na 5-4 trainingssessies (Figuur 2B). SP2 ratten vertonen eentragere progressie bereik plateau succespercentage na 11 sessies, wat aangeeft dat succesvolle uitvoering van deze versie van de rechte pull taak is moeilijker te bereiken. Final slagingspercentages zijn vergelijkbaar voor SP1 en SP2.
Tijdens SP training, trekken trajecten steeds rechtere, zoals blijkt uit verminderde afwijking van middellijn (het gebied tussen het gemeten traject en middellijn) en resulteert in een toegenomen aantal succesvolle trekt zowel SP1 en SP2 (Figuur 3, Figuur 5A). Interessant is dat de gemiddelde trekken traject van FP ratten wordt rechtere gedurende de 22 dagen stage en, hoewel de hoeveelheid afwijking van de middellijn stabiliseert op een hoger niveau dan SP1 ratten. Dit betekent dat de natuurlijke trekken traject is relatief recht wanneer het handvat van de robot is gelegen in het midden van het venster kooi. Wanneer de hendel wordt uitgelijnd wet de rand van het venster, maar de puling traject is gebogen en de afwijking van de middellijn blijft stabiel tijdens de SP2-FP sessies. Afwijking van middellijn in de SP2-groep blijft hoger dan in de SP1-groep, waarschijnlijk als gevolg van een off-center handvat plaatsing.
Variabiliteit van de trekkende trajecten (dwz formaat van 95% betrouwbaarheidsinterval) snel af FP en SP1, en bereikt vergelijkbare niveaus in deze groepen na 3-4 trainingssessies (Figuur 5B). Interessant, doe SP2 dieren niet deze afname in variabiliteit tonen en continu te trekken met een relatief lage variabiliteit tijdens SP-sessies, maar vertonen een snelle daling van de baan variabiliteit tijdens de SP2-FP sessies.
Op dezelfde manier, zowel de gemiddelde en de maximale treksnelheid stijging tijdens de eerste trainingen (FP, SP1 en SP2-FP), maar zijn stabiel tijdens de SP2-SP-sessies (Figuurs 5C, 5D). Hoewel de gemiddelde treksnelheid niet verandert tijdens de SP2-sessies, treksnelheid profielen worden veel minder variabel door middel van opleiding (figuur 4). Dit komt tot uiting in zowel het aantal submovements (dwz het aantal versnellingen en vertragingen in de trekbeweging, figuur 5E) en het aantal proeven met haltes (dwz onderzoeken waarbij trekken snelheid daalt tot nul, figuur 5F). Na een sterke daling in het eerste SP1 en SP2-FP sessies zowel het aantal submovements en het aantal studies met stops verder teruglopen SP1 en SP2 gehele 22-sessie stage. In FP ratten het aantal submovements en studies met stops aanvankelijk snel af ook, maar stabiliseren op een hoger niveau dan zowel rechte-pull groepen en geen verdere verbetering vertonen. Interessant treksnelheid lijkt niet nauw samen met de resultaten van een proef te zijn (figuur 4
De ~ 5% van de ratten die niet met succes niet leren om de straight-pull taak in het algemeen uit te voeren niet leren om de hendel te trekken, maar zijn niet in staat om recht (Figuur 6) te trekken. Deze dieren vertonen een constant hoge afwijking van de middellijn, wat resulteert in lage slagingspercentages. Prestaties tijdens SP2-FP sessies het dier hier gepresenteerd tijdens anderszins vergelijkbaar met die van dieren SP2 taak succesvol kan verwerven.
Figuur 1: Overzicht van Robotic Manipulandum en Handle Positioning. (A) Technische tekening die de robot manipulandum en merken voor afstemming met de training kooi. (B) Handgreep vastgehouden constant referentiepositie bij de start van een trainingssessie. (C) Handvat in de vrije uitgangspositie bij de stkunst van een proef te trekken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Typische Learning Curves van een Reach-and-pull Taak. (A) Geldig trekken pogingen in een vrije pull taak (FP, N = 6), straight pull taak zonder inleidende FP-sessies (SP1, N = 12) en een rechte pull taak (SP2, N = 7) met inleidende FP sessies (SP2-FP). Waarden zijn gemiddelden ± SEM (B) Succesvolle trekken pogingen als percentage geldige pogingen in de rechte te trekken taak (SP2) en zonder (SP1) inleidende FP-sessies. Waarden zijn gemiddelden ± SEM Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Het trekken van Trajectories progressief rechter en minder variabel Gedurende Training van de SP 2 Taak. Succesvolle (zwart), mislukt (grijs) en gemiddelde (groen) trajecten worden getoond voor de eerste en de laatste rechte pull training voor een representatief dier. De gestippelde lijnen geven de 4 mm brede zone waarbinnen een succesvolle proef wordt uitgevoerd. De rode stip geeft de uitgangspositie van het handvat. De groene stip geeft het theoretische eindpunt van een perfect rechte 10 mm te trekken poging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: </ strong> Mean Speed in de trekrichting van Valid Pogingen stijgt licht Gedurende Training en minder variabele uit de Eerste (A) naar de Last (B) training. Gemiddeld (groen) en individuele treksnelheid profielen van succesvolle (zwart) en mislukt (grijs) trekken pogingen worden getoond voor een representatief dier het uitvoeren van de taak SP2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Een overzicht van de gemeten parameters in een Gratis Pulling (FP, N = 6) Taak, Straight Pull Task Zonder Inleidende FP-sessies (SP 1, N = 12) en een Straight Pull taak (SP 2
6 "src =" / files / ftp_upload / 54970 / 54970fig6.jpg "/>
Figuur 6: Voorbeeld van een dier dat niet met succes Heeft Leer de SP 2 taak uit te voeren. (A) trekken trajecten in de eerste en de laatste training. Succesvolle (zwart), mislukt (grijs) en gemiddelde (groen) trajecten worden getoond voor de eerste en de laatste rechte pull training voor een representatief dier. De gestippelde lijnen geven de 4 mm brede zone waarbinnen een succesvolle proef wordt uitgevoerd. De rode stip geeft de uitgangspositie van het handvat. De groene stip geeft het theoretische eindpunt van een perfect rechte 10 mm te trekken poging. (B) leercurve zien geldig en succesvolle pogingen te trekken gedurende de stageperiode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Geschoolde bereiken taken worden vaak gebruikt om motorische vaardigheden verwerven evenals aantasting van de motorische functie studeren onder pathologische omstandigheden 6. Betrouwbare en eenduidige analyse bereiken gedrag is essentieel voor de studie van cellulaire mechanismen die ten grondslag liggen motorische vaardigheden verwerven, alsmede neurofysiologische processen voor verlies en daaropvolgende herstel van de functie in diermodellen van neurologische ziekten. De hier gepresenteerde resultaten laten zien hoe ruimtelijke en temporele aspecten van de trekbeweging tonen verschillende profielen tijdens de motorische vaardigheden training. Deze kunnen verschillende deelprocessen binnen de motorische vaardigheden leerproces 7, 12 weerspiegelen.
In de hier gepresenteerde resultaten wordt aangetoond dat zelfs een kleine verandering in scholingsprotocol zoals een andere startpositie van de handgreep (SP1 vs. SP2), tot veranderde beweging parameterprofielen. door adding twee FP sessies voorafgaand aan straight pull training om onze eerder gepubliceerde training protocol 10, waren we in staat om de effecten van het leren te trekken van de vaardigheid om recht te trekken distantiëren. Daarnaast is de excentrische plaatsing van het handvat van de robot in deze verbeterde trainingsprotocol (SP2) resulteert in een taak met een ondieper leercurve is voordeliger voor het bestuderen van mechanismen van motor leren als het tijd mogelijk maakt interventies voor plateau prestatieniveaus bereikt. Bovendien is het mogelijk om factoren uitvoeringskosten van factoren in verband met problemen die niet direct manifesteren in succespercentages taak taak te onderscheiden, maar kan verdere verfijning van motorische 4 geven. Vlotte uitvoering van de trekbewegingen, blijkt uit het aantal submovements kan worden beschouwd als een maat voor de vakman, recht trekken. Daarentegen ruimtelijke variatie van de beweging snel af als het aantal geldige trektverhoogt in alle drie de versies van het bereik-en-pull taak, maar is niet direct gerelateerd aan te trekken succes in rechte pull taken en kunnen algemene motorische functie of convergentie op de juiste beweging nodig is voor een succesvolle proef, in plaats van bekwame uitvoering van de taak weer te geven zodra de regels van de taak zijn geleerd.
Uitvoering van onze robotic bereik-en-pull taken is opmerkelijk betrouwbaar en reproduceerbaar tussen dieren. Getraind dieren krijgen de vrije pull taak en een meerderheid (90-95% van de dieren) kan de rechte pull taak te leren. Zelfs dieren die prijzen constant laag succes te tonen tijdens recht te trekken nog steeds een hoge aantal geldige pogingen te trekken uit te voeren. Deze mislukte, maar geldige pogingen zijn volledig opgenomen. Mislukte bereiken pogingen in een klassiek geschoolde bereiken taak meestal resulteert in een onvolledige bereiken beweging. Het is dus niet alleen mogelijk om aspecten van de bewegingen in succesvol taak acquisitie analyseren, maar alom zo te bepalen welke beweging parameters resulteren in het niet.
Terwijl de hier gepresenteerde metingen die gedetailleerde informatie over trekbewegingen niet alle aspecten bereik-en-pull voorpoot bewegingen worden vastgelegd. Wijzigingen bereiken gedrag optreden voor de eerste keer of na het verlaten van het handvat aan het einde van een geldige trekken poging niet vastgelegd en kan derhalve niet worden geanalyseerd met dezelfde precisie. Zo wordt het aantal pogingen grijpen voordat een trekbeweging niet gemeten, hoewel ze relevant voor functioneel herstel modellen kunnen worden. Analyse van high-speed video-opnames biedt deze aanvullende informatie. Eerder beschreven werkwijzen voor beweging volgen 13, 14 kan worden aangepast voor dit doel.
Bovendien hoeven onze opnames geen informatie over de kwaliteit van de rat de greep van het handvat. Rotatie van dehandvat, met vermelding van pronatie of supinatie van de poot, kan enig inzicht in combinatie met high-speed video aan te bieden. Aangezien rotatie en grip bijzondere mate in ratten takt modellen 9, 15, 16, toekomstige experimenten zijn nodig om te bepalen hoe effectief bereik-en-pull hier gepresenteerde taken zijn in het vastleggen tekorten na een beroerte motor.
De hier gepresenteerde taken werden ontworpen om conventionele enkel pellet bereiken taken bootsen: de vereiste trekt afstand is gebaseerd op de typische afstand tussen raam en pellet bij deze taken en de vrije beweging van de handgreep in het horizontale vlak maakt meting van natuurlijke paw trajecten van de rat meer dan 10 mm afstand in geldige studies.
Evenzo ongeldige onderzoeken waarbij de handgreep buitenzijde van de werkruimte van de robot verplaatst (bijvoorbeeld de handgreep opzij gehaald bij trekkende) ofwaar de trok afstand onvoldoende zou kunnen worden uitgelegd als vergelijkbaar met gedaald pellets in één pellet bereiken taken, ook al is de handgreep niet op de grond vallen bij het loslaten.
Dit ontwerp vangt meer aspecten van de trekbeweging dan geautomatiseerde taken die gericht zijn op het meten van één simpele beweging. Maar het maakt het ook mogelijk interactie tussen trekken en draaibewegingen en geeft dieren de mogelijkheid tot schadevergoeding. Inzicht in compenserende bewegingen tijdens motorische functie herstel kan waardevol zijn, maar bemoeilijkt ook de interpretatie van de resultaten.
Een cruciale stap in het verwerven van het bereik-en-pull taken is succesvol conditionering van de beloning aanraking stap van de opleiding. Zonder betrouwbare interactie tussen de rat en de robot, eventuele bijscholing stappen zijn moeilijk uit te voeren en te kwantificeren betrouwbaar. Het is even belangrijk om de ratten tijdens de overgangsperiode training stappen niet ondertraint echter. terwijl eenij dieren kunnen blijven verbeteringen in de prestaties tijdens beloning keer trainingen voor meer dan 3-4 dagen te laten zien, over-consolidatie voorkomt effectief vormgeven van gedrag in de daaropvolgende bereik-en-pull training.
Constante plaatsing van de handgreep is essentieel voor correcte uitvoering en betrouwbare analyse van gegevens verkregen met de robot bereik-en-pull taak hier gepresenteerd. Terwijl de positie van de handgreep ten opzichte van rest van de robot en de middellijn is software- gedefinieerd, wordt het handvat ten opzichte van het venster kooi gemakkelijk gevarieerd door het bewegen van beide zijwaarts. Hier hebben we laten zien hoe de aanpassing van de handgreep met ofwel de rand of het midden van het venster verandert taak verwerving en kan worden gebruikt om processen onderliggende motorische vaardigheden leren bestuderen. Inconstant uitlijning van de handgreep binnen een stage, maar zal introduceren verstorende effecten en de opbrengsten onbetrouwbaar gedragsproblemen uitlezingen.
In het protocol hier beschreven, rats getraind in dagelijkse sessies bestaande uit 100 onderzoeken, vergelijkbaar met onze vorige single pellet bereiken experimenten 4, 17. Met geautomatiseerde training opstellingen het aantal pogingen per sessie gemakkelijk kan worden verhoogd, zonder veel inspanning van de kant van de onderzoeker. Terwijl hogere aantallen proeven per sessie kunnen resulteren in een intra-individuele variabiliteit, de effecten van toenemende het aantal pogingen per training van de snelheid van leren en terugwinning moet rekening worden gehouden. Bovendien zullen factoren als verzadiging en vermoeidheid relevanter geworden en kunnen interfereren met de prestaties in zeer lange trainingen.
Hoewel de stam en geslacht verschillen in motorische vaardigheden leervermogen hebben bij ratten 4, 18, 19 zijn beschreven, hebben we betrouwbare prestaties verkregen in zowel mannelijke Sprague-Dawley eend Long-Evans ratten. Oudere dieren (4-5 maanden oud) zijn over het algemeen langzamer dan jongere kinderen (8-10 weken) en tonen langere intervallen tussen de trials. Bovendien hebben we slechte prestaties waargenomen bij oudere dieren wanneer voedsel pellets worden vervangen door een sucrose-water beloning. Oudere dieren die vloeibare beloningen ervaring moeilijkheden ontvangen wanneer de overgang van loon-touch aan te trekken. Dit kan worden veroorzaakt door leeftijdsgerelateerde beloning-voorkeuren, waarbij met een smakelijker vloeistof beloning zoals yoghurt of pindaolie kan betere resultaten opleveren. Als alternatief, kan het gedrag van de oudere dieren moeilijkheden bij het begrijpen van een meer abstracte verstrekkende taak (in vergelijking met conventionele pellet bereiken) te geven, hoewel we waarnemen betrouwbare leergedrag in deze dieren als vast voedsel beloningen worden gebruikt. Dus het effect van de gekozen beloning moet vooral worden overwogen bij het ontwerpen van experimenten waarbij het gebruik van oudere dieren heeft de voorkeur (bijvoorbeeld bij modellen voor beroerte of Neurodegeneratieve ziekte).
We hebben nog niet onderzocht sekseverschillen in motorische vaardigheden leren met behulp van ETH Pattus. Het is onwaarschijnlijk dat vrouwelijke ratten niet in staat zijn de SP of FP taken verkrijgen, hoewel hun leerstrategieën kunnen verschillen van mannen. Hoewel de loopsheid van invloed op de wervelkolom dichtheid in vrouwelijke ratten, effecten op het leren bochten en-learning gerelateerde plasticiteit in primaire motorische cortex zijn beperkt 20.
De robot taken kunnen worden gevarieerd op verschillende manieren: de vereiste beweging kan meer of minder nauwkeurig zijn (bijvoorbeeld een beperkte hoeveelheid afwijking van een voorgeschreven traject in een bereik-en-pull taak), of de robot kunnen belemmeren of helpen de uitgevoerde beweging één of alle drie dimensies (lengte of zijwaartse bewegingen in het horizontale vlak en de rotatiehoek van het handvat). Anders dan variaties op het bereik-en-pull taken in dit document, is het mogelijk om motorische vaardigheden l ontwerpenverdienen taken waarbij bijvoorbeeld rotatiehoek van de handgreep, maximale bewegingssnelheid of acceleratieprofiel het succes van een proef te bepalen.
Anders dan waardoor gemakkelijke variatie van taakparameters de experimentele opstelling hier gepresenteerde ruimtelijk scheidt de motor actie van de beloning gegeven, die wordt afgegeven aan de andere zijde van de kooi. Aanpassing van de beloning grootte is niet mogelijk in de klassieke het bereiken van taken zonder dat dit invloed taakmoeilijkheid 21 (Een kleinere voedselpellet is moeilijker te begrijpen dan grotere), noch is het mogelijk om de kans op een beloning onafhankelijk vaardigheidsniveau van het dier verschillen. Met behulp van een robot taak kan de verkregen voor een bewegingshandelingen beloning worden gevarieerd op basis van vaardigheid, huidige prestaties, of kunnen worden gevarieerd om factoren als motivatie beoordelen.
Tot slot, geautomatiseerde training gecombineerd met kinematische bewegingsanalyse zorgt voor een geautomatiseerde, objectieve methodevoor het bestuderen van motorische vaardigheden leren die nauw bootst conventionele geschoolde bereiken van taken, maar levert aanvullende gegevens van zowel geslaagde en mislukte pogingen te trekken. Deze aanpak opent nieuwe wegen van onderzoek in combinatie met elektrofysiologische, farmacologische of optogenetic interventies gericht op versterking van of interferentie met bereik-en-pull bewegingen of als gevolg voedsel beloningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen
Acknowledgments
Dit onderzoek werd gesteund door de Zwitserse National Science Foundation, de Betty en David Koetser Foundation for Brain Research en de 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).
