Ontwerp en gebruik van een apparaat voor het presenteren van grijpbare objecten in 3D-werkruimte
Summary
Hier wordt een protocol voorgesteld om een automatisch apparaat te bouwen dat een aap begeleidt om de flexibele REACH-to-grasp-taak uit te voeren. Het apparaat combineert een 3D translationeel apparaat en draaitafel om meerdere objecten in een willekeurige positie in de 3D-ruimte te presenteren.
Abstract
Bereiken en grijpen zijn sterk gekoppelde bewegingen en hun onderliggende neurale dynamiek is in de afgelopen tien jaar op grote schaal bestudeerd. Om het bereiken en grijpen van coderingen te onderscheiden, is het essentieel om verschillende object identiteiten te presenteren die onafhankelijk zijn van hun posities. Hier gepresenteerd is het ontwerp van een automatisch apparaat dat wordt geassembleerd met een draaitafel en driedimensionaal (3D) translationeel apparaat om dit doel te bereiken. De draaitafel schakelt verschillende objecten in die overeenkomen met verschillende soorten grip, terwijl het 3D translationeel apparaat de draaitafel in de 3D-ruimte transporteert. Beide worden onafhankelijk aangestuurd door motoren, zodat de doelpositie en het object willekeurig worden gecombineerd. Ondertussen worden het pols traject en de grip typen opgenomen via het motion capture-systeem en de aanraaksensoren. Bovendien, representatieve resultaten die aantonen succesvol getraind aap met behulp van dit systeem worden beschreven. Verwacht wordt dat dit apparaat onderzoekers zal helpen om kinematica, neurale principes en hersen-machine-interfaces met betrekking tot de bovenste ledematen functie te bestuderen.
Introduction
Verschillende toestellen zijn ontwikkeld om de neurale principes te bestuderen die de onderliggende beweging in niet-menselijke primaten bereiken en grijpen. Bij het bereiken van taken, touch screen1,2, schermcursor bestuurd door een joystick3,4,5,6,7, en Virtual Reality technologie8 , 9 , 10 zijn allemaal gebruikt om respectievelijk 2D-en 3D-doelen te presenteren. Om verschillende soorten grip te introduceren, werden anders gevormde objecten die in één positie zijn vastgezet of rond een as draaien, veel gebruikt in de grijp taken11,12,13. Een alternatief is om visuele aanwijzingen te gebruiken om onderwerpen te informeren om hetzelfde object te begrijpen met verschillende soorten grip14,15,16,17. Meer recentelijk zijn het bereiken en grijpen van bewegingen samen bestudeerd (d.w.z. onderwerpen bereiken meerdere posities en grijpen met verschillende soorten grip in een experimentele sessie)18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29. Vroege experimenten hebben objecten handmatig gepresenteerd, wat onvermijdelijk leidt tot lage tijd en ruimtelijke precisie20,21. Om de experimentele precisie te verbeteren en mankracht te besparen, worden automatische presentatie apparaten die worden bestuurd door Programma’s op grote schaal gebruikt. Om de doelpositie en het Grip type te variëren, hebben onderzoekers meerdere objecten tegelijk blootgelegd, maar de relatieve (of absolute) positie van doelen en de grip typen zijn aan elkaar gebonden, waardoor rigide vuur patronen door langdurige training worden veroorzaakt22 ,27,28. Objecten worden meestal gepresenteerd in een 2D-vlak, waardoor de diversiteit van het bereiken van beweging en neurale activiteit19,25,26wordt beperkt. Onlangs zijn Virtual Reality24 en robotarm23,29 geïntroduceerd om objecten in de 3D-ruimte te presenteren.
Hier zijn gedetailleerde protocollen voor het bouwen en gebruiken van een geautomatiseerd apparaat30 die elke combinatie van meerdere doel posities en grip typen in de 3D-ruimte kan bereiken. We ontwierpen een draaitafel om van objecten en 3D translationeel apparaat te wisselen om de draaitafel in de 3D-ruimte te vervoeren. Zowel de draaitafel als het translationeel apparaat worden aangestuurd door onafhankelijke motoren. Ondertussen wordt het 3D-traject van de pols-en neurale signalen van het onderwerp gelijktijdig tijdens het experiment geregistreerd. Het apparaat biedt een waardevol platform voor de studie van de bovenste ledematen functie in de rhesus Monkey.
Protocol
Representative Results
Discussion
De gedrags apparatuur die hier wordt beschreven, maakt een proefsgewijze combinatie mogelijk van verschillende bereiken en grijp bewegingen (d.w.z. dat de aap verschillend gevormde objecten kan grijpen in willekeurige 3D-locaties in elke proefperiode). Dit wordt bereikt door de combinatie van een aangepaste draaitabel die verschillende objecten en een lineair translationeel apparaat wisselt dat de draaitabel naar meerdere posities in de 3D-ruimte transporteert. Bovendien, de neurale signalen van de aap, traject van pols,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken de heer Shijiang Shen voor zijn advies over het ontwerp van apparaten en mevrouw Guihua Wang voor haar hulp bij dierenverzorging en-training. Dit werk werd gesteund door het National Key Research and Development Program van China (2017YFC1308501), de National Natural Science Foundation of China (31627802), de openbare projecten van de provincie Zhejiang (2016C33059), en de fundamentele onderzoeksfondsen voor de Centrale universiteiten.
Materials
| Active X-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 600 mm; Load, 25 kg |
| Active Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm, Load 35 kg |
| Active Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Bearing | Taobao.com | 6004-2RSH | Acrylic |
| Case | Custom mechanical processing | TT-C | Acrylic |
| Connecting ring | CCM Automation technology Inc., China | 57/60-W50 | |
| Connecting shaft | CCM Automation technology Inc., China | D12-700 | Diam., 12 mm;Length, 700 mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-12 | Inner diam., 12-12mm |
| Diaphragm coupling | CCM Automation technology Inc., China | CCM 12-14 | Inner diam., 14-12mm |
| Electric slip ring | Semring Inc., China | SNH020a-12 | Acrylic |
| Locating bar | Custom mechanical processing | TT-L | Acrylic |
| Motion capture system | Motion Analysis Corp. US | Eagle-2.36 | |
| Neural signal acquisition system | Blackrock Microsystems Corp. US | Cerebus | |
| NI DAQ device | National Instruments, US | USB-6341 | |
| Object | Custom mechanical processing | TT-O | Acrylic |
| Passive Y-rail | CCM Automation technology Inc., China | W60-35 | Effective travel, 300 mm; Load 35 kg |
| Passive Z-rail | CCM Automation technology Inc., China | W50-25 | Effective travel, 500 mm; Load 25 kg |
| Pedestal | CCM Automation technology Inc., China | 80-W60 | |
| Peristaltic pump | Longer Inc., China | BT100-1L | |
| Planetary gearhead | CCM Automation technology Inc., China | PLF60-5 | Flange, 60×60 mm; Reduction ratio, 1:5 |
| Right triangle frame | CCM Automation technology Inc., China | 290-300 | |
| Rotator | Custom mechanical processing | TT-R | Acrylic |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01930 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.91 N·m; for Y- and Z-rail |
| Servo motor | Yifeng Inc., China | 60ST-M01330 | Flange, 60×60 mm; Torque, 1.27 N·m; for X-rail |
| Shaft | Custom mechanical processing | TT-S | Acrylic |
| Stepping motor | Taobao.com | 86HBS120 | Flange, 86×86 mm; Torque, 1.27 N·m; Driving turning table |
| Touch sensor | Taobao.com | CM-12X-5V | |
| Tricolor LED | Taobao.com | CK017, RGB | |
| T-shaped connecting board | CCM Automation technology Inc., China | 110-120 |
References
- Leone, F. T., Monaco, S., Henriques, D. Y., Toni, I., Medendorp, W. P. Flexible Reference Frames for Grasp Planning in Human Parietofrontal Cortex. eNeuro. 2 (3), (2015).
- Caminiti, R., et al. Early coding of reaching: frontal and parietal association connections of parieto-occipital cortex. European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3339-3345 (1999).
- Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233 (4771), 1416-1419 (1986).
- Fu, Q. G., Flament, D., Coltz, J. D., Ebner, T. J. Temporal encoding of movement kinematics in the discharge of primate primary motor and premotor neurons. Journal of Neurophysiology. 73 (2), 836-854 (1995).
- Moran, D. W., Schwartz, A. B. Motor cortical representation of speed and direction during reaching. Journal of Neurophysiology. 82 (5), 2676-2692 (1999).
- Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biology. 1 (2), E42 (2003).
- Li, H., et al. Prior Knowledge of Target Direction and Intended Movement Selection Improves Indirect Reaching Movement Decoding. Behavioral Neurology. , 2182843 (2017).
- Reina, G. A., Moran, D. W., Schwartz, A. B. On the relationship between joint angular velocity and motor cortical discharge during reaching. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2576-2589 (2001).
- Taylor, D. M., Tillery, S. I., Schwartz, A. B. Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science. 296 (5574), 1829-1832 (2002).
- Wang, W., Chan, S. S., Heldman, D. A., Moran, D. W. Motor cortical representation of hand translation and rotation during reaching. Journal of Neuroscience. 30 (3), 958-962 (2010).
- Murata, A., Gallese, V., Luppino, G., Kaseda, M., Sakata, H. Selectivity for the shape, size, and orientation of objects for grasping in neurons of monkey parietal area AIP. Journal of Neurophysiology. 83 (5), 2580-2601 (2000).
- Raos, V., Umiltá, M. A., Murata, A., Fogassi, L., Gallese, V. Functional Properties of Grasping-Related Neurons in the Ventral Premotor Area F5 of the Macaque Monkey. Journal of Neurophysiology. 95 (2), 709 (2006).
- Schaffelhofer, S., Scherberger, H. Object vision to hand action in macaque parietal, premotor, and motor cortices. eLife. 5, (2016).
- Baumann, M. A., Fluet, M. C., Scherberger, H. Context-specific grasp movement representation in the macaque anterior intraparietal area. Journal of Neuroscience. 29 (20), 6436-6448 (2009).
- Riehle, A., Wirtssohn, S., Grun, S., Brochier, T. Mapping the spatio-temporal structure of motor cortical LFP and spiking activities during reach-to-grasp movements. Frontiers in Neural Circuits. 7, 48 (2013).
- Michaels, J. A., Scherberger, H. Population coding of grasp and laterality-related information in the macaque fronto-parietal network. Scientific Reports. 8 (1), 1710 (2018).
- Fattori, P., et al. Hand orientation during reach-to-grasp movements modulates neuronal activity in the medial posterior parietal area V6A. Journal of Neuroscience. 29 (6), 1928-1936 (2009).
- Asher, I., Stark, E., Abeles, M., Prut, Y. Comparison of direction and object selectivity of local field potentials and single units in macaque posterior parietal cortex during prehension. Journal of Neurophysiology. 97 (5), 3684-3695 (2007).
- Stark, E., Asher, I., Abeles, M. Encoding of reach and grasp by single neurons in premotor cortex is independent of recording site. Journal of Neurophysiology. 97 (5), 3351-3364 (2007).
- Velliste, M., Perel, S., Spalding, M. C., Whitford, A. S., Schwartz, A. B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature. 453 (7198), 1098-1101 (2008).
- Vargas-Irwin, C. E., et al. Decoding complete reach and grasp actions from local primary motor cortex populations. Journal of Neuroscience. 30 (29), 9659-9669 (2010).
- Mollazadeh, M., et al. Spatiotemporal variation of multiple neurophysiological signals in the primary motor cortex during dexterous reach-to-grasp movements. Journal of Neuroscience. 31 (43), 15531-15543 (2011).
- Saleh, M., Takahashi, K., Hatsopoulos, N. G. Encoding of coordinated reach and grasp trajectories in primary motor cortex. Journal of Neuroscience. 32 (4), 1220-1232 (2012).
- Collinger, J. L., et al. High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. 381 (9866), 557-564 (2013).
- Lehmann, S. J., Scherberger, H. Reach and gaze representations in macaque parietal and premotor grasp areas. Journal of Neuroscience. 33 (16), 7038-7049 (2013).
- Rouse, A. G., Schieber, M. H. Spatiotemporal distribution of location and object effects in reach-to-grasp kinematics. Journal of Neuroscience. 114 (6), 3268-3282 (2015).
- Rouse, A. G., Schieber, M. H. Spatiotemporal Distribution of Location and Object effects in Primary Motor Cortex Neurons during Reach-to-Grasp. Journal of Neuroscience. 36 (41), 10640-10653 (2016).
- Hao, Y., et al. Neural synergies for controlling reach and grasp movement in macaques. Neuroscience. 357, 372-383 (2017).
- Takahashi, K., et al. Encoding of Both Reaching and Grasping Kinematics in Dorsal and Ventral Premotor Cortices. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1733-1746 (2017).
- Chen, J., et al. An automated behavioral apparatus to combine parameterized reaching and grasping movements in 3D space. Journal of Neuroscience Methods. 312, 139-147 (2019).
- Zhang, Q., et al. Development of an invasive brain-machine interface with a monkey model. Chinese Science Bulletin. 57 (16), 2036 (2012).
- Hao, Y., et al. Distinct neural patterns enable grasp types decoding in monkey dorsal premotor cortex. Journal of Neural Engineering. 11 (6), 066011 (2014).
