Gransker Motor Ferdighet læreprosesser med en Robotic Manipulandum

Summary

En paradigme er presentert for trening og analyse av en automatisert dyktig nådde oppgave i rotter. Analyse av trekkforsøk avslører forskjellige delprosessene av motorisk læring.

Abstract

Dyktige rekkende oppgaver blir ofte brukt i studier av motoriske ferdigheter læring og motorisk funksjon etter sunne og patologiske tilstander, men kan være tidkrevende og tvetydig å kvantifisere utover enkle suksessrate. Her beskriver vi treningen prosedyren for nå-og-pull oppgaver med ETH Pattus, en robot plattform for automatisert forbena nå trening som poster trekke og hånd rotasjonsbevegelser i rotter. Kinematisk kvantifisering av de utførte forsøk på å trekke avslører tilstedeværelsen av distinkte tidsmessige profiler av bevegelsesparametre som trekker hastighet, romlig variasjon av trekk bane, avvik fra midtlinjen, i tillegg til å trekke suksess. Vi viser hvordan små justeringer i treningen paradigmet resultere i endringer i disse parametrene, avsløre deres forhold til oppgave vanskelighetsgrad, generell motorisk funksjon eller dyktig oppgave utførelse. Kombinert med elektrofysiologiske, farmakologiske og optogenetic teknikker, kan dette paradigmet benyttesfor å utforske de mekanismer som ligger til grunn for motor læring og hukommelse i formasjonen, så vel som tap og gjenvinning av funksjon (for eksempel etter slag).

Introduction

Motor oppgaver er mye brukt til å vurdere atferdsmessige og nevrale endringer knyttet til motorisk læring eller til endringer i motorisk funksjon i nevrologiske eller farmakologiske dyremodeller. Finmotorikk kan være vanskelig å kvantifisere i gnagere, men. Oppgaver som krever fingerferdighet, for eksempel manipulering av korn ^1, pasta ^2, eller solsikkefrø ³ er sensitive og ikke krever omfattende opplæring av dyret. Deres største ulempe er at disse oppgavene gir for det meste kvalitative resultater, og kan være vanskelig å plassere ballen entydig.

Dyktige rekkende oppgaver, for eksempel varianter av enkelt pellet nå oppgaven er enklere å kvantifisere ^{4, 5.} Imidlertid kan kinematiske faktorer som ligger til grunn for en vellykket gjennomføring av disse oppgavene bare utledes i begrenset omfang og krever arbeidskrevende frame-by-frame video ennalysis.

Robotic enheter har vunnet popularitet som middel for å kvantifisere aspekter av forbena funksjon og motoriske ferdigheter. Flere automatiserte rekkende oppgaver er tilgjengelig. Flertallet fokus på et enkelt aspekt av en forbens bevegelse, slik som trekking av et håndtak langs en lineær guide ^{6, 7,} enkle distale lem bevegelser ^8, eller pronasjon og supinasjon av poten ^9. Mens disse anordninger viser lovende for analyse av motorisk funksjon i, de bare reflekterer de komplekse motor handlingene utføres i løpet av enkelt pellet nå til en begrenset forlenges.

Her viser vi bruken av en tre-grad-av-frihet robotanordning, ETH Pattus, utviklet for trening og vurdering av ulike motoriske oppgaver i rotter ^{10, 11.} Den registrerer planar og rotasjonsbevegelse av rotte forbena bevegelser i rekkevidde, forståelse, ogtrekke arbeidet må utføres i horisontalplanet. Rotter samvirke med robot via et 6 mm-diameter sfærisk håndtak som kan nås gjennom et vindu i testburet (bredde: 15 cm, lengde: 40 cm, høyde: 45 cm) og beveges i horisontalplanet (skyve og trekke bevegelser) og roteres (pronasjon-supinasjon bevegelser). Dermed gjør det rotta å utføre bevegelser som omtrent de henrettede under vanlige enkeltpellets nådde oppgaver. Vinduet er 10 mm bred og som er plassert 50 mm over gulvet buret. Håndtaket er plassert 55 mm over gulvet. En skyvedør blokkerer tilgang til håndtaket mellom rekkende studier og åpner når roboten kommer til sin startposisjon og lukkes etter en prøveperiode er fullført. Etter en korrekt utført bevegelse, mottar rottene en mat belønning på motsatt side av testburet.

Roboten styres via software og registrerer utgang fra 3 roterende kodere på 1000 Hz, noe som resulterer i informasjon om stillingen of håndtaket i horisontalplanet, så vel som dens rotasjonsvinkel (for detaljer, se referanse ^11). De vilkår som kreves for vellykket oppgave utførelse er definert i programvaren før hver treningsøkt (f.eks minstekravet trekke avstand og maksimalt avvik fra midtlinjen i en rekkevidde-and-pull oppgave). En innledende standardisert referanseposisjon av håndtaket er ført med en fast holder ved starten av hvert treningsøkten. Denne referanse brukes for alle forsøkene i en sesjon, sikre en konstant startposisjon av håndtaket for hvert forsøk. Konstant posisjonering av håndtaket i forhold til plugghylsen vinduet sikres ved innretting av merker på buret og robot (figur 1).

Videoopptak av de rekkende bevegelser registreres ved hjelp av en liten high speed kamera (120 bilder / s, 640 x 480 oppløsning). En liten skjerm i kameraets visningen viser rotteidentifikasjonsnummer, trening,prøvenummer og prøve resultat (suksess eller ikke). Disse videoene er brukt til å verifisere registrerte resultatene og for å vurdere virkningene av å nå bevegelser som foran rørende, trekke eller rotasjon av håndtaket.

Her viser vi bruken av dette robotic plattform i varianter av en rekkevidde-and-pull oppgave. Denne oppgaven kan trenes innenfor en tidsperiode som er sammenlignbare med andre dyktige rekk paradigmer og gir reproduserbare resultater. Vi beskriver en typisk treningsregime, samt noen av de viktigste utgangsparametere. Videre viser vi hvordan små endringer i den brukte trening protokollen kan resultere i endrede tids kurs av atferdsmessige utfall som kan representere uavhengige delprosessene i motoriske ferdigheter læringsprosessen.

Protocol

Forsøkene som presenteres her ble godkjent av Veterinary Office of kantonen Zürich, Sveits og ble utført i henhold til nasjonale og institusjonelle bestemmelser.

1. beiteforhold

MERK: Alle treninger utføres under en planlagt fôring protokoll.

1. Mate rottene 50 g / kg av standard chow en gang per dag, etter at treningen er ferdig. Denne mengden av mat er tilstrekkelig til å hindre vesentlig vekttap (kroppsvekt er> 90% av fri-mating vekt), men liten nok til å sikre reproduserbar behavioral kondisjonering. Vei rottene daglig for å sikre sin kroppsvekt holder seg stabil.
   MERK: Ytterligere over natten (10-12 timer) mat deprivasjon kan være nyttig før den første belønning-touch session (trinn 2.3).

2. Opplæring Prosedyre for en Reach-and-pull Task

1. Forberedelse: La rottene å tilvenne til sine nye hjem burene i least en uke etter ankomst i dyret anlegget. Håndtak rottene regelmessig i løpet av denne tiden, og gi dustless presisjon pellets i hjemmet buret å tilvenne rottene til den nye maten. Disse pellets vil bli brukt som belønning gjennom hele opplæringen protokollen.
2. Tilvenning: Plasser rottene i test bur for 30-45 min og gi 30-50 pellets i fôring bolle, blandet med pulverisert chow. Åpne og lukke buret vinduet og kjøre pellet dispenser og til å tilvenne rottene deres sound.
   1. Gjenta dette for 2-3 dager.
3. Belønn-touch: Tren rottene å berøre sfærisk håndtaket gjennom buret vinduet og deretter flytte til motsatt side av buret for å hente en mat belønning.
   1. Juster programvareinnstillingene slik at håndtaket ligger like utenfor buret vinduet testing ved starten av hvert forsøk og justere håndtaket med midten av buret vinduet. Når forsøkene er vellykkede, dvs. </ Em>, så snart et lett trykk på håndtaket (0,25 mm forskyvning i alle retninger) har blitt oppdaget, høres en tone og en belønning blir levert. Gi forsøk som mislyktes når ingen kontakt har blitt oppdaget for 180 s etter at vinduet åpnes.
   2. Sett rotte i opplæringen buret. Spør rotte å nå ut ved å la den ta tak i en pellet holdt ved håndtaket. Rett rotte oppmerksomhet til bollen håndtaket og mat ved å trykke på buret.
   3. Stopp spørre når rotta uavhengig arm gjennom buret vinduet og henter maten pellet.
   4. Fortsett til 100 studier (berører) er fullført eller inntil 60 minutter har gått, avhengig av hva som kommer først.
   5. Fortsett trening for 3-4 dager og begynne den neste fasen av trening (trinn 2.4) når rotter oppnå 100 studier innen 30 min på 2 dager.
      MERK: Ikke over-trener dette trinnet. Målet med belønning-touch er å oppnå pålitelig samhandling mellom rotte og robot, slik at denne oppførselen kan formes påpåfølgende trening.
4. Gratis pull (FP): Tren rottene til å nå ut og dra robotens håndtaket.
   1. Juster programvareinnstillingene slik at håndtaket ligger 18 mm fra vinduet ved starten av hvert forsøk, og må trekkes i minst 10 mm uten avbrudd for en vellykket prøveperiode. Det er ingen lateral restriksjoner på trekkbevegelsen i dette trinn.
      1. Gi en rettssak som mislykket når håndtaket ikke har vært flyttet på 180 s etter at vinduet åpnes, når håndtaket flyttes utenfor nås arbeidsområdet (mer enn 12 mm fra midtlinjen), eller når rotta har trukket mindre enn 10 mm i løpet av 5 s etter den første kontakten er oppdaget.
   2. Legg merke til hvor mange ganger den venstre og høyre labb brukes i løpet av de første 20 utprøving av den første FP økten. Labben som brukes i minst 80% av forsøkene er ansett som den foretrukne pote.
      MERK: Paw preferanse kan allerede være klart i belønning-Touch økter.
   3. Flytt håndtaket sidelengs inntil det er på linje med kanten av vinduet for å legge til rette for å trekke med den foretrukne labben (dvs. flytte roboten 5 mm til venstre side av vinduet for høyrehendte rotter og vice-versa).
      MERK: Plasser håndtaket i dette nøyaktig samme posisjon i forhold til buret for alle disse treningsøktene for rotte. Sikre nøyaktig plassering av merkene på buret veggen og på roboten.
   4. Sett rotte i opplæringen buret og tog til 100 studier er fullført eller inntil 60 minutter har gått, avhengig av hva som kommer først.
      MERK: Hvis rotten ikke når langt nok ut, spør det ved å la den ta tak i en pellet holdt ved håndtaket. Rotter kan slutte å prøve å trekke etter gjentatte mislykkede forsøk. Trykk på buret, la dem ta for pellets holdt med en pinsett eller dispensere en pellet å gjenopprette deres motivasjon.
   5. For forsøk med bare FP trening, fortsette treningen som beskrevet i 2.4.
      NEITE: Vanligvis er 1-2 FP økter for å hjelpe overgangen fra belønning touch til SP (Straight Pull) trening. Målet med disse FP øktene er å tilvenne rotter å nå ut, ta tak og dra i spaken, heller enn å bare ta på den. Som med belønning-touch trening, er det viktig å ikke over-toget, hvis målet er å gå over til en neste trening trinn.
5. Straight pull (SP): Tren rottene å dra i spaken uten å avvike mer enn 2 mm fra midtlinjen.
   MERK: midtlinje er definert i forhold til startposisjonen av roboten, ikke til midtpunktet av buret vinduet. Således vil en trekkforsøk ender ved midtpunktet av buret vinduet resultere i et trekk bane som avviker mer enn 2 mm fra midtlinjen.
   1. Juster programvareinnstillingene slik at bare studier der trekkbevegelsen ikke avviker mer enn 2 mm fra midtlinjen på hver side blir belønnet med en tone og en pellet. Hold alle andre parametre som er beskrevet i trinn 2,4.
   2. Sett rotte i opplæringen buret og tog til 100 studier er fullført eller inntil 60 minutter har gått, avhengig av hva som kommer først.
      MERK: Rotter kan bli ekstremt opphisset og slutte å prøve å trekke etter gjentatte mislykkede forsøk. Trykk på buret for å omdirigere sin oppmerksomhet til å nå oppgaven, la dem ta for pellets holdt med en pinsett eller dispensere en pellet å gjenopprette deres motivasjon.
   3. Fortsett treningen til rottene nå platå ytelse, eller tilpasse den perioden opplæring i tråd med målet om et eksperiment.

Representative Results

Her viser vi 3 varianter av en rekkevidde-og pull-oppgaven ved mannlige Long-Evans rotter (10-12 uker gamle). I den frie-pull (FP) gruppe (N = 6) ble rotter trenet til å trekke robotens håndtak for en 22 dagers periode uten sidebegrensninger. Dyr i rett trekke 1 (SP1) gruppe (N = 12) ble opplært til å dra i spaken uten å avvike mer enn 2 mm fra midtlinjen. Disse dyrene overført direkte fra belønning-touch (trinn 2.3) for å rett pull trening (trinn 2.5). For både FP og SP1 dyr, ble håndtaket plassert i sentrum av buret vinduet. Disse resultatene ble tidligere publisert i Lambercy et al. ¹⁰ Rotter i SP2 gruppen (N = 7) fikk 2 FP-treninger før overgangen til rett-pull trening. Håndtaket er innrettet med kanten av buret vindu for denne gruppen, som resulterer er en noe mer vanskelig oppgave, som håndtaket vil avvike mer enn 2 mm fra midtlinjen hvis trekkestil midtpunktet av buret vinduet.

Alle rottene lett lære å samhandle med robot manipulandum (figur 2A). Antallet gyldige trekker (dvs. antall trekke forsøk hvor man løfter minst 10 mm) øker raskt, og når stabile platånivå etter 2-3 dager i FP og SP1. Antallet gyldige forsøk øker til en sammenlignbar rate i løpet av FP økter av SP2, noe som resulterer i et stabilt antall gyldige trekker per økt i hele SP opplæring i SP2 rotter. Plateau ytelsen er høy i alle trenings paradigmer og er uavhengig av oppgave parametere som håndtak posisjon og grensene for tillatt mengde avvik fra midtlinjen.

SP1 rotter nå platå suksessrate (dvs. prosentandelen av gyldige trekker som gjenstår innen 2 mm av midtlinjen) etter 5-4 treninger (figur 2B). SP2 rotter viser enlangsommere progresjon og rekkevidde platå suksessrate etter 11 økter, noe som indikerer at en vellykket gjennomføring av denne versjonen av rette trekke oppgaven er vanskeligere å oppnå. Endelige suksessraten er lik for SP1 og SP2.

Under SP trening, trekke baner blitt stadig skarpere, noe som gjenspeiles ved redusert avvik fra midtlinjen (dvs. området mellom den målte banen og midtlinjen) og resulterer i et økt antall vellykkede trekker i både SP1 og SP2 (Figur 3, Figur 5A). Interessant, blir den gjennomsnittlige trekke banen av FP rotter rettere i løpet av 22 dagers treningsperiode i tillegg, selv om mengden av avvik fra midtlinjen stabiliserer seg på et høyere nivå enn i SP1 rotter. Dette indikerer at den naturlige trekke banen er forholdsvis rett når robotens håndtaket er plassert i sentrum av merden vinduet. Når håndtaket er innrettet with kanten av vinduet, men er puling bane buet og avvik fra midtlinjen forblir stabil gjennom de SP2-FP-økter. Avvik fra midtlinjen i SP2 gruppen fortsatt høyere enn i SP1 gruppen, trolig som følge av off-center håndtak plassering.

Variasjon strekk baner (dvs. størrelsen på 95% konfidensintervall) faller raskt i FP og SP1, og når sammenlignbare nivåer i disse gruppene etter 3-4 treninger (figur 5B). Interessant, trenger SP2 dyrene ikke viser denne nedgangen i variasjon og kontinuerlig trekke med relativt lav variasjon når SP økter, men viser en rask nedgang av banen variasjon i løpet av SP2-FP-økter.

På samme måte både mener og topp trekker økt hastighet under innledende trening (FP, SP1 og SP2-FP), men er stabil under SP2-SP økter (Figurs 5C, 5D). Selv om gjennomsnittlig trekke hastigheten ikke endres i løpet av SP2 økter, trekke hastighetsprofiler blitt mye mindre variabel gjennom opplæring (figur 4). Dette gjenspeiles i både antall submovements (dvs. antall akselerasjon og retardasjon i trekkbevegelsen, figur 5E) og antall forsøk med stopper (dvs. studier der trekke hastigheten synker til null, figur 5F). Etter en kraftig nedgang i de innledende SP1 og SP2-FP-økter, både antall submovements og antall forsøk med stopp fortsette å avta i SP1 og SP2 gjennom hele 22-session opplæringsperioden. I FP rotter, antall submovements og forsøk med stopp i utgangspunktet raskt reduseres også, men stabilisere seg på et høyere nivå enn både straight-pull grupper og ikke viser en fortsatt forbedring. Interessant, trekke hastighet ser ikke ut til å være nært knyttet til utfallet av en rettssak (figur 4

Den ~ 5% av rotter som ikke klarer å lære å utføre straight-pull oppgave generelt lærer å dra i spaken, men er ikke i stand til å dra rett (figur 6). Disse dyrene viser en gjennomgående høy avvik fra midtlinjen, noe som resulterer i lav suksessrate. Ytelse under SP2-FP-økter dyrets presenteres her under er ellers sammenlignbar med SP2 dyr som erverver oppgaven med hell.

Figur 1: Oversikt over Robotic Manipulandum og håndtak Positioning. (A) Teknisk tegning som viser robot manipulandum og karakterer for innretting med trening buret. (B) Håndtak holdt i referanseposisjon konstant i starten av en treningsøkt. (C) Håndtak i fri startposisjon på stkunsten en trekke rettssak. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: Typiske Learning Curves av en Reach-and-pull oppgave. (A) Gyldig trekke forsøk i et fritt pull oppgave (FP, N = 6), rette trekke oppgaven uten innledende FP-økter (SP1, N = 12) og en rett pull oppgave (SP2, N = 7) med innledende FP- sesjoner (SP2-FP). Verdier er gjennomsnitt ± SEM (B) Vellykket trekke forsøk som prosentandel av gyldige forsøk i den rette trekke oppgaven med (SP2) og uten (SP1) innledende FP-økter. Verdier er gjennomsnitt ± SEM Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: Trekke Trajectories blitt stadig rettere og mindre variabel Gjennom opplæring av SP 2 Task. Vellykket (svart), mislyktes (grå) og gjennomsnittlig (grønn) baner blir vist for første og siste rette trekke treningsøkt for et representativt dyr. Stiplede linjene viser 4 mm bred sone innenfor der en vellykket prøve utføres. Den røde dot betegner startposisjonen til håndtaket. Den grønne prikken viser teoretisk endepunkt for en perfekt rett 10 mm trekke forsøk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: </ strong> Mean Speed i trekkretningen av Gyldige Forsøk øker litt Gjennom opplæring og blir mindre variabel fra First (A) til den siste (B) treningsøkt. Gjennomsnittlig (grønn) og individuelle trekke hastighetsprofiler med vellykket (svart) og mislyktes (grå) trekker forsøk vist for et representativt dyr utfører SP2 oppgaven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5: En oversikt over Parametere Målt i en Free Pulling (FP, N = 6) Oppgave, Straight Pull Task Uten Innledende FP-økter (SP 1, N = 12) og en Straight Pull Task (SP 2 >, N = 7) med innledende FP-økter (SP 2 -FP). Verdier er gjennomsnitt ± SEM av alle gyldige Pulling forsøk. (A) Avvik fra midtlinjen (området mellom de målte gyldige baner og en perfekt rett å trekke forsøk langs midtlinjen, mm ^2). (B) Variasjon av trekk baner (95% konfidensintervall av alle gyldige forsøk innenfor en økt). (C) Midlere trekkhastighet av alle gyldige forsøk (mm / s). (D) Peak trekke hastigheten på alle gyldige forsøk (mm / s). (E) Submovements som indikert av null kryssinger i akselerasjon profil gyldige trekke forsøk (F) Trekke forsøk med stopp (% av gyldige trekker) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

6 "src =" / files / ftp_upload / 54970 / 54970fig6.jpg "/>
Figur 6: Eksempel på et dyr som ikke lykkes lære å utføre SP 2 Task. (A) Trekke baner i den første og siste treningsøkt. Vellykket (svart), mislyktes (grå) og gjennomsnittlig (grønn) baner blir vist for første og siste rette trekke treningsøkt for et representativt dyr. Stiplede linjene viser 4 mm bred sone innenfor der en vellykket prøve utføres. Den røde dot betegner startposisjonen til håndtaket. Den grønne prikken viser teoretisk endepunkt for en perfekt rett 10 mm trekke forsøk. (B) Læring kurve som viser gyldige og vellykkede trekke forsøk gjennom hele opplæringsperioden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Dyktige rekkende oppgaver blir ofte brukt til å studere motoriske ferdigheter oppkjøp samt nedsatt motorisk funksjon etter patologiske tilstander ^6. Pålitelig og entydig analyse av nå atferd er viktig for studier av cellulære mekanismene bak motoriske ferdigheter oppkjøp, samt nevrofysiologiske prosesser involvert i tap og påfølgende gjenoppretting av funksjon i dyremodeller av nevrologiske sykdommer. Resultatene som presenteres her viser hvordan romlige og tidsmessige aspekter av trekkbevegelsen viser tydelige profiler under motor ferdighetstrening. Disse kan gjenspeile ulike delprosessene innenfor motorisk læringsprosess ^{7, 12.}

I resultatene som er presentert her, viser vi at selv en liten forandring i trening protokoll, slik som en annen utgangsstilling av håndtaket (SP1 SP2 vs), resulterer i endrede bevegelse parameter profiler. ved å leggeing to FP økter før rette trekke opplæring til våre tidligere utgitt trening protokoll ^10, var vi i stand til å distansere effektene av å lære å trekke fra ferdigheter til å dra rett. I tillegg er det ikke-sentrert plassering av robotens håndtaket i denne forbedrede trening protokollen (SP2) resulterer i en oppgave med en grunnere lærekurve som er mer fordelaktig for å studere mekanismene for motor læring som det tillater tid for inngrep før platå ytelsesnivåer er nådd. Videre er det mulig å skille forhold knyttet til oppgaven utførelse fra forhold knyttet til oppgaven vanskeligheter som ikke er umiddelbart gjenspeiles i suksessrate, men kan tyde på videreutvikling av motoriske ferdigheter ^fire. Glatt utførelse av strekkbevegelsene, gjenspeiles i antall submovements kan betraktes som et mål på dyktig, rett trekking. I motsetning til dette, romlig variasjon av bevegelsen synker raskt etter hvert som antall gyldige trekkerøker i alle tre versjoner av rekkevidde-og-pull oppgave, men er ikke direkte relatert til å trekke suksess i rette pull oppgaver og kan reflektere generell motorisk funksjon eller konvergens på den riktige bevegelse som er nødvendig for en vellykket prøve, i stedet for å dyktig oppgave utførelse gang reglene i oppgaven har blitt lært.

Gjennomføring av våre robot rekkevidde-og-pull oppgaver er usedvanlig pålitelig og reproduserbar mellom dyr. Alle trente dyr tilegne seg gratis pull oppgave, og et flertall (90-95% av dyr) er i stand til å lære den rette trekke oppgaven. Selv dyr som viser gjennomgående lav suksessrate på rett trekke fortsette å gjennomføre et høyt antall gyldige trekke forsøk. Disse mislyktes, men gyldige forsøk er fullt registrert. Kunne ikke nådde forsøk i en klassisk dyktig når oppgaven vanligvis resulterer i en ufullstendig nå bevegelse. Det er derfor ikke bare mulig å analysere deler av bevegelsen knyttet til vellykket oppgave anskaffelse, men alså å vurdere hvilke bevegelser parametre føre til svikt.

Mens målingene som presenteres her gir detaljert informasjon om å trekke bevegelser, ikke alle aspekter av rekkevidde-and-pull forbena bevegelse fanges. Eventuelle endringer i nå atferd som oppstår før den første kontakten, eller etter utgivelsen av håndtaket i enden av en gyldig trekke forsøk er ikke registrert og kan derfor ikke analyseres med lik presisjon. For eksempel er antall gripe forsøk før en trekkbevegelsen ikke målt, selv om de kan være relevant i forhold til funksjonelle utvinning modeller. Analyse av høyhastighets videoopptak gir denne tilleggsinformasjonen. Tidligere beskrevne fremgangsmåter for bevegelsessporing ^{13, 14} kan tilpasses for dette formål.

Dessuten gjør våre innspillinger ikke gi informasjon om kvaliteten på rotte grep på håndtaket. Rotasjon avhåndtere, noe som indikerer pronasjon eller supinasjon av labben, kunne gi noen innsikt i kombinasjon med høyhastighets video. Siden rotasjon og grep er spesielt påvirket hos rotter takts modellene ^{9, 15, 16,} fremtidige eksperimenter for å finne ut hvor effektive rekkevidde-og-pull oppgaver som presenteres her er i å ta post-takts motor underskudd.

Oppgavene presenteres her ble designet for å etterligne vanlige enkeltpelletsrekkende oppgaver: ønsket å trekke avstanden er basert på den typiske avstanden mellom vindu og pellet i disse oppgavene og fri bevegelse av håndtaket i horisontalplanet muliggjør måling av rotte naturlige paw baner over en 10 mm avstand i gyldige forsøk.

Likeledes ugyldige forsøk hvor håndtaket er flyttet utenfor robotens arbeidsområde (f.eks håndtaket dras bort under trekking) ellerder trakk avstanden er utilstrekkelig kan tolkes som ligner droppet pellets i enkeltpellets nå oppgaver, selv om håndtaket ikke synker til gulvet når den slippes.

Denne utformingen fanger opp flere aspekter ved trekkbevegelsen enn automatiserte oppgaver som tar sikte på å måle en eneste enkel bevegelse. Imidlertid, gjør det også samvirke mellom trekker og rotasjonsbevegelser, og gir dyrene mulighet for kompensering. Innsikt i kompenserende bevegelser i løpet av motorisk funksjon oppgang kan være verdifulle, men kompliserer også tolkningen av resultatene.

Et kritisk punkt i kjøpet av rekkevidde-og-pull oppgaver er vellykket condition av belønning berøring trinn i opplæringen. Uten pålitelig samvirke mellom rotte og robot, ytterligere opplæringsfremgangsmåten er vanskelig å utføre og kvantifisere en pålitelig måte. Det er like viktig å ikke overtrener rottene under overgangs opplæring trinn, imidlertid. mens enimals kan fortsette å vise forbedringer i ytelse under belønning-touch treninger for mer enn 3-4 dager, over-konsolidering hindrer effektiv forming av atferd i påfølgende rekkevidde-and-pull trening.

Konstant plassering av håndtaket er avgjørende for korrekt utførelse og pålitelig analyse av data innhentet ved hjelp av robot rekkevidde-and-pull oppgave presenteres her. Mens posisjonen av håndtaket i forhold til resten av roboten og til midtlinjen er programvaredefinert, er håndtakets stilling i forhold til buret vinduet lett varieres ved å flytte enten sidelengs. Her har vi vist hvordan innretting av håndtaket med enten kanten eller i midten av vinduet endrer oppgave anskaffelse og kan anvendes for å studere prosesser som ligger til grunn motorisk læring. Inconstant justering av håndtaket i en treningsperiode, men vil introdusere konfunderende effekter og gir upålitelige atferdsavlesninger.

I den protokoll som er beskrevet her, rottes er trent under daglige økter består av 100 forsøk, i likhet med våre tidligere eneste pellet rekkende eksperimenter ^{4, 17.} Med automatiske opplærings oppsett antall forsøk per økt kan lett økes, uten å kreve mye mer innsats på den delen av forskeren. Mens høyere antall forsøk per økt kan gi lavere intraindividuelle variasjon, har effekten av å øke antall forsøk per treningsøkt på hastigheten på læring og utvinning må tas i betraktning. Videre vil faktorer som metthetsfølelse og tretthet bli mer relevant og kan forstyrre ytelsen i svært lange treningsøkter.

Selv om belastningsskader og kjønnsforskjeller i motorisk læringsevne er beskrevet i rotter ^{4, 18, 19,} har vi fått pålitelig ytelse i både mannlige Sprague-Dawley end Long-Evans rotter. Eldre dyr (4-5 måneder gammel) er generelt tregere enn de yngre (8-10 uker) og viser lengre intervaller mellom studier. Videre har vi sett dårlig ytelse i eldre dyr når mat pellets er erstattet med en sukrose-vann belønning. Eldre dyr som mottar flytende belønner opplever problemer når overgangen fra belønning-touch til å trekke. Dette kan være forårsaket av aldersrelaterte belønning-preferanser, i hvilket tilfelle ved anvendelse av en mer akseptabel væske belønning slik som yoghurt eller jordnøttolje kan gi bedre resultater. Alternativt, kan virkemåten av eldre dyr indikerer vanskeligheter med å forstå en mer abstrakt rekkende oppgave (sammenlignet med konvensjonelle pellet nådde), selv om vi observere pålitelig læring oppførsel hos disse dyrene når bulk belønninger er brukt. Således bør effekten av den valgte belønning særlig tas i betraktning ved utforming av eksperimenter hvor bruk av eldre dyr er det foretrukket (dvs. i modeller av slag eller neurodegenerativ sykdom).

Vi har ennå ikke studert kjønnsforskjeller i motorisk læring ved hjelp av ETH Pattus. Det er lite sannsynlig at hunnrotter ikke vil være i stand til å tilegne SP eller FP oppgaver, selv om deres læringsstrategier kan avvike fra menn. Imidlertid, selv om brunst påvirker ryggraden tetthet hos hunnrotter, virkninger på læring kurver og læring relaterte plastisitet i primær motor cortex er begrenset ^20.

Den robot oppgaver kan varieres på flere måter: den nødvendige bevegelse kan være mer eller mindre nøyaktig (for eksempel, en begrenset mengde av avvik fra en foreskrevet bane i en avstand-og-pull oppgave), eller roboten kan forstyrre eller hjelpe den utførte bevegelse i en hvilken som helst av eller alle tre dimensjoner (langsgående eller sideveis bevegelser i horisontalplanet og rotasjonsvinkel av håndtaket). Annet enn variasjoner på de nå-og-pull oppgaver presenteres i denne artikkelen, er det mulig å designe motoriske ferdigheter ltjene oppgaver hvor for eksempel rotasjon vinkelen på håndtaket, maksimal bevegelseshastighet, eller akselerasjon profilen definerer suksess av en rettssak.

Annet enn å tillate enkel variant av oppgaveparametere, det eksperimentelle oppsettet som presenteres her romlig skiller motoraktivitet fra den gitte belønning, som er utlevert på den motsatte siden av buret. Tilpasning av belønning størrelse er ikke mulig i klassisk rekkende oppgaver uten at det påvirker oppgave vanskelighetsgrad ²¹   (En mindre mat pellet er mer vanskelig å forstå enn en større), og heller ikke er det mulig å variere sjansen for en belønning uavhengig av dyrets ferdighetsnivå. Ved hjelp av en robot oppgave, kan oppnås for en motor handling belønning varieres basert på ferdighet, nåværende ytelse, eller kan bli variert for å vurdere faktorer som motivasjon.

I konklusjonen, automatisert trening kombinert med kinematisk bevegelsesanalyse gir en automatisert, objektiv metodefor å studere motoriske ferdigheter læring som etterligner konvensjonelle dyktige rekkende oppgaver, men gir ytterligere data både vellykkede og mislykkede trekke forsøk. Denne tilnærmingen åpner opp nye muligheter for etterforskning i kombinasjon med elektrofysiologiske, farmakologiske eller optogenetic tiltak rettet mot forbedring av eller interferens med rekkevidde-og-pull bevegelser eller oppstående mat belønninger.

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