Diese Forschung wurde von der Schweizerischen National Science Foundation, dem Betty und David Koetser-Stiftung für Hirnforschung und der ETH Foundation unterstützt.

Die hier vorgestellten Experimente wurden vom Veterinäramt des Kantons Zürich, Schweiz zugelassen und wurden nach nationalen und institutionellen Vorschriften. 1. Fütterungsbedingungen HINWEIS: Alle Trainingseinheiten werden im Rahmen eines geplanten Fütterungsprotokoll durchgeführt. <ol><li> Feed the Ratten 50 g / kg Standardfutter einmal pro Tag, nach dem Training abgeschlossen ist. Diese Menge an Nahrung ist ausreichend großen Gewichtsverlust zu verhindern (Körpergewicht&gt; 90% des Gewichts frei Fütterung), aber klein genug, um reproduzierbare Verhaltensanlage zu gewährleisten. Wiegen Sie die tägliche Ratten zu ihrem Körpergewicht stabil bleibt gewährleisten. HINWEIS: Weitere über Nacht (10-12 h) Nahrungsentzug kann nützlich sein, vor dem ersten Lohn-Touch-Sitzung (Schritt 2.3). </li></ol> 2. Training Verfahren für eine Reichweite-and-Pull-Task <ol><li> Zubereitung: Lassen Sie die Ratten bei lea in ihre neue Heimat Käfige eingewöhnenst eine Woche nach der Ankunft in der Tierhaltung. Behandeln Sie die Ratten regelmäßig während dieser Zeit und geben dustless Präzision Pellets im Käfig, die Ratten an das neue Futter zu gewöhnen. Diese Pellets werden als Belohnung während des Trainingsprotokoll verwendet werden. </li><li> Habituation: Legen Sie die Ratten in den Testkäfig für 30-45 min und 30-50 Pellets im Futternapf bieten, mit pulverisiertem Futter gemischt. Öffnen und den Käfig Fenster zu schließen , und führen Sie das Pellet Spender gelegentlich die Ratten in ihren Sound zu gewöhnen. <ol><li> Wiederholen Sie dies für 2-3 Tage. </li></ol></li><li> Reward-touch: Trainieren Sie die Ratten die Kugelgriff durch den Käfig Fenster zu berühren und dann auf der gegenüberliegenden Seite des Käfigs bewegen , um eine Futterbelohnung abrufen. <ol><li> Passen Sie die Software-Einstellungen, so dass der Griff etwas außerhalb des Testkäfigfenster zu Beginn jedes Versuchs befindet, und richten Sie den Griff mit der Mitte des Käfigs Fenster. Wenn die Versuche erfolgreich sind, dh &lt;/ Em&gt;, sobald eine leichte Berührung an dem Griff (0,25 mm Verschiebung in jede Richtung) erfasst wurde, ertönt ein Ton und eine Belohnung abgegeben wird. Klassifizieren Studien als nicht bestanden, wenn keine Berührung hat für 180 s erkannt wurde, nachdem das Fenster geöffnet wird. </li><li> Legen Sie die Ratte in der Trainingskäfig. Prompt die Ratte, indem man es an einem Pellet nahe dem Griff gehalten greifen zu erreichen. Richten Sie die Aufmerksamkeit der Ratte auf den Griff und Futternapf, indem Sie auf den Käfig tippen. </li><li> Stoppen auffordert, wenn die Ratte unabhängig der Käfigfenster erreicht durch und ruft die Futterpellet. </li><li> Weiter bis 100 Studien (berührt) abgeschlossen sind oder bis 60 Minuten vergangen sind, was zuerst eintritt. </li><li> Weiter Training für 3-4 Tage und beginnen, die nächste Stufe der Ausbildung (Schritt 2.4), wenn Ratten erreichen 100 Versuche innerhalb von 30 Minuten an 2 aufeinanderfolgenden Tagen. HINWEIS: Verwenden Sie diesen Schritt nicht über trainieren. Das Ziel der Lohn-touch ist zuverlässig Interaktion zwischen Ratte und Roboter zu erreichen, so dass dieses Verhalten in geformt werden kann,anschließende Ausbildung. </li></ol></li><li> Freie Pull (FP): die Ratten Zug zu erreichen und den Griff des Roboters ziehen. <ol><li> Passen Sie die Software-Einstellungen, so dass der Griff zu Beginn jedes Versuchs 18 mm aus dem Fenster befindet, und muss mindestens 10 mm ohne Unterbrechung für einen erfolgreichen Versuch gezogen werden. Es gibt keine seitlichen Beschränkungen für die Ziehbewegung in dieser Phase. <ol><li> Klassifizieren einen Versuch als gescheitert, wenn der Griff wurde für 180 s, nachdem das Fenster nicht bewegt sich öffnet, wenn sich der Griff außerhalb des erreichbaren Arbeitsbereich bewegt wird (mehr als 12 mm von der Mittellinie), oder, wenn der Ratte weniger als 10 mm gezogen wurde innerhalb von 5 s nach der ersten Berührung detektiert wurde. </li></ol></li><li> Beachten Sie die Anzahl der Male, die linken und rechten Pfote werden während der ersten 20 Versuche der ersten FP-Sitzung verwendet. Die Pfote, die in mindestens 80% der Studien verwendet wird, ist die bevorzugte Pfote betrachtet. HINWEIS: Paw bevorzugt kann bereits klar sein, in Lohn-Touch-Sessions. </li><li> Bewegen Sie den Griff seitlich bis er mit dem Rand des Fensters ausgerichtet ist , zu erleichtern , mit dem bevorzugten paw ziehen (dh den Roboter 5 mm auf der linken Seite des Fensters bewegen , um rechtshändige Ratten und umgekehrt). HINWEIS: Setzen Sie den Hebel in dieser exakt gleichen Position relativ zum Käfig für alle folgenden Schulungen für diese Ratte. Versichern genaue Platzierung von Markierungen an der Käfigwand und an dem Roboter. </li><li> Legen Sie die Ratte in der Trainingskäfig und Zug bis 100 Prüfungen abgeschlossen sind oder bis 60 Minuten vergangen sind, was zuerst eintritt. HINWEIS: Wenn die Ratte nicht weit genug reichen, es prompt, indem sie bei einem Pellet nahe dem Griff gehalten greifen zu lassen. Ratten stoppen kann versuchen, nach wiederholten Fehlversuchen zu ziehen. Tippen Sie auf den Käfig, lassen Sie sie mit einer Pinzette gehalten für Pellets greifen oder ein Pellet verzichten, um ihre Motivation wieder herzustellen. </li><li> Für Experimente nur FP trainiert wurden, weiterhin Ausbildung wie in 2.4 beschrieben. NEINTE: Typischerweise werden 1-2 FP-Sitzungen benötigt Übergang von Belohnung Kontakt SP (Straight Pull) Ausbildung zu helfen. Das Ziel dieser FP-Sitzungen ist Ratten eingewöhnen den Griff zu erreichen, greifen und ziehen, anstatt nur zu berühren. Wie bei Lohn-Touch-Training ist es wichtig, nicht zu Zug über, wenn das Ziel zu einem nächsten Trainingsschritt für den Übergang ist. </li></ol></li><li> Gerade Zug (SP): Trainieren Sie die Ratten den Griff zu ziehen , ohne mehr als 2 mm von der Mittellinie abweicht. HINWEIS: Die Mittellinie ist definiert relativ zu der Startposition des Roboters nicht mit dem Mittelpunkt des Käfigs Fenster. Somit wird in einer Zieh Trajektorie führen eine Ziehversuch am Mittelpunkt des Käfigs Fenster endet, das mehr als 2 mm von der Mittellinie abweicht. <ol><li> Passen Sie die Software-Einstellungen, so dass nur Studien, in denen die Ziehbewegung auf beiden Seiten nicht mehr als 2 mm von der Mittellinie abweicht von einem Ton belohnt werden und ein Pellet. Halten Sie alle anderen Parameter wie in Schritt 2.4 beschrieben. </li><li> Legen Sie die Ratte in der Trainingskäfig und Zug bis 100 Prüfungen abgeschlossen sind oder bis 60 Minuten vergangen sind, was zuerst eintritt. HINWEIS: Die Ratten können extrem aufgeregt und stoppen nach wiederholten Fehlversuchen zu ziehen versucht. Tippen Sie auf den Käfig ihre Aufmerksamkeit auf das Erreichen Aufgabe umleiten, lassen Sie sie für Pellets mit einer Pinzette gehalten greifen oder ein Pellet verzichten, um ihre Motivation wieder herzustellen. </li><li> Fortsetzung der Ausbildung, bis die Ratten Plateau Performance zu erreichen, oder die Einarbeitungszeit anzupassen nach dem Ziel eines Experiments. </li></ol></li></ol>

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	<li>Irvine, K. -. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+method+for+assessing+proximal+and+distal+forelimb+function+in+the+rat:+the+Irvine,+Beatties+and+Bresnahan+(IBB)+forelimb+scale.">A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale.</a> JoVE. (46), (2010).</li><li>Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pasta+matrix+reaching+task:+a+simple+test+for+measuring+skilled+reaching+distance,+direction,+and+dexterity+in+rats.">The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats.</a> J Neurosci Meth. 106 (1), 39-45 (2001).</li><li>Kemble, E. 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Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+behavioral+method+for+identifying+recovery+and+compensation:+Hand+use+in+a+preclinical+stroke+model+using+the+single+pellet+reaching+task.">A behavioral method for identifying recovery and compensation: Hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task.</a> Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 950-967 (2013).</li><li>Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compensation+aids+skilled+reaching+in+aging+and+in+recovery+from+forelimb+motor+cortex+stroke+in+the+rat.">Compensation aids skilled reaching in aging and in recovery from forelimb motor cortex stroke in the rat.</a> Neurosci. 167 (1), 21-30 (2010).</li><li>Molina-Luna, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dopamine+in+motor+cortex+is+necessary+for+skill+learning+and+synaptic+plasticity.">Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity.</a> PloS one. 4 (9), (2009).</li><li>VandenBerg, P. M., Hogg, T. M., Kleim, J. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-Evans+rats+have+a+larger+cortical+topographic+representation+of+movement+than+Fischer-344+rats:+A+microstimulation+study+of+motor+cortex+in+na&#305;&#776;ve+and+skilled+reaching-trained+rats.">Long-Evans rats have a larger cortical topographic representation of movement than Fischer-344 rats: A microstimulation study of motor cortex in na&#305;&#776;ve and skilled reaching-trained rats.</a> Brain Res Bull. 59 (3), 197-203 (2002).</li><li>Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Behav Brain Res. 145 (1-2), 221-232 (2003).</li><li>Harms, K. J., Rioult-Pedotti, M. S., Carter, D. R., Dunaevsky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+Spine+Expansion+and+Learning-Induced+Plasticity+in+Layer+1+Primary+Motor+Cortex.">Transient Spine Expansion and Learning-Induced Plasticity in Layer 1 Primary Motor Cortex.</a> J Neurosci. 28 (22), 5686-5690 (2008).</li><li>Metz, G. A., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skilled+reaching+an+action+pattern:+stability+in+rat+(Rattus+norvegicus)+grasping+movements+as+a+function+of+changing+food+pellet+size.">Skilled reaching an action pattern: stability in rat (Rattus norvegicus) grasping movements as a function of changing food pellet size.</a> Behav Brain Res. 116 (2), 111-122 (2000).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren

Qualifizierte Erreichen Aufgaben werden üblicherweise 6 zu studieren Motorik Erwerb sowie Beeinträchtigung der motorischen Funktion unter pathologischen Bedingungen. Zuverlässige und eindeutige Analyse Verhalten zu erreichen ist von wesentlicher Bedeutung für die Untersuchung von zellulären Mechanismen Motorik Erwerb zugrunde liegen, sowie neurophysiologischen Verlust und die anschließende Wiederherstellung der Funktion beteiligten Prozesse in Tiermodellen für neurologische Erkrankungen. D...

Motor Aufgaben sind weit verbreitet zu beurteilen, Verhaltens- und neuronale Veränderungen in Bezug auf das motorische Lernen oder Änderungen der motorischen Funktion bei neurologischen oder pharmakologischen Tiermodellen. Feinmotorik kann schwierig sein, bei Nagetieren zu quantifizieren, aber. Aufgaben , die manuelle Geschicklichkeit, wie Manipulation von Getreide 1, Pasta 2 oder Sonnenblumenkerne 3 sind empfindlich und nicht eine umfassende Ausbildung des Tieres erforderlich. Ihr Hauptnachteil ist, dass diese Aufgaben ergeben meist qualitative Ergebnisse und kann schwierig sein, eindeutig zu punkten. Qualifizierte Erreichen Aufgaben, wie Variationen der einzelnen Pellet Aufgabe zu erreichen sind einfacher 4 zu quantifizieren, 5. Jedoch kinematischen Faktoren, die die erfolgreiche Ausführung dieser Aufgaben zugrunde liegen, können nur in begrenztem Umfang und erfordern arbeitsintensive Vollbild-für-Vollbild-Video a abgeleitet werdennalyse. Roboter-Geräte haben an Popularität gewonnen als Mittel der Aspekte der forelimb Funktion und Motorik zu quantifizieren. Mehrere automatisierte Erreichen Aufgaben zur Verfügung stehen. Die meisten konzentrieren sich auf einen einzigen Aspekt eines forelimb Bewegung, wie zum Beispiel entlang einer Linearführung 6, 7, einfache distalen Bewegungen der Gliedmaßen 8 oder Pronation und Supination der Pfote 9 eines Griff ziehen. Während diese Geräte in Versprechen für die Analyse der motorischen Funktion zeigen, spiegeln sie nur die komplexen motorischen Aktionen während der Einzelpellet ausgeführt auf eine begrenzte Erreichen verlängern. Hier zeigen wir die Verwendung eines Drei-Grad-of-freedom Robotervorrichtung, ETH Pattus, entwickelt für die Ausbildung und die Bewertung der verschiedenen motorischen Aufgaben in Ratten 10, 11. Es zeichnet eben und Drehbewegung von Ratten forelimb Bewegungen in Reichweite, zu erfassen, undZiehen in der horizontalen Ebene Aufgaben durchgeführt. Ratten interagieren mit dem Roboter über eine 6 mm Durchmesser kugelförmigen Griff, der durch ein Fenster in der Testkäfig (Breite: 15 cm, Länge: 40 cm, Höhe: 45 cm) erreicht und bewegt werden kann in der horizontalen Ebene (Schieben und Ziehen Bewegungen) und gedreht (Pronation und Supination Bewegungen). Somit ermöglicht es die Ratte Bewegungen auszuführen, die den Hingerichteten bei der konventionellen Einzelpellet Erreichen Aufgaben nähern. Das Fenster ist 10 mm breit und 50 mm über dem Käfigboden gelegen. Der Handgriff befindet sich 55 mm über dem Boden. Eine Schiebetür blockiert den Zugriff auf den Griff zwischen Versuche erreicht und öffnet, wenn der Roboter seine Startposition erreicht hat und schließt nach einem Prozess abgeschlossen ist. Nach einer Bewegung korrekt ausgeführt, erhalten Ratten eine Futterbelohnung auf der gegenüberliegenden Seite des Testkäfigs. Der Roboter wird durch Software gesteuert und erfasst Ausgang von 3 Drehgeber bei 1000 Hz, wodurch Informationen über die Position of den Griff in der horizontalen Ebene, sowie dessen Drehwinkel (Einzelheiten siehe 11 Referenz). Die Bedingungen für eine erfolgreiche Aufgabenausführung erforderlich sind , in der Software vor jeder Trainingseinheit definiert (beispielsweise minimal erforderliche Abstand und die maximale Abweichung von der Mittellinie in einer Reichweite-and-Pull - Aufgabe ziehen). Eine anfängliche standardisierten Referenzposition des Handgriffs wird zu Beginn jeder Trainingssitzung mit einem festen Halter aufgezeichnet. Diese Referenz wird für alle Versuche in einer Sitzung verwendet wird, für jeden Versuch eine konstante Startposition des Handgriffs gewährleistet. Konstante Positionierung des Handgriffs relativ zu dem Käfigfenster wird durch Ausrichtung von Markierungen auf dem Käfig und Roboter (1) gewährleistet. Videoaufnahmen der Greifbewegungen werden aufgezeichnet eine kleine High-Speed-Kamera (120 Bilder / s, 640 x 480 Auflösung). Eine kleine Anzeige in die Ansicht der Kamera zeigt die Identifikationsnummer der Ratte, Session Training,Probenummer und Versuchsergebnis (erfolgreich oder nicht). Diese Videos werden verwendet, um aufgezeichnete Ergebnisse verifizieren und die Wirkungen des Erreichens Bewegungen abzuschätzen, die den rührenden voran, Ziehen oder Drehen des Griffes. Hier zeigen wir die Verwendung dieser Roboterplattform in Variationen einer Reichweite-and-Pull-Aufgabe. Diese Aufgabe kann innerhalb einer Frist von Zeit ausgebildet werden, die auf andere qualifizierte Erreichen Paradigmen vergleichbar ist und liefert reproduzierbare Ergebnisse. Wir beschreiben ein typisches Trainingsprotokoll, sowie einige der wichtigsten Ausgangsparameter. Darüber hinaus zeigen wir, wie kleine Änderungen in der verwendeten Trainingsprotokoll in veränderter Zeitverläufe der Verhaltensergebnisse zur Folge haben kann, dass unabhängige Teilprozesse innerhalb der Motorik Lernprozess darstellen kann.

<table><tbody><tr><td>ETH Pattus</td><td></td><td></td><td>ETH Pattus was made by the Rehabilitation Engineering Laboratory of Prof. Gassert at ETH Zurich.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Training cage&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>The plexiglass training cage was made in-house.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Pellet dispenser</td><td>Campden Instruments</td><td>80209</td><td></td></tr><tr><td>45-mg dustless precision pellets</td><td>Bio-Serv</td><td>F0021-J</td><td></td></tr><tr><td>GoPro Hero 3+ Silver Edition&amp;nbsp;</td><td>digitec.ch</td><td>284528</td><td>Small highspeed camera&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Small display</td><td>Adafruit Industries</td><td>#50, #661</td><td>128 x 32 SPI OLED display controlled via an Arduino Uno microcontroller and Labview software</td></tr><tr><td>LabVIEW 2012</td><td>National Instruments</td><td>776678-3513</td><td>ETH Pattus is compatible with more recent Labview versions.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Matlab 2014b</td><td>The Mathworks</td><td>MLALL</td><td></td></tr></tbody></table>

investigating motor skill learning processes with a robotic manipulandum

Qualifizierte Erreichen Aufgaben werden in den Studien der Motorik Lernen und motorische Funktion unter gesunden und pathologischen Zuständen häufig verwendet, kann aber zeitintensiv und zweideutig über einfache Erfolgsraten zu quantifizieren. Hier beschreiben wir die Trainingsprozedur für Reichweite und Pull-Aufgaben mit der ETH Pattus, einem Roboter-Plattform für die automatisierte forelimb erreichen Training, dass Aufzeichnungen ziehen und Handdrehbewegungen bei Ratten. Kinematischen Quantifizierung der durchgeführten Ziehversuche zeigt das Vorhandensein von unterschiedlichen zeitlichen Verläufe der Bewegungsparameter wie Zuggeschwindigkeit, räumliche Variabilität der Zieh Trajektorie, Abweichung von der Mittellinie, sowie Ziehen Erfolg. Wir zeigen, wie kleinere Anpassungen im Trainings Paradigma zu Veränderungen in diesen Parametern führen und enthüllt ihre Beziehung Schwierigkeiten zu Aufgabe, allgemeine Motorik oder qualifizierte Aufgabenausführung. In Kombination mit elektrophysiologischen, pharmakologischen und optogenetischen Techniken kann dieses Paradigma verwendet werdendie zugrunde liegenden Mechanismen des motorischen Lernens und der Gedächtnisbildung sowie Verlust und Wiederherstellung der Funktion (zB nach Schlaganfall) zu erkunden.

Hier zeigen wir drei Varianten einer Reichweite-und Pull-Task mit männlichen Long-Evans-Ratten (10-12 Wochen alt). Im Frei Pull (FP) Gruppe (N = 6) wurden die Ratten trainiert die Roboterhandgriff für einen Zeitraum 22 Tage ohne seitliche Einschränkungen zu ziehen. Tiere in Gerade ziehen 1 (SP1) Gruppe (N = 12) ausgebildet wurden, um den Griff zu ziehen, ohne mehr als 2 mm von der Mittellinie abweicht. Diese Tiere transitioned direkt von Lohn-touch (Schritt 2.3) gerade gezogene Traini...

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Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Ein Paradigma ist für die Ausbildung und Analyse eines automatisierten Fach Erreichen Aufgabe in Ratten dargestellt. Die Analyse der Ziehversuche zeigt verschiedene Teilprozesse des motorischen Lernens.

Untersuchung Motorfaehigkeiten Lernprozesse mit einem Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

investigating-motor-skill-learning-processes-with-robotic

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Behavior

8.6K Aufrufe.  University Hospital Zurich.  Ein Paradigma ist für die Ausbildung und Analyse eines automatisierten Fach Erreichen Aufgabe in Ratten dargestellt. Die Analyse der Ziehversuche zeigt verschiedene Teilprozesse des motorischen Lernens. 

Serie: Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and retrieve food rewards positioned at a specific location, their motor performance (defined as accuracy and speed) improves progressively over time, and plateaus after persistent training. Once such reaching skill is mastered, its further maintenance does not require constant practice. Here we introduce a single-pellet reaching task to study the acquisition and maintenance of skilled forelimb movements in mice. In this video, we first describe the behaviors of mice that are commonly encountered in this learning and memory paradigm, and then discuss how to categorize these behaviors and quantify the observed results. Combined with mouse genetics, this paradigm can be utilized as a behavioral platform to explore the anatomical underpinnings, physiological properties, and molecular mechanisms of learning and memory.

Persistent practice improves the precision of coordinated movements.&#160;Here we introduce a single-pellet reaching task, which is designed to assess the learning and memory of forelimb skill in mice.&#160;

Studie Motorik Lernen durch Einzel-Pellet Erreichen Aufgaben in Mäuse

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and ...

Forschung

Verhalten

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are deliberately planned, while others spontaneously occur below conscious awareness. The deliberate component of this dichotomy has been studied extensively in several contexts, while the spontaneous component remains largely under-explored. Moreover, how perceptual processes modulate these movement classes is still unclear. In particular, a currently debated issue is whether the visuomotor system is governed by the spatial percept produced by a visual illusion or whether it is not affected by the illusion and is governed instead by the veridical percept. Bistable percepts such as 3D depth inversion illusions (DIIs) provide an excellent context to study such interactions and balance, particularly when used in combination with reach-to-grasp movements. In this study, a methodology is developed that uses a DII to clarify the role of top-down processes on motor action, particularly exploring how reaches toward a target on a DII are affected in both deliberate and spontaneous movement domains.

It is unclear how top-down signals from the ventral visual stream affect movement. We developed a paradigm to test motor behavior towards a target on a 3D depth inversion illusion. Significant differences are reported in both deliberate, goal-directed movements and automatic actions under illusory and veridical viewing conditions.

Methoden, um den Einfluss von Top-down-Prozesse auf Visuelle Motor Verhalten erkunden

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are ...

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor learning and execution is of critical importance in order to understand the principles and processes that underlie motor function. Here we present a paradigm to study movement acquisition within a daily session of training (within-session) representing the fast learning component and primary acquisition as well as skilled motor learning over several training sessions (between-session) representing the slow learning component and consolidation of the learned task. This behavioral paradigm increases the degree of difficulty and complexity of the motor skill task due to two features: First, the animal realigns its body prior to each pellet retrieval forcing renewed orientation and preventing movement execution from the same angle. Second, pellets are grasped from a vertical post that matches the diameter of the pellet and is placed in front of the cage. This requires a precise grasp for successful pellet retrieval and thus prevents simple pulling of the pellet towards the animal. In combination with novel genetics, imaging and electrophysiological technologies, this behavioral method will aid to understand the morphological, anatomical and molecular underpinnings of motor learning and memory.

A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.

Erwerb eines Hochpräzise Skilled Vorderbein Erreichen Aufgabe in Ratten

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Using Virtual Reality to Transfer Motor Skill Knowledge from One Hand to Another

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by observation or passive movement of trainee&#39;s hands by a robotic device). This obviously presents a major challenge in the rehabilitation of a paretic limb since voluntary control of physical movement is limited. Here, we describe a novel training scheme we have developed that has the potential to circumvent this major challenge. We exploited the voluntary control of one hand and provided real-time movement-based manipulated sensory feedback as if the other hand is moving. Visual manipulation through virtual reality (VR) was combined with a device that yokes left-hand fingers to passively follow right-hand voluntary finger movements. In healthy subjects, we demonstrate enhanced within-session performance gains of a limb in the absence of voluntary physical training. Results in healthy subjects suggest that training with the unique VR setup might also be beneficial for patients with upper limb hemiparesis by exploiting the voluntary control of their healthy hand to improve rehabilitation of their affected hand.

We describe a novel virtual-reality based setup which exploits voluntary control of one hand to improve motor-skill performance in the other (non-trained) hand. This is achieved by providing real-time movement-based sensory feedback as if the non-trained hand is moving. This new approach may be used to enhance rehabilitation of patients with unilateral hemiparesis.

Verwendung von Virtual Reality motorischen Wissenstransfer aus einer Hand zur anderen

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

Drehknopf Supination Aufgabe: Eine halbautomatische Methode für die Beurteilung der Funktion der Vordergliedmaße bei Ratten

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

Ingenieurwesen

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Isokinetic Robotic Device zur Verbesserung der Test-Retest und Inter-Rater Zuverlässigkeit für Stretch Reflex Messungen bei Schlaganfall-Patienten mit Spastik

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Biotechnik

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries unique challenges in children. Similarly, transcranial direct current stimulation (tDCS) can improve motor learning in adults but has only recently been applied to children. The use of tDCS and emerging techniques like high&#8211;definition tDCS (HD-tDCS) require special methodological considerations in the developing brain. Robotic TMS motor mapping may confer unique advantages for mapping, particularly in the developing brain. Here, we aim to provide a practical, standardized approach for two integrated methods capable of simultaneously exploring motor cortex modulation and motor maps in children. First, we describe a protocol for robotic TMS motor mapping. Individualized, MRI-navigated 12x12 grids centered on the motor cortex guide a robot to administer single-pulse TMS. Mean motor evoked potential (MEP) amplitudes per grid point are used to generate 3D motor maps of individual hand muscles with outcomes including map area, volume, and center of gravity. Tools to measure safety and tolerability of both methods are also included. Second, we describe the application of both tDCS and HD-tDCS to modulate the motor cortex and motor learning. An experimental training paradigm and sample results are described. These methods will advance the application of non-invasive brain stimulation in children.

We demonstrate protocols for the modulation (tDCS, HD-tDCS) and mapping (robotic TMS) of the motor cortex in children.

Nicht-invasive Modulation und Robotik-Mapping von Motor Cortex im sich entwickelnden Gehirn

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

Neurowissenschaften

Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor control. However, it is unclear how conventional occupational training strategies can be applied to the use of rehabilitation robots. Novel robotic technologies and occupational therapy concepts are used to develop a protocol that allows patients with impaired upper limb function to grasp objects using their affected hand through a variety of pinching and grasping functions. To conduct this appropriately, we used five types of objects: a peg, a rectangular cube, a cube, a ball, and a cylindrical bar. We also equipped the patients with a robotic hand, the Mirror Hand, an exoskeleton&#160;hand that is fitted to the subject&#8217;s affected hand and follows the movement of the sensor glove fitted to their unaffected hand (bimanual movement training (BMT)). This study had two stages. Three healthy subjects were first recruited to test the feasibility and acceptability of the training program. Three patients with hand dysfunction caused by stroke were then recruited to confirm the feasibility and acceptability of the training program, which was conducted on 3 consecutive days. On each day, the patient was monitored during 5 min of movement in a passive range of motion, 5 min of robot-assisted bimanual movement, and task-oriented training using the five objects. The results showed that both healthy subjects and subjects who had suffered a stroke in conjunction with the robotic hand could successfully grasp the objects. Both healthy subjects and those who had suffered a stroke performed well with the robot-assisted task-oriented training program in terms of feasibility and acceptability.

This study reports the development of a novel robot-assisted task-oriented program for hand rehabilitation. The developmental process consists of experiments using both healthy subjects and subjects who have had a stroke and suffered from subsequent motor control dysfunction.

Entwicklung eines neuartigen aufgabenorientierten Rehabilitationsprogramms mit einer bimanualen Exoskelett-Roboterhand

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor ...

Medizin

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these tasks require sensory-motor integration and involve precise control of bilateral brain circuits. Implementing unimanual behavioral paradigms in animal models will improve the understanding of the contribution of brain structures, like the striatum, to complex motor behavior as it allows manipulation and recording of neural activity of specific nuclei in control conditions and disease during the performance of the task. 
Since its creation, optogenetics has been a dominant tool for interrogating the brain by enabling selective and targeted activation or inhibition of neuronal populations. The combination of optogenetics with behavioral assays sheds light on the underlying mechanisms of specific brain functions. Wireless head-mounted systems with miniaturized light-emitting diodes (LEDs) allow remote optogenetic control in an entirely free-moving animal. This avoids the limitations of a wired system being less restrictive for animals' behavior without compromising light emission efficiency. The current protocol combines a wireless optogenetics approach with high-speed videography in a unimanual dexterity task to dissect the contribution of specific neuronal populations to fine motor behavior.

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

The present protocol describes how to use wireless optogenetics combined with high-speed videography in a single pellet reach-to-grasp task to characterize the neural circuits involved in the performance of skilled motor behavior in freely moving mice.

Im lebenden Organismus Drahtlose optogenetische Steuerung des motorischen Verhaltens

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these ...