Yöntem makalesi

Bir Robotik Manipulandum ile motor Beceri Öğrenme Süreçlerinin İncelenmesi

DOI:

10.3791/54970

⸱

12 Şubat 2017

 ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Vascular Neurology and Rehabilitation, Department of Neurology, University Hospital Zurich, 2Rehabilitation Engineering Laboratory, Department of Health Sciences and Technology, ETH Zurich

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir paradigma sıçanlarda otomatik yetenekli ulaşan görevin eğitim ve analizi için sunulmuştur. çekme girişimlerinin analizi, motor öğrenme farklı subprocesses ortaya koymaktadır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nitelikli ulaşan görevler genellikle sağlıklı ve patolojik koşullar altında motor beceri öğrenme ve motor fonksiyon çalışmalarında kullanılır, ancak zaman yoğun ve belirsiz basit başarı oranları ötesinde ölçmek için olabilir. Burada, ETH Pattus, kayıtları çekme ve sıçanlarda el rotasyon hareketleri o eğitimi ulaşan otomatik ön ayakları için bir robot platformu ile erişim-ve-çekme görevler için eğitim prosedürü açıklar. gerçekleştirilen çekme girişimleri kinematik ölçümü gibi orta hattan hızı, çekme yörünge mekansal değişkenlik, sapma çekerek, yanı sıra başarıyı çekerek olarak hareket parametrelerinin farklı zamansal profilleri varlığını ortaya koymaktadır. Biz eğitim paradigmasında küçük ayarlamalar zorluk, genel motor fonksiyon veya yetenekli görev yürütme görev onların ilişkisini ifşa bu parametrelerdeki değişiklikler neden göstermek. Elektrofizyolojik, farmakolojik ve optogenetic teknikleri ile birleştiğinde, bu paradigma kullanılabilir(inme sonrası örneğin) Motor öğrenme ve hafıza oluşumunun yanı sıra kaybı ve fonksiyon kurtarma altında yatan mekanizmaları keşfetmek için.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Motor görevleri yaygın nörolojik ya da farmakolojik hayvan modellerinde motor fonksiyon değişikliklere motor öğrenme veya ilgili davranışsal ve nöral değişiklikleri değerlendirmek için kullanılır. Ince motor fonksiyon, ancak kemirgenlerde ölçmek zor olabilir. Bu tür tahıl 1 manipülasyon, makarna 2 veya ayçiçeği tohumu 3 olarak el becerisi gerektiren görevler, duyarlı ve hayvan kapsamlı bir eğitim gerektirmez. Onların büyük dezavantajı bu görevleri çoğunlukla nitel sonuçlar ve net bir şekilde skor zor olabilir olmasıdır.

Böyle bir görevi ulaşan tek pelet varyasyonları olarak Nitelikli ulaşan görevleri, 4, 5 ölçmek için daha basittir. Ancak, bu görevlerin başarılı bir şekilde yürütülmesini altında yatan kinematik faktörler yalnızca sınırlı ölçüde olayla ve emek-yoğun kare-kare, video a gerektirir edilebilirnalysis.

Robotik cihazlar ön ayakları fonksiyonu ve motor beceri yönlerini miktarının aracı olarak popülerlik kazanmıştır. Çeşitli otomatik ulaşan görevler mevcuttur. Böyle bir doğrusal kılavuz boyunca bir sapın 6, 7, basit distal ekstremite hareketleri pençe 9 8 veya pronasyonu ve supinasyon çekerek bir ön ayakları hareketinin tek yönü üzerinde çoğunluk odak. bu cihazlar içinde motor fonksiyon analizi için umut vaat ederken, onlar sadece karmaşık motor eylemleri uzatmak sınırlı ulaşan tek pelet sırasında idam yansıtmaktadır.

Burada, sıçanlarda 10, 11 çeşitli motorlu görevleri eğitim ve değerlendirilmesi için geliştirilmiş bir üç derecelik serbestlik robotik cihaz, ETH Pattus, kullanımını göstermektedir. Bu düzlemsel ve erişim, kavramak sıçan ön ayakları hareketleri dönme hareketini ve kaydederyatay düzlemde yürütülen görevler çekerek. (Itme ve çekme ve yatay düzlemde hareket fareler test kafesine (45 cm x 15 cm, uzunluk: 40 cm, yükseklik genişlik) bir pencereden ulaşılabilir 6 mm çaplı, küresel kolu ile robot ile etkileşime hareketleri) ve döndürülmüş (pronasyon-supinasyon hareketleri). Bu nedenle, geleneksel tek pelet ulaşan görevler sırasında idam benzeşmekte hareketleri yürütmek için sıçan sağlar. Pencere 10 mm genişliğinde ve kafes yerden 50 mm yer almaktadır. sap yerden 55 mm yer almaktadır. Bir sürgülü kapı blokları deneme ulaşan ve robot başlangıç ​​konumuna ulaştığında ve deneme tamamlandıktan sonra kapandığında açılır arasındaki sapa erişir. düzgün bir şekilde yürütülür hareket sonra, sıçanlar test kafesine karşı tarafında bir gıda ödül almak.

Robot yazılım üzerinden kontrol ve pozisyon o hakkında bilgi sonuçlanan 1000 Hz de 3 döner enkoderler çıktı kayıtları olduğuyatay bir düzlemde, hem de kendi dönme açısı sapa F (Daha fazla bilgi için, 11 referans bakınız). Başarılı bir görev yürütülmesi için gerekli koşullar (örneğin asgari bir erişim-ve-çekme görevi orta hat mesafe ve maksimum sapmayı çekerek gerekli) her antrenmandan önce yazılımda tanımlanır. sapın bir başlangıç ​​standart referans konumu her eğitim oturumunun başında sabit tutucu ile kaydedilir. Bu referans her deneme için sapın sabit başlama pozisyonu güvence, bir oturum içinde tüm çalışmalar için kullanılır. Kafes penceresine tanıtıcı göreceli sabit konumlandırma kafes ve robot (Şekil 1) işaretleri uyum ile güvence altına alınmıştır.

ulaşan hareketlerin Video kayıtları, küçük bir yüksek hızlı kamera (120 kare / sn, 640 x 480 çözünürlük) kullanılarak kaydedilir. Kameranın görünümünde küçük bir ekran oturumu eğitim, sıçan kimlik numarasını gösterir,deneme numarası ve deneme sonucu (başarı ya da başarısız). Bu videolar kaydedilen sonuçları doğrulamak ve dokunma önce hareketleri ulaşan sapı çekerek veya rotasyon etkilerini değerlendirmek için kullanılır.

Burada, bir erişim-ve-çekme görevi varyasyonları bu robot platformunun kullanımını göstermektedir. Bu görev, diğer yetenekli ulaşan paradigmalar karşılaştırılabilir ve tekrarlanabilir sonuçlar verir bir süre içinde eğitilmiş olabilir. Biz tipik bir eğitim protokolü, yanı sıra bazı temel çıkış parametreleri açıklar. Ayrıca, biz kullanılan eğitim protokolü küçük değişiklikler motor beceri öğrenme süreci içinde bağımsız subprocesses temsil edebilir davranışsal sonuçlar değişmiş zamanlı kurslar neden olabilir nasıl gösterir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada sunulan deneyler Zürih, İsviçre Kanton Veteriner Dairesi tarafından onaylanmış ve ulusal ve kurumsal düzenlemelere göre yapılmıştır.

1. Besleme Koşulları

NOT: Tüm eğitim oturumları planlanmış bir beslenme protokolü altında yapılmaktadır.

  1. Eğitim tamamlandıktan sonra, günde bir kez sıçanlar standart yem 50 gr / kg besleyin. Gıda Bu miktar (vücut ağırlığı serbest besleme ağırlığının>% 90 olan) büyük kilo kaybını önlemek için yeterli olduğunu, ancak tekrarlanabilir davranış klima sağlamak için yeterince küçük. kendi vücut ağırlığı stabil kalmasını sağlamak için günlük sıçan tartılır.
    NOT: Ek bir gecede (10-12 saat) gıda yoksunluğu ilk ödül dokunmatik oturumunda (adım 2.3) öncesinde yararlı olabilir.

Bir Reach-ve-çekme Görev 2. Eğitim Prosedürü

  1. Hazırlanışı: fareler lea de onların yeni ev kafeslerde alışmakta izin verst hayvan barınağında geldikten sonra bir hafta. Bu süre zarfında düzenli olarak sıçan işlemek ve yeni gıda sıçan alıştırmak için evde kafes içinde tozsuz hassas pelet verir. Bu topaklar bir eğitim protokolü boyunca ödülleri olarak kullanılacaktır.
  2. Alışma: 30-45 dakika süreyle test kafeste sıçan yerleştirin ve toz yem ile karıştırılarak besleme kapta 30-50 pelet sağlamak. Açın ve kafes penceresini kapatmak ve ses sıçan alıştırmak için bazen pelet dağıtıcı çalıştırın.
    1. 2-3 gün için bu işlemi tekrarlayın.
  3. Dokunmatik ödüllendirin: kafes pencereden küresel kolu dokunmak sıçan Tren ve daha sonra bir gıda ödül almak için kafesin zıt tarafına geçmek için.
    1. sap, her deneme başında sadece test kafes pencere dışında yer alır, böylece yazılım ayarlarını yapın ve kafes pencerenin merkezi ile kolunu aynı hizaya getirin. Ne zaman denemeler, yani başarılı </ Em>, en kısa sürede tespit edildiğini sap (herhangi bir yönde 0.25 mm deplasman) hafif bir dokunuş olarak, bir ses duyulur ve bir ödül dağıtılır. penceresi açılır sonra hiçbir dokunuş 180 s için tespit edildiğinde başarısız olarak denemeler sınıflandırır.
    2. Eğitim kafeste sıçan yerleştirin. o sap yakınında düzenlenen bir topak de kapmak izin vererek ulaşmak için sıçan istemi. kafes dokunarak sap ve gıda kase için sıçan dikkatini yönlendirin.
    3. Sıçan bağımsız kafes pencereden ulaşır ve gıda pelet alırken isteyen durdurun.
    4. 100 denemeler (dokunur) tamamlanıncaya kadar devam edin ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
    5. 3-4 gün eğitim devam edin ve fareler 2 gün üst üste 30 dakika içinde 100 denemeler ulaşmak zaman eğitim (adım 2.4) sonraki aşamada başlar.
      NOT: Bu adımı aşırı eğitmek etmeyin. Bu davranış, şekillendirilebilir, böylece ödül dokunma amacı, sıçan ve robot arasında güvenilir bir etkileşim elde etmektirsonraki eğitim.
  4. Ücretsiz çekme (FP): uzanmak ve robot kolu çekmek için fareler eğitin.
    1. sap, her deneme başında penceresinden 18 mm bulunur ve başarılı bir deneme için kesintisiz en az 10 mm çekilmeli, böylece yazılım ayarlarını yapın. Bu aşamada çekerek hareketi hiçbir yan kısıtlama yoktur.
      1. sap penceresi açılır sonra 180 sn boyunca hareketsiz kaldığında zaman başarısız bir deneme sınıflandırmak sap ulaşılabilir çalışma alanı (orta hattan fazla 12 mm) dışında hareket ettirildiğinde, ya da sıçan içinde en az 10 mm çekti zaman ilk dokunuş sonra 5 s tespit edildi.
    2. İlk FP seansın ilk 20 çalışmalar sırasında sol ve sağ pençe kullanılan kez numarasını not alın. çalışmaların en az% 80 kullanılan ayak tercih edilen ayak olarak kabul edilir.
      NOT: pençe tercihi zaten ödül açık olabilirDokunmatik oturumları.
    3. O Tercih pençe çekme kolaylaştırmak için pencerenin kenarına aynı hizaya gelene kadar (sağ elini sıçan ve tersi için pencerenin sol tarafında robot 5 mm hareket yani) yanal kolu hareket ettirin.
      NOT: Bu sıçan için aşağıdaki eğitim oturumları için kafese tam bu aynı konuma kolu yerleştirin. kafes duvara ve robot üzerinde işaretleri kesin yerleşim sağlamak.
    4. 100 denemeler tamamlanıncaya kadar eğitim kafes ve tren sıçan koymak ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
      NOT: Sıçan yeterince dışarı ulaşamazsa, o sap yakınında düzenlenen bir topak de kapmak izin vererek bunu isteyecektir. Sıçanlar tekrarlanan başarısız girişimden sonra çekmeye çalışırken vermeyebilir. Kafesteki dokunun onları forseps bir çift ile yapılan pelet kapmak ya da motivasyon geri yüklemek için bir pelet dağıtmak edelim.
    5. 2.4 anlatıldığı gibi sadece FP eğitimi içeren deneyler için, eğitim devam ediyor.
      YOK HAYIRTE: Genellikle, 1-2 FP oturumları SP (Düz çekin) eğitime ödül dokunmatik geçiş yardımcı olmak için gereklidir. Bu FP oturumların hedefi yerine yalnızca bir dokunuşla ona göre, kolu uzanmak, kapmak ve çekme sıçan alıştırmak etmektir. ödül-touch eğitimi olduğu gibi, aşırı-treni değil amaç bir sonraki eğitim aşamasına geçiş ise önemlidir.
  5. Düz çekme (SP): orta hattan en fazla 2 mm sapmadan kolu çekmek için fareler eğitin.
    NOT: orta hat değil kafes penceresinin orta noktasına, robotun başlangıç ​​pozisyonuna göre tanımlanır. Bu durumda, kafes penceresinin orta noktasında sona eren bir çekme girişiminde orta hat 2 mm'den daha fazla sapma bir çekme yörünge neden olur.
    1. çekme hareketi her iki tarafta orta hattan en fazla 2 mm sapma değil sadece denemeler bir tonda ve pelet tarafından ödüllendirilir, böylece yazılım ayarlarını yapın. Adım 2.4 açıklandığı gibi diğer tüm parametreleri tutun.
    2. 100 denemeler tamamlanıncaya kadar eğitim kafes ve tren sıçan koymak ya da 60 dakika geçene kadar, hangisi önce gelirse.
      NOT: Sıçanlar son derece heyecanlı olmak ve tekrarlanan başarısız girişimden sonra çekmeye çalışırken vermeyebilir. Ulaşan görev dikkatlerini yönlendirmek, onları forseps bir çift ile yapılan pelet kapmak ya da motivasyon geri yüklemek için bir pelet dağıtım izin kafesin üzerine dokunun.
    3. Sıçanlar plato performansını ulaşana kadar eğitim devam ya da bir deney amaca göre antrenman dönemi adapte.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, erkek Long-Evans sıçanları (10-12 haftalık) kullanarak erişim-ve çekme görevi 3 farklılıklar göstermektedir. serbest-pull (FP) grubunda (N = 6), fareler yanal kısıtlama olmadan bir 22 günlük süre için robotun kolu çekin eğitilmiştir. Hayvanlar orta hattan en fazla 2 mm sapmadan kolu çekmek için eğitilmiştir (N = 12) 1 (SP1) grubu düz çekin. Bu hayvanlar ödül-touch düz çekme eğitimi (adım 2.3) (adım 2.5) doğrudan geçiş. Her iki FP ve SP1 hayvanlar için sap kafes pencerenin ortasın...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nitelikli ulaşan görevler genellikle patolojik durumlar 6 altında motor beceri edinimi yanı sıra motor fonksiyon bozukluğunu incelemek için kullanılır. davranışı ulaşma güvenilir ve kesin analizi motor beceri kazanımı, hem de kayıp ve nörolojik hastalığın hayvan modellerinde fonksiyonunun geri kazanılması yer nörofizyolojik işlemleri altında yatan hücresel mekanizmaları üzerinde çalışılması için gereklidir. Burada sunulan sonuçlar çekerek hareketin mekansal ve zamansal açıdan, motor beceri eğitim...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu araştırma İsviçre Ulusal Bilim Vakfı, Betty ve David Koetser Vakfı Beyin Araştırmaları ve ETH Vakfı tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
ETH PattusETH Pattus, ETH Zürih'teki Prof. Gassert'in Rehabilitasyon Mühendisliği Laboratuvarı tarafından yapılmıştır.
Eğitim kafesi Pleksiglas eğitim kafesi kendi bünyemizde yapılmıştır.
Pelet dağıtıcıCampden Instruments80209
45 mg tozsuz hassas peletlerBio-ServF0021-J
GoPro Hero 3+ Silver Edition digitec.ch284528Küçük yüksek hızlı kamera 
Küçük ekranAdafruit Industries#50, #661128 x 32 SPI OLED ekran, bir Arduino Uno mikrodenetleyici ve Labview yazılımı aracılığıyla kontrol
LabVIEW 2012National Instruments776678-3513ETH Pattus, daha yeni Labview sürümleriyle uyumludur.
Matlab 2014bMathworksMLALL
edilir

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Irvine, K. -A., et al. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. JoVE. (46), (2010).
  2. Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).
  3. Kemble, E. D., Wimmer, S. C., Konkler, A. P. Effects of varied prior manipulatory or consummatory behaviours on nut opening, predation, novel foods consumption, nest building, and food tablet grasping in rats. Behav Proc. 8 (1), 33-44 (1983).
  4. Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behav Brain Res. 155 (2), 249-256 (2004).
  5. Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: A proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behav Brain Res. 41 (1), 49-59 (1990).
  6. Hays, S. A., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).
  7. Sharp, K. G., Duarte, J. E., Gebrekristos, B., Perez, S., Steward, O., Reinkensmeyer, D. J. Robotic Rehabilitator of the Rodent Upper Extremity: A System and Method for Assessing and Training Forelimb Force Production after Neurological Injury. J Neurotrauma. 33 (5), 460-467 (2016).
  8. Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: an automated method to measure forelimb speed in rodents. J Neurosci Meth. 214 (1), 52-61 (2013).
  9. Meyers, E., et al. The supination assessment task: an automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
  10. Lambercy, O., et al. Sub-processes of motor learning revealed by a robotic manipulandum for rodents. Behav Brain Res. 278, 569-576 (2015).
  11. Vigaru, B. C., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 21 (5), 796-805 (2013).
  12. Klein, A., Sacrey, L. -A. R., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neurosci Biobehav Rev. 36 (3), 1030-1042 (2012).
  13. Gharbawie, O. A., Whishaw, I. Q. Parallel stages of learning and recovery of skilled reaching after motor cortex stroke: "Oppositions" organize normal and compensatory movements. Behav Brain Res. 175 (2), 249-262 (2006).
  14. Palmér, T., Tamtè, M., Halje, P., Enqvist, O., Petersson, P. A system for automated tracking of motor components in neurophysiological research. J Neurosci Meth. 205 (2), 334-344 (2012).
  15. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).
  16. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat. Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).
  17. Molina-Luna, K., et al. Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PloS one. 4 (9), (2009).
  18. VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. Long-Evans rats have a larger cortical topographic representation of movement than Fischer-344 rats: A microstimulation study of motor cortex in naı̈ve and skilled reaching-trained rats. Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).
  19. Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research. Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).
  20. Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex. J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).
  21. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size. Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Motor Skill LearningRobotic ManipulandumReach and Pull TaskKinematic QuantificationPulling VelocitySpatial VariabilityDeviation From MidlinePulling SuccessTraining ParadigmElectrophysiological Techniques

İlgili makaleler