Lecture Notes in Computer Science


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet81/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   ...   77   78   79   80   81   82   83   84   ...   88

Fig. 4. Variation of the mean errors(J

1

 and J



2

) and AIC values: (a)mean error J

1

; (b) mean error 



J

2

; (c) AIC values 



 

 

0



-50

1

2



3

4

o



oo

Layer


AIC

5

6



7

8

9



10 

ooo


ooo

ooo


ooo

ooo


ooo

 

oo



o

oo

oo



o

o

(c) 



 

Nonlinear Pattern Identification by Multi-layered GMDH-Type Neural Network 

889 

Table 1. Errors of GMDH-type neural network and the GMDH 

Estimation Error 

Prediction Error 

Data    Actual  GMDH-NN  GMDH 

No.    value      (Error)         (Error) 

Data   Actual    GMDH-NN  GMDH 

No.    value        (Error)        (Error) 

1          0.1        0.0000      -0.0069                  9      

 

  0.9        -0.0069      -0.1533 



2       

 

  0.9       -0.0020      -0.0127            



 

 

 



  10   

 

  



 

  0.9         0.0011       0.0832 

3       

 

  0.1        0.0000      -0.0067             



 

   11        0.1         0.0001       0.0212 

4     

 

    0.9        0.0012       0.0842                 12        0.9        -0.0057   



 

  -0.2594 

5       

 

  0.1        0.0002       0.0513        



 

        13      

 

  0.1         0.0000   



  

  -0.0068 

6      

 

   0.1        0.0000      -0.0069              



 

  14    


    

  0.1         0.0000      -0.0068 

7    

 

 



 

 

  



 0.9      

 

 0.0007    



 

  -0.0955            

  

   15    



 

 

  



  0.1     

 

   0.0000      -0.0059 



8      

 

   0.1      



 

 0.0000    

  

 -0.0067             



 

 

  



 16    

 

  



 

 0.1   


   

  

 



  0.0000      -0.0069 

Maximum Error -0.0020      -0.0955            Maximum Error    -0.0069      -0.2595 

J

1

(Mean Error)    



 

0.0005       0.0339              J

2

(Mean Error)      0.0017       0.0679 



Prediction Accuracy. The prediction accuracy was evaluated by using the following 

equation. 

                         

=



=

16



9

*

2



8

|

|



i

i

i

J

φ

φ



                                                      (21)

 

where 


φ

(i=9,10,…,16)  were the actual values at the prediction points and 



φ

i

*



 

(i=9,10,…,16) were the predicted values of 

φ

i

 by the GMDH-type neural network. 



Figure 4(b) shows the variation of J

in each layer. From this figure, we can see that 



the values of J

2 

were decreased gradually and converged at the tenth layer. The predic-

tion error obtained by the GMDH-type neural network is shown in Table 1. From this 

table, the maximum prediction error is -0.0069 and so we can see that the prediction 

errors are very small and the GMDH-type neural network has good generalization 

ability. 

4.2   Identification Results Obtained Using the GMDH 

The same input variables as the GMDH-type neural network, which are the x, y and z 

co-ordinates, are used. The number of input variables is three. Three intermediate 

variables are selected in each layer. The optimum partial polynomials are automati-

cally selected using the prediction error criterion defined as AIC. The calculation of 

the GMDH was terminated in the tenth layer. The estimation accuracy was evaluated 

by Eq.(20). The variation of J

1 

in each layer is shown in Fig.4(a). The estimation  

errors obtained using GMDH are shown in Table 1. The prediction accuracy was 

evaluated by using Eq.(21). The variation of J

in each layer is shown in Fig 4(b). The 



prediction errors obtained by the GMDH is shown in Table 1. We can see that the 

estimation and prediction errors are greater than those of the GMDH-type neural  

network. 

4.3   Identification Results Obtained Using the Conventional Neural Network 

The nonlinear pattern was identified by using the conventional neural network. The  

x, y and z co-ordinates are used as the input variables of the conventional neural  


890 T. 

Kondo 


network. The number of input variables is three. The neural network has three layered 

architecture. The conventional neural network has not the ability of self-selecting 

optimum neural network architecture. The numbers of the neurons in the hidden layer 

were set to 5, 10, 15 and 20. The identification accuracy was checked for each neural 

network architectures. The weights of the neural network are learned using the back 

propagation algorithm. The learning of the weights are repeated 10,000 times per each 

point. The estimation accuracy was evaluated by using Eq.(20) and shown in Table 2.The 

prediction accuracy was evaluated by using Eq.(21) and shown in Table 2. 



Table 2. Estimation and prediction accuracy of the conventional neural network 

   Mean Error             Number of neurons in hidden layer 

                                 5                 10               15               20 

J

1



            0.0118         0.0118        0.0118        0.0133 

J

2



            0.0358         0.0385        0.0435        0.0444 

4.4   Companion of the Identification Results 

In both the GMDH-type neural network and the GMDH algorithm, the estimation and 

prediction errors were decreased gradually and converged at the tenth layer. Table 3 

shows the comparison between the GMDH-type neural network, the GMDH and the 

conventional neural network in the estimation and prediction accuracy. The GMDH-

type neural network is most accurate in three networks both the estimation and predic-

tion accuracy and the maximum values of the estimation and prediction errors of the 

GMDH-type neural network are very small compared with the GMDH and the con-

ventional neural network. So we can see that the GMDH-type neural network is very 

accurate identification method and they have a good generalization ability. 



Table 3. Comparison of the GMDH-type neural network, the GMDH and the conventional 

neural network 

Error                   GMDH-NN      GMDH        NN 

Estimation   J

1

(Mean Error)            0.0005          0.0339       0.0118 



                  Maximum Error           -0.0020         -0.0955     -0.0258 

Prediction    J

2

(Mean Error)            0.0017          0.0679       0.0358 



                  Maximum Error           -0.0069         -0.2595     -0.0751 

5   Conclusion 

The GMDH-type neural network can automatically organize the optimal neural net-

work architecture using the heuristic self-organization method. The optimum neural 

network architectures is automatically organized using the neurons whose architec-

tures are selected from three kinds of neuron architectures so as to minimize AIC. 

Therefore, it is very easy to apply this algorithm to the identification problems of the 

practical complex systems.  


 

Nonlinear Pattern Identification by Multi-layered GMDH-Type Neural Network 

891 

In this paper, the GMDH neural network was applied to the identification problem 



of the nonlinear pattern. The GMDH-type neural network was compared with the 

GMDH and the conventional neural network. It was shown that the GMDH-type 

neural network was accurate and very useful for the nonlinear pattern identification. 

References 

1.  Farlow, S.J. (ed.): Self-organizing Methods in Modeling, GMDH-type Algorithms. Marcel 

Dekker, Inc., New York (1984) 

2.  Ivakhnenko, A.G.: Heuristic self-organization in problems of engineering cybernetics. 

Automatica 6(2), 207–219 (1970) 

3.  Kondo, T., Pandya, A.S., Zurada, J.M.: GMDH-type Neural Networks and their Application 

to the Medical Image Recognition of the lungs. In: Proceedings of the 38th SICE Annual 

Conference International Session Papers, pp. 1181–1186 (1999) 

4.  Kondo, T., Pandya, A.S.: GMDH-type Neural Networks with Radial Basis Functions and 

their Application to Medical Image Recognition of the Brain. In: Proceedings of the 39th 

SICE Annual Conference International Session Papers, vol. 331A-2, pp. 1–6 (2000) 

5.  Akaike, H.: A new look at the statistical model identification. IEEE Trans. Automatic Con-

trol AC-19(6), 716–723 (1974) 

6.  Tamura, H., Kondo, T.: Heuristics free group method of data handling algorithm of generat-

ing optimal partial polynomials with application to air pollution prediction. INT. J. SYS-

TEMS SCI. 11(9), 1095–1111 (1980) 

7.  Draper, N.R., Smith, H.: Applied Regression Analysis. John Wiley and Sons, New York 

(1981) 


Coordinated Control of Reaching and Grasping

During Prehension Movement

Masazumi Katayama and Hirokazu Katayama

Department of Human and Artificial Intelligent Systems,

University of Fukui, Japan

katayama@h.his.fukui-u.ac.jp

Abstract. In this paper, we investigate coordinated control of human

reaching and grasping during the prehension movements. The interac-

tion between reaching and grasping has been investigated by using vi-

sual perturbations that unexpectedly change size or position of an object

when executing the movement. Those studies have reported that both

of reaching and grasping interact each other. However, the interaction

may include some properties in visual information processing for physical

properties of an target object. Thus, the interaction should be examined

without the visual perturbations because the detail of the interaction

between reaching and grasping is still unclear. From this point of view,

the influence from reaching to grasping have been directly investigated

by using mechanical perturbations. While, the influence from grasping to

reaching have never been examined. In this study, we examined the influ-

ence that grasping affects reaching by giving mechanical perturbations

to the finger tips during the movement. As a result, we found that hu-

mans adjust the speed of reaching based on the changes in grasping per-

turbed by the mechanical perturbations. Moreover, both the movement

times of grasping and reaching are highly correlated even when grasp-

ing was perturbed by the perturbations. Consequently, we confirmed the

temporally-coordinated adjustment from grasping to reaching during the

prehension movement. This result indicates that the previously proposed

control schemes can not explain our findings. This finding is quite im-

portant for building a computational model of the coordinated control

of human reaching and grasping.

Keywords: Human Coordinated Control, Reaching, Grasping, Prehen-

sion Movement.

1

Introduction



We skillfully manipulate various tools with our own arm and hand in daily life.

In the arm and hand movements, the prehension movement when reaching out

a hand to an object plays an important role in order to achieve skillful object

manipulation. From this point of view, a lot of researchers have investigated for

coordinated control mechanisms between reaching and grasping during the move-

ment. For example, Jeannerod [1] observed “preshaping” from the viewpoint in

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 892–901, 2008.

c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008



Coordinated Control of Reaching and Grasping

893


behavioral psychology, that we gradually generate a hand shape to grasp before

our hand reaches a target object. From this observation, Arbib [2] have proposed

a control scheme which explains the preshaping. The scheme makes the basic as-

sumptions that each control of reaching and grasping is executed independently

and in parallel, and also the synchronization signal to start grasping an object is

sent from the control system of reaching to the control system of grasping. The

biological plausibility of the scheme have been investigated by abruptly changing

position or size of an object, that is a visual perturbation (e.g., [3,4,5,6,7,8,9]).

For instance, Paulignan et al. [3] and Gentilucci et al. [4] examined the influ-

ence from reaching to grasping by unexpectedly changing object position. They

have reported that the changing affects drastically not only reaching but also

grasping during the movement, and grasping temporally and spatially changes

depending on changes in reaching. On the other hand, Paulignan et al. [5] exam-

ined the influence from grasping to reaching by unexpectedly changing object

size when executing the movement. They have reported that the unpredictable

perturbation affects reaching.

As a consequence, for the prehension movement, reaching affects largely grasp-

ing and grasping affects also reaching slightly. Therefore, although the Arbib’s

scheme seems to be plausible, strictly speaking, these results reject the Arbib’s

hypothesis. However, some researchers have reported that the influence from

grasping to reaching during the movement is negligible small. Thus, the influ-

ence from grasping to reaching is quite different for each measurement condition.

These complicated results indicate that it is really difficult to generate pure vi-

sual perturbations that directly affect one control mechanism and that do not

affect the other, by using the visual perturbations. This is because these results

include the influence of the visual information processing for object size that is

unexpectedly changed when executing the movement. Thus, these studies with

visual perturbations did not investigate directly the coordinated control mecha-

nism of grasping and reaching during the movement. The detail of the influence

remains to be still unclear. Therefore, we emphasize that the coordinated control

mechanism should be investigated directly without visual manipulation.

From the above points of view, Haggard and Wing [10] examined the influ-

ence from reaching to grasping by giving mechanical perturbations to subject’s

arm when executing the prehension movement. They have reported that pull-

perturbations produce temporal reversals of grip aperture. These results clearly

show that there is a temporal and spacial influence from reaching to grasping.

However, the influence from grasping to reaching have never been investigated by

using physical perturbations. Therefore, in this study, we investigate directly the

influence by giving mechanical perturbations to the finger tips when executing

the movement.

2

Measurement Experiments



Five right-handed subjects (males, 22 - 24 years old) participated in the present

experiments. They were completely naive with regard to its specific purpose.



894

M. Katayama and H. Katayama

PHANToM

OPTOTRAK


 Marker

Object


Fig. 1. Experimental environment

PHANToM1


PHANToM2

Object


Start position

30[cm]


10[cm]

15[cm]


20[cm]

25[cm]


Fig. 2. Each position of mechanical

perturbations given to the finger tips

Before measurement experiments, we instructed the subjects to give unpre-

dictable perturbations to both the finger tips when executing the movement.

They were given informed consent to the current experiment.

In order to give mechanical perturbations to both the finger tips of thumb and

index finger when executing the prehension movement, we built a measurement

system that examines the influence from grasping to reaching (see Fig. 1). This

measurement system consists of two haptic interface devices (PHANToM 151AG,

SensAble Technologies Inc.) and a three dimensional motion measurement device

(OPTOTRAK 3020, Northern Digital Inc.).

A movement task in this study was to reach toward an object, to grasp it and

to lift up it. The movement distance was 30 [cm] as shown in Fig. 2. The target

object to grasp was a cylinder that is placed at the position of 30 [cm] from the

start position. The height of the object was 10 [cm] and the diameter is 3.3 [cm].

Each subject was seated in a dark room. Each gimbal of two haptic interface

devices was attached to each finger tip and an infrared maker of the motion mea-

surement device was attached to subject’s wrist joint. The haptic interface devices

was used to give mechanical perturbations to both the finger tips when executing

the prehension movement and moreover were used to measure movement trajecto-

ries of both the finger tips at sampling frequency 1[kHz]. The motion measurement

device was used to measure wrist-joint trajectories at 500 [Hz].

The mechanical perturbations given to the finger tips were selected so as to

reduce the influence that the perturbation directly affects reaching movements,

by testing various amplitudes and directions of external force as a perturbation.

The amplitude was 2 [N], the duration was for 0.1 [sec] and these perturbations

were given at each position of 10, 15, 20 or 25 [cm] from the start position at

random and at a rate of 30 [%] of the total trials . Moreover, the direction of

the perturbations were two types that grip aperture of the finger tips opened or


Coordinated Control of Reaching and Grasping

895


closed. In this experiment, 400 trials were measured and the perturbations were

given for 120 trials within the whole trials.

The prehension movements were measured under the two conditions:

Normal condition. Subjects perform the above task.

Without grasping. Subjects only reach to the position of the object and do

not grasp the object. The objective of this condition is to examine the influ-

ence that the perturbations may directly affect reaching.

Subject repeated the task for ten minutes so as to execute the movements

at almost constant movement time before the measurement experiment. The

measurement procedure was as follows:

1. The right hand of subject was placed at the start position in front of the

body.


2. After a beep, subject started the movement task. After the object was lifted

up, the subject maintained his arm posture.

3. After a beep, the right hand was returned to the start position again.

3

Results



3.1

Movement Time of Grasping and Reaching

Measured data were filtered with a second-order Butterworth dual pass filter

(cutoff frequency: 15 [Hz]). A few data out of

±3σ and the few trials that failed

to grasp the object were excepted in the below analysis. We show the typical

results or the average of all subjects below because the results of all subjects

have similar characteristics,

Figs. 3(a) and 3(b) show the paths of the finger tips of thumb and index fin-

ger and the paths of wrist-joint, respectively. Figs. 3(c) and 3(d) show the grip

aperture that is the distance between both the finger tips and the velocity of

wrist-joint trajectory, respectively. In these figures, N expresses the condition of

unperturbed trials. C

i

and O



i

express the types of the perturbation that grip

aperture closes or opens, respectively. i expresses each position of the pertur-

bations: 1, 2, 3 and 4 correspond to 10, 15, 20 and 25 [cm], respectively (see

Fig. 2). In the below analysis, we defined each movement time of grasping and

reaching. The start time of grasping is when tangential velocity of the center

between the finger tips becomes larger than a threshold, 0.01 [m/sec], and the

finish time is when the rate of grip aperture becomes smaller than 0.05 [m/sec].

For the condition without grasping, the finish time is when the center position

of the finger tips reaches to the target object. For reaching, the start time is the

same as timing of grasping and the finish time is when the velocity of wrist-joint

becomes smaller than 0.01 [m/sec].

Grasping movements. Each spatial path of the finger tips is drastically per-

turbed by the external forces, as shown in Fig. 3(a). For the unperturbed case

(solid line) of Fig. 3(c), the grip aperture increases gradually from about 0.2


896

M. Katayama and H. Katayama

-0.2

-0.15


-0.1

-0.05


 0

 0.05


 0.1

 0.15


 0.2

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05

 0

 0.05  0.1  0.15  0.2



y           [m]

x           [m]

N

C1

O1



C2

O2

C3



O3

C4

O4



(a) Paths of the finger tips

-0.3


-0.25

-0.2


-0.15

-0.1


-0.05

 0

 0.05



 0.1

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05

 0

 0.05  0.1  0.15  0.2



y           [m]

x           [m]

N

C1

O1



C2

O2

C3



O3

C4

O4



(b) Paths of the wrist joint

 0

 0.02



 0.04

 0.06


 0.08

 0.1


 0.12

 0

 0.2



 0.4

 0.6


 0.8

 1

 1.2



 1.4

Grip aperture     [m]

Time     [sec]

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

(c) Grip apertures

-0.2

 0

 0.2



 0.4

 0.6


 0.8

 1

 0



 0.2

 0.4


 0.6

 0.8


 1

 1.2


 1.4

Wrist velocity    [m/sec]

Time     [sec]

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

(d) Velocity of reaching (wrist-joint)

Fig. 3. Paths and trajectories of reaching and grasping when perturbing to the finger

tips for a typical subject (TA) for the normal condition (solid line: average of unper-

turbed trails, the other lines: average of perturbed trails at each condition)

[sec] after movement onset and becomes the maximum value at about 0.5 [sec].

The grasping movements finish at about 0.8 [sec]. For the perturbed cases (dot-

ted and dashed lines) of Fig. 3(c), although the grip apertures are drastically

increased or decreased by the external forces, the perturbed movements tend to

return to the same profile as the unperturbed profile except for the conditions

of C

i

. The finish time of grasping for C



i

lags behind the other conditions and

especially grip aperture of C

4

changes drastically.



The movement times of grasping are shown in Fig. 4(a). The movement times

of grasping perturbed by the external forces of O

i

are almost the same as those



of unperturbed grasping. While, the movement times for C

i

change in the latter



half of the movement and especially the movement times of C

3

and C



4

for all


the subjects are significantly different with respect to the control group (N).

Reaching movements. The spatial paths of the wrist joint under all the con-

ditions are almost straight, and these paths are invariant, as shown in Fig. 3(b).

It seems that reaching is not affected by the perturbations because their pro-

files are almost invariant even when the finger tips are perturbed. These results

indicate that the Arbib’s hypothesis may be plausible. However, as shown in

Fig. 3(d), the velocities are slightly different for each condition at the latter half


Coordinated Control of Reaching and Grasping

897


 0.6

 0.8


 1

 1.2


 1.4

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

Movement time      [sec]

Measurement conditions

**

**



ns

ns

ns



ns

ns

ns



(a) Grasping

 0.6


 0.8

 1

 1.2



 1.4

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

Movement time      [sec]

Measurement conditions

*

**



ns

ns

ns



ns

ns

ns



(b) Reaching

Fig. 4. Averaged movement times in the normal condition for all subjects (Dunnet

multiple comparison with respect to the control group (N), **: p < 0.01, *: 0.01

p < 0.05, ns: not significant, and vertical bars express standard deviation of movement



times)

Table 1. Averaged movement times in the normal condition for all subjects. Upper

values are movement times [sec], middle values are standard deviations [sec], bottom

descriptions are the results of Dunnet multiple comparison with respect to the control

group, N, (**: p < 0.01, *: 0.01

≤ p < 0.05, ns: not significant).

Conditions

N

C



1

O

1



C

2

O



2

C

3



O

3

C



4

O

4



Grasping 0.811 0.829 0.833 0.847 0.809 0.859 0.815 0.934 0.826

0.111 0.130 0.123 0.127 0.113 0.118 0.122 0.124 0.127

—–

ns

ns



ns

ns

**



ns

**

ns



Reaching 0.862 0.877 0.889 0.897 0.860 0.904 0.861 0.999 0.876

0.131 0.146 0.138 0.147 0.127 0.145 0.141 0.153 0.144

—–

ns

ns



ns

ns

*



ns

**

ns



of movement. The finish time of reaching for C

i

lags behind the other condi-



tions and especially the velocity of C

4

changes drastically. Therefore, perturbed



grasping may affect reaching during the prehension movement.

Fig. 4(b) shows the movement times of reaching for each condition. The move-

ment times of O

i

are not significantly different with respect to those of N. Reach-



ing for C

i

changes in the latter half of the movement as shown in Figs. 3(d),



and especially the movement times of C

3

and C



4

for all subjects are significantly

different with respect to the control group (N).

Relationship between grasping and reaching. As described in the above

sections, both the movement times of grasping and reaching have the similar

characteristics. Fig. 5 shows a relationship between both the movement times

for all the conditions. Moreover, Table 2 shows the correlation coefficients be-

tween both the movement times. Both the movement times are highly correlated.

These results show that the movement time of reaching is accurately adjusted

depending on the changes in the movement time of grasping. Thus, in human

motor control for reaching and grasping, there is a temporal coordination from


898

M. Katayama and H. Katayama

 0.7

 0.8


 0.9

 1.0


 1.1

 0.7


 0.8

 0.9


 1.0

 1.1


Movement time of reaching     [sec]

Movement time of grasping     [sec]

(a) A typical subject (TA)

 0.4


 0.6

 0.8


 1.0

 1.2


 1.4

 0.4


 0.6

 0.8


 1.0

 1.2


 1.4

Movement time of reaching     [sec]

Movement time of grasping     [sec]

(b) All subjects

Fig. 5. Linear relation between both the movement times of grasping and reaching

Table 2. Correlation coefficient between both the movement times of grasping and

reaching

Subjects


TA

DN

YI



KO

TN

Average



Correlation coefficients

0.86


0.92

0.92


0.82

0.83


0. 87

grasping to reaching. This finding is really important because computational

models proposed previously do not include the adjustment.

3.2


Reaching without Grasping an Object

As described in Section 2, the mechanical perturbations given to the finger tips

might directly cause the changes of the movement times of reaching. In this

experiment, the perturbations were selected so as to reduce the influence that

the perturbation directly affects the motor behavior of reaching. Moreover, in

order to confirm whether the influence is negligible small or not, we measured

the movement times for reaching without grasping although the perturbations

are given to the finger tips at the same conditions as the above experiments. If

the perturbations directly affect motor behavior of reaching, the movement time

of reaching should be changed even in this condition without grasping.

Figs. 6(a) and 6(b) show the grip aperture that is the distance between both

the finger tips and the velocity of wrist-joint trajectory, respectively. Although

these perturbed grip apertures change drastically, the velocities of wrist-joint

are almost invariant for all the conditions. The movement times for all subjects

are shown in Fig. 7. As a result, the influence is negligible small because all

the movement times of each condition are not significantly different. Thus, we

ascertained that the mechanical perturbations given to the finger tips do not

cause directly the changes of the movement times of reaching. Here, we would like

to emphasize again that the movement-time adjustment of reaching described

in the above sections is performed by a coordinated control mechanism for the

prehension movement.


Coordinated Control of Reaching and Grasping

899


 0

 0.02


 0.04

 0.06


 0.08

 0.1


 0.12

 0

 0.2



 0.4

 0.6


 0.8

 1

 1.2



 1.4

Grip aperture     [m]

Time     [sec]

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

(a) Grip apertures

-0.2

 0

 0.2



 0.4

 0.6


 0.8

 1

 0



 0.2

 0.4


 0.6

 0.8


 1

 1.2


 1.4

Wrist velocity    [m/sec]

Time     [sec]

N

C1



O1

C2

O2



C3

O3

C4



O4

(b) Velocity of reaching (wrist-joint)

Fig. 6. Paths and trajectories of reaching and grasping for a typical subject (TA)

without grasping an object (solid line: average of unperturbed trails, the other lines:

average of perturbed trails at each condition)

 0.4


 0.6

 0.8


 1

 1.2


N

C1

O1



C2

O2

C3



O3

C4

O4



Movement time      [sec]

Measurement conditions

ns

ns

ns



ns

ns

ns



ns

ns

(a) Grasping



 0.4

 0.6


 0.8

 1

 1.2



N

C1

O1



C2

O2

C3



O3

C4

O4



Movement time      [sec]

Measurement conditions

ns

ns

ns



ns

ns

ns



ns

ns

(b) Reaching



Fig. 7. Movement times of grasping and reaching for all subjects without grasping an

object (Dunnet multiple comparison with respect to the control group (N), ns: not

significant, and vertical bars express standard deviation of movement times)

Table 3. Averaged movement times of reaching for all subjects without grasping an

object (upper values are movement times [sec], middle values are standard deviations

[sec], bottom descriptions are the results of Dunnet multiple comparison with respect

to the control group (N), ns: not significant)

Conditions

N

C

1



O

1

C



2

O

2



C

3

O



3

C

4



O

4

Grasping



0.693 0.703 0.657 0.681 0.676 0.703 0.684 0.708 0.688

0.193 0.187 0.184 0.194 0.200 0.192 0.177 0.203 0.191

—–

ns

ns



ns

ns

ns



ns

ns

ns



Reaching

0.777 0.787 0.744 0.765 0.768 0.792 0.783 0.795 0.785

0.146 0.134 0.133 0.137 0.155 0.151 0.146 0.169 0.155

—–

ns



ns

ns

ns



ns

ns

ns



ns

900

M. Katayama and H. Katayama

4

Discussion



4.1

Coordinated Mechanism between Reaching and Grasping

Haggard et al. [10] examined the detail of the influence from reaching to grasping

by giving mechanical perturbations to subject’s arm when executing the prehen-

sion movements. These results clearly show that grasping is skillfully adjusted

depending on reaching. In this study, by using mechanical perturbations to the

finger tips when executing the movement, we directly investigated the influence

from grasping to reaching. As a result, we found the temporal adjustment that

the movement time of reaching is accurately adjusted so as to fit to the timing

when grasping finishes because both of the movement times are highly correlated.

There are two possibilities to explain the temporal adjustment: automatic

adjustment such as a spinal reflex and voluntary adjustment with a trans-cortical

loop. Moreover, the adjustment may be affected by learning effect through the

iterative trials of the movement task. In this experiment, it seems that there

is no remarkable learning effect, although the variance of the movements in the

beginning of the trials are relatively large. However, there were some failure trials

in grasping for only C

i

, although there was no failure for O



i

. It seems that the

lengthened duration of movement time of reaching depends on the number of the

trials that subject failed to grasp the object. From this observation, the temporal

adjustment may be caused by voluntary adjustment and/or its learning. Thus,

there is a possibility that in the human brain the movement time of reaching

is planned by an internal simulation of the movement that grasps an object.

Moreover, the movement time of reaching may be adjusted automatically. The

adjustment can be investigated by detecting the duration between the timing

of the perturbation and the time when reaching is adjusted. From this point of

view, we would like to investigate the temporal adjustment mechanism.

4.2


Biological Plausibility of Computational Models

From computational point of view, computational models that explain the coor-

dinated control mechanism between reaching and grasping during the prehension

movement have been proposed [10,11,12]. For example, Haggard et al. [10] have

proposed a simple computational model with automatic adjustment that reach-

ing and grasping are coupled strongly . Moreover, base on the Arbib’s scheme,

Hoff and Arbib [11] have built a computational model that independently calcu-

lated each trajectory of reaching and grasping and the Hoff-Arbib model explains

motor behavior for unpredictable changing of object position and size and for the

speed-accuracy trade-off. Bullock et al. have proposed a computational model

based on the VITE model (see [12]). However, those computational models are

not plausible biologically because those models do not include the temporal ad-

justment that grasping affects reaching during the movement. Therefore, those

computational models should be extended so as to explain the temporal adjust-

ment we found.


Coordinated Control of Reaching and Grasping

901


5

Conclusion

In this paper, by giving the mechanical perturbations to the finger tips when

executing the prehension movement, we examined the influence from grasping to

reaching in order to investigate the coordinated control system of human reaching

and grasping movements. As a result, we found the temporal adjustment that the

movement time of reaching is accurately adjusted so as to fit to the timing when

grasping finishes because both of the movement times are highly correlated. This

finding is really important for building a computational model of coordinated

control of human reaching and grasping.

References

1. Jeannerod, M.: Intersegmental coordination during reaching at natural visual ob-

jects. In: Long, J., Baddeley, A. (eds.) Attention and Performance IX, pp. 153–168.

ErIbaum, Hillsdale, Nj (1981)

2. Arbib, M., Iberall, T., Lyons, D.: Coodinated control programs for control of the

hands. Experimental Brain Research, Supplement 10, 111–129 (1985)

3. Paulignan, Y., MacKenzie, C.L., Marteniuk, R.G., Jeannerod, M.: Selective per-

turbation of visual input during prehension movements. 1. the effects of changing

object position. Experimental Brain Research 83, 502–512 (1991)

4. Gentilucci, M., Chieffi, S., Scarpa, M., Castiello, U.: Temporal coupling between

transport grasp components during prehension movements: Effects of visual per-

turbation. Behavioural Brain Research 47, 71–82 (1992)

5. Paulignan, Y., Jeannerod, M., MacKenzie, C.L., Marteniuk, R.G.: Selective per-

turbation of visual input during prehension movements. 2. the effects of changing

object size. Experimental Brain Research 87, 407–420 (1991)

6. Gentilucci, M., Castiello, U., Corradini, M.L., Scarpa, M., Umilta, C., Rizzolatti,

G.: Influence of different types of grasping on the transport component of prehen-

sion movements. Neuropsychologia 29, 361–378 (1991)

7. Chieffi, S., Fogassi, L., Gallese, V., Gentilucci, M.: Prehension movements directed

to approaching objects: Influence of stimulus velocity on the transport the grasp

components. Neuropsychologia 30, 877–897 (1992)

8. Marteniuk, R.G., Leavitt, J.L., MacKenzie, C.L., Athenes, S.: Functional relation-

ships between grasp transport components in a prehension task. Human Movement

Science 9, 149–176 (1990)

9. Zaal, F., Bootsma, R., van Wieringen, P.: Coordination in prehension. information-

based coupling of reaching and grasping. Experimental Brain Research 119, 427–

435 (1998)

10. Haggard, P., Wing, A.: Coordinated responses following mechanical perturbation

of the arm during prehension. Experimental Brain Research 102, 483–494 (1995)

11. Hoff, B., Arbib, M.: Models of trajectory formation and temporal interaction of

reach grasp. Journal of Motor Behavior 25(3), 175–192 (1993)

12. Ulloa, A., Bullock, D.: A neural network simulating human reach-grasp coordina-

tion by continuous updating of vector positioning commands. Neural Networks 16,

1141–1160 (2003)



Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex

Motor Learning Using a Realistic Cerebellar

Cortical Neuronal Network Model

Kayichiro Inagaki

1

, Yutaka Hirata



2

,

Pablo M. Blazquez



1

, and Stephen M. Highstein

1

1

Washington University School of Medicine, Dept. Otolaryngology,



4566 Scott Avenue, St. Louis, MO 63110, USA

2

Chubu University, Dept. Computer Science,



1200 Matsumoto Kasugai, Aichi, Japan

Abstract. The vestibuloocular reflex (VOR) is under adaptive control

to stabilize our vision during head movements. It has been suggested that

the acute VOR motor learning requires long-term depression (LTD) and

potentiation (LTP) at the parallel fiber – Purkinje cell synapses in the

cerebellar flocculus. We simulated the VOR motor learning basing upon

the LTD and LTP using a realistic cerebellar cortical neuronal network

model. In this model, LTD and LTP were induced at the parallel fiber

– Purkinje cell synapses by the spike timing dependent plasticity rule,

which considers the timing of the spike occurrence in the climbing fiber

and the parallel fibers innervating the same Purkinje cell. The model

was successful to reproduce the changes in eye movement and Purkinje

cell simple spike firing modulation during VOR in the dark after low and

high gain VOR motor learning.

Keywords: VOR motor learning, Spike neuron model, Spike timing de-

pendent plasticity, Long-term depression, Long-term potentiation.

1

Introduction



The vestibuloocular reflex (VOR) stabilizes retinal image during head motion

by counter-rotating the eyes in the orbit. The VOR is under adaptive control

which maintains the compensatory eye movements under the situation where

growth, aging, injury, etc, may cause changes in oculomotor plant dynamics.

The adaptive control of the VOR requires the cerebellar flocculus. Inactivation

of flocculus precludes further VOR motor learning [23] and eliminates the short

term memory of VOR [19]. It is widely accepted that cerebellar long term de-

pression (LTD) or the combination of LTD and long-term potentiation (LTP) at

the parallel fiber – Purkinje cell synapses are the underlying mechanisms for the

VOR motor learning [3],[11]. However, how the synaptic plasticity modifies the

signal processing in the cerebellar cortical neuronal network to achieve VOR mo-

tor learning is still unclear. It has been shown that the parallel fiber – Purkinje

cell LTD and LTP were induced depending on the input timing of the parallel

M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 902–912, 2008.

c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008


Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex Motor Learning

903


fiber and the climbing fiber [25] innervating the same Purkinje cell. The parallel

fiber inputs evoke simple spike (SS) on Purkinje cells at about a hundred Hertz,

whereas the climbing fiber input evokes complex spike (CS) in Purkinje cells at

ultra-low frequency (

∼ 5 Hz). In cerebellar computational theories, CSs code an

error signal which is the difference between intended and actual movements, and

SSs learn to modulate their firing patterns to minimize the error [26]. To date,

several computational models have been proposed to simulate VOR motor learn-

ing (e.g. [7],[16],[27]). These models were configured by using transfer functions

which process neural firing rate and do not take spike occurrence timing into

consideration to describe the signal processing in VOR neuronal circuitry, thus

cannot evaluate the roles of the spike-timing dependent LTD and LTP in VOR

motor learning. In our previous work [10], we constructed a VOR model in which

the cerebellar cortical neuronal network is explicitly described by integrate-and-

fire neurons based upon the known anatomy and physiology [11]. Presently we

embedded a cerebellar motor learning algorithm in this model based on the par-

allel fiber – Purkinje cell LTD and LTP. Simulations confirmed that the model

can successfully reproduce changes in eye movements and Purkinje cell SS firing

modulation after VOR motor learning in squirrel monkeys.

2

Model



2.1

Structure

Figure 1A illustrates the structure of the model. The model consists of 8 sub-

systems one of which is a cerebellar flocculus cortical neuronal network com-

posed of spiking neurons. Other subsystems are described as transfer functions.

G

ecopy



preF L

, G


visual

preF L


and G

vestib


preF L

describe characteristics of pre-flocculus pathway

each of which processes the efference copy, visual, and vestibular signal, respec-

tively. G

cf

preF L


describes characteristics of another pre-floccular pathway includ-

ing lateral terminal nucleus – inferior olive – Purkinje cell which processes the

visual signal (retinal slip). G

postF L


describes characteristics of post-floccular

pathway which converts Purkinje cell SS outputs to a part of the motor output.

G

vestib


nonF L

and G


visual

nonF L


describe characteristics of non-floccular vestibular pathway

and non-floccular visual pathway, respectively. The flocculus neuronal network

model consists of 20 Purkinje, 900 Golgi, 60 Basket, and 10000 granule cells

(Figure 1B). Synaptic connections among these cell types are similar to those in

the cerebellar cortical model for eye blink conditioning configured by Medina et

al.[18]. Namely, each granule cell receives 6 excitatory mossy fiber inputs and 3

inhibitory Golgi cell inputs. Each Golgi cell receives 20 excitatory mossy fibers

and 100 granule cell inputs. Each basket cell receives excitatory synaptic inputs

from 250 granule cells. Each Purkinje cell receives excitatory inputs from 10000

granule cells and a single climbing fiber as well as inhibitory inputs from 10 bas-

ket cells. In scaling down the cerebellar cortical network to a computationally

feasible dimension, it was suggested that the convergence / divergence ratios

were more important than the cell ratios [18]. Consequently, the model is scaled

down basing upon maintaining the convergence / divergence ratio.



904

K. Inagaki et al.

A

B

Fig. 1. Structure of the proposed VOR motor learning model. A: entire model struc-



ture. B: structure of the cerebellar cortical neuronal network. In A, the VOR model

consists of 8 subsystems each of which represents different anatomical pathways pro-

cessing different modality of signals[9]. G

ecopy


preF L

, G


visual

preF L


and G

vestib


preF L

are pre-floccular

subsystems each of which corresponds to a transfer function of pre-floccular effer-

ence copy pathway, visual (retinal slip) pathway and vestibular pathway, respectively.

G

cf

preF L



represents a transfer function of climbing fiber pathway, which transfers visual

signal to Purkinje cell CS activity. G

postF L

is a transfer function of post-floccular path-



way, which transfers the Purkinje cell SS activity to a part of the motor command.

G

visual



nonF L

and G


vestib

nonF L


represent transfer functions of non-floccular visual and vestibu-

lar pathway, respectively. In B, the flocculus is explicitly described by spike neuron

model to evaluate the cerebellar motor learning in terms of the spike timing dependent

plasticity. The organization of the flocculus neuronal network and each of synaptic

connections were determined by the anatomical and physiological evidence.


Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex Motor Learning

905


2.2

Description of Subsystems

Neurons in the flocculus are described as conductance based spike neuron models.

Synaptic conductance g

syn

in the model is calculated as follows:



dg

syn


dt

=

N



i=1

S

i



· w

i

(t)



· (1 − g

syn


)

− g


syn

·

1



τ

(1)


where N , S

i

, w



i

and τ denote the number of the pre-synaptic cells, spike input

from the i-th pre-synaptic cell (0 or 1), synaptic weight, and synaptic decay time

constant, respectively. The synaptic current I

syn

is computed by:



I

syn


(V (t), t) = g

syn


· g

syn


· (V (t) − P SP

max


)

(2)


where g

syn


and P SP

max


are respectively the scaling coefficient of synaptic

strength and the constant of the post synaptic potential whose sign determines

if the synaptic current is excitatory or inhibitory. Synaptic decay time constant

and post synaptic potential for each cell type are same as those used in previous

report [10]. The membrane potential V is given by:

dV

dt



=

−g

l



· (V (t) − E

leak


)

M



syn=1

I

syn



(V (t), t)

(3)


where g

l

and E



leak

represent the leak coefficient and leak potential of the post

synaptic cell, respectively. M denotes the number of synapse type connected to a

post synaptic cell. Each cell fires a spike immediately when their membrane po-

tential exceeds the threshold set for individual cell type [10]. Then membrane po-

tential is reset to 0 after the cell firing. Other subsystems are described as transfer

functions modified from our previous VOR system model [9] as in eq.(4) – (9).

G

ecopy



preF L

(s) = (α


e

s

2



+ β

e

s + γ



e

)e

−p



e

s

(4)



G

vestib


preF L

(s) = (α


h

s

2



+ β

h

s + γ



h

)e

−p



h

s

(5)



G

visual


preF L

(s) = (α


r

s

2



+ β

r

s + γ



r

)e

−p



r

s

(6)



G

postF L


(s) =

1

u



e

s

2



+ v

e

s + w



e

e

−q



e

s

(7)



G

vestib


nonF L

(s) =


(a

h

s



2

+ b


h

s + c


h

)e

−q



h

s

u



h

s

2



+ v

h

s + w



h

(8)


G

visual


nonF L

(s) =


(a

r

s



2

+ b


r

s + c


r

)e

−q



r

s

u



r

s

2



+ v

r

s + w



r

(9)


In each equation, α , β and γ denote the coefficient of acceleration, velocity and

position of eye movement (e), retinal slip (r) and head movement (h). Also u, v

and w are the coefficient of acceleration, velocity and position of eye movement.

q and p are latencies of Purkinje cell SS firing in response to input signal to



906

K. Inagaki et al.

each subsystem. The subsystem for another pre-floccular pathway representing

lateral terminal nucleus – inferior olive – Purkinje cell pathway is given by

G

cf

preF L



(s) = (α

c

s



2

+ β


c

s + γ


c

)e

−p



c

s

(10)



where α

c

, β



c

and γ


c

denote the coefficient of acceleration, velocity and position

of retinal slip. p

c

is time delay constant. The output of this transfer function



cf (t) is saturated by a sigmoid function before innervating a Purkinje cell.

CF (t) =


1

1 + exp(κ(cf (t)

− ξ))

(11)


where κ and ξ are free parameters. CF (t) is integrated and CS fires immedi-

ately when the membrane potential exceeds its threshold level. Parameters in the

cerebellar spike neuron network model were first pre-adjusted so that the model

approximates experimental Purkinje cell firing patterns during optokinetic re-

sponse (OKR) and VORd (see 2.4). At this point, same parameter values of the

previous VOR model [9] were used for those in the transfer function models.

Then, parameters in the transfer function models were fine-tuned together with

those in the spike neuron model so that the model reproduces both eye veloc-

ities and Purkinje cell firing patterns during OKR and VORd. We then tested

this model by predicting eye velocities and Purkinje cell firing patterns dur-

ing VOR enhancement (VORe) and VOR suppression (VORs) paradigms (see

Experimental paradigm below).

2.3

Description of Learning Rule



The parallel fiber – Purkinje cell LTD is induced when a glutamate input from

a parallel fiber to a Purkinje cell is followed by an elevation of the calcium ion

level elicited by climbing fiber input [25]. On the other hand, LTP is induced

by a glutamate input without an elevation of the calcium ion level [6]. In the

model, these LTD and LTP are represented as changes in synaptic weight (δw)

between the parallel fibers and the Purkinje cell which are described by following

equation.

δw = δ


LT D

· GR(t) · winCF (t) + δ

LT P

· GR(t) · (1 − winCF (t))



(12)

where GR(t) is an input from a granule cell to a Purkinje cell conveyed via

a parallel fiber. If the granule cell fires a spike, GR(t) is 1. winCF (t) is the

window function that describes the time window of an elevation of the calcium

ion level in a Purkinje cell. It is 1 for 35msec after a firing of climbing fiber and 0

otherwise. δ

LT D

and δ


LT P

are the rate of the change in synaptic weight by LTD

and LTP, respectively. With the learning rule, the synaptic weight (w

i

(t)) in eq.



(1) between a granule cell and a Purkinje cell is updated so that it decreases

if the granule cell fires within the 35msec window after the firing of climbing

fiber (LTD), or increases if the granule cell fires outside the time window (LTP)

[6],[25].



Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex Motor Learning

907


2.4

Experimental Paradigms

Detailed experimental procedures were mentioned elsewhere [7]. Briefly, squir-

rel monkeys were employed for recording of flocculus Purkinje cells and eye

movements during various visual-vestibular interaction paradigms (see below).

Animals were seated in a primate chair with their head fixated. The chair was

rotated by a servo motor around monkey’s inter-aural axis to produce a vertical

VOR. Black random dots were projected on the cylindrical screen coaxially sur-

rounding the rotation axis of the servo motor. This is the optokinetic stimulus

(OKS). OKR is induced by applying OKS with the monkey’s head stationary,

while in VORd the chair rotates in the dark (no OKS). In VORs, the chair ro-

tates in phase with the OKS, while in VORe the chair and OKS rotate out of

phase. All paradigms consist of sinusoidal chair rotation and/or OKS (frequency

0.5Hz, amplitude 40deg/s). VORs and VORe were utilized for high and low gain

training. Animals were trained toward high or low gain for 3-7h a day. Vertical

and horizontal eye position, chair velocity and OKS velocity were continuously

recorded at a sampling frequency of 200Hz with the use of Power1401 interface

(Cambridge Electronic Design) for display and storage using Spike2 program.

Floccular and ventral parafloccular Purkinje cells were identified by the firing

of CS and their SS discharge patterns. After a unit was isolated, OKR, VORd,

VORs and VORe paradigms were applied. All these experiments and surgical

procedures were approved by the Animal Welfare and Use Committee of Wash-

ington University.

3

Results



3.1

Simple and Complex Spike Firing Before Learning

Figure 2 illustrates the simulated Purkinje cell SS and CS firing during VORe,

VORs and VOR in the light (VORl) averaged over 30 stimulus cycles. According

to the experimental evidence [15], CS firing modulates out of phase with SS firing

pattern. Furthermore, SS firing pattern modulates in-phase with head rotation

during VORe and out of phase with head rotation during VORs [2],[7]. In our

model simulation, these SS modulation are well reproduced in both VORe (A,

D, G) and VORs (B, E, H) paradigms, and CS firing rate in these paradigms

are out of phase with the SS firing modulation. During VORl simulation(C, F,

I), the SS slightly modulated in-phase with head rotation [21], whereas the CS

did not significantly modulate.

3.2

Simulation of VOR Motor Learning



It has been reported that the gain of VOR can be acutely increased or decreased

by the continuous application of VORe or VORs, respectively in squirrel monkeys

and other animal species [14],[22],[24]. We simulated VOR motor learning in our

model by using VORe and VORs paradigm. In each training paradigm, vestibular

and optokinetic stimuli were applied for 45 stimulus cycles. To quantify the


908

K. Inagaki et al.

Fig. 2. SS and CS of the floccular Purkinje cell during VORe (A, D, G), VORs (B, E,

H), and VORl (C, F, I) in the computational simulation. Each panel shows: Top, mean

firing rate of a SS, middle, mean firing rate of a CS, bottom, head velocity (solid black

line) and OKS (dashed gray line). Mean firing rate of SS and CS were determined as

an average over 30 stimulus cycles.

Fig. 3. Adaptive gain change during VORe training (filled circle), VORs training (filled

square) and VORl (filled triangle) in the simulation. The gain of VOR increased 0.51

(from 0.79 to 1.30) after VORe training, and decreased 0.30 (from 0.79 to 0.49) after

VORs training. During VORl, the gain of VOR did not change.


Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex Motor Learning

909


Fig. 4. Purkinje cell SS firing modulation in the experiment using a squirrel monkey

[7] (A, B, C), and in our simulation (D, E, F) during VORd before and after VOR

motor learning (A and D: VORs training, C and F: VORe training). In each panel,

top, Purkinje cell SS response, bottom, eye (solid line) and head velocity (dashed line).

newly acquired VOR memory, we measured gain of VORd every 15 stimulus

cycles. Figure 3 illustrates adaptive gain change in eye movement during VORe

training (filled circle), VORs training (filled square) and VORl (filled triangle).

The model simulation demonstrated that the gain of VOR changed from 0.79

to 1.30 (+0.51) after VORe training and from 0.79 to 0.49 (-0.30) after VORs

training. After VORl training, the gain of VOR did not change. These changes

in gain of VOR after VORe, VORs and VORl training are comparable to those

demonstrated experimentally in monkeys [14]. Figure 4 illustrates Purkinje cell

SS firing modulation in an experiment using squirrel monkey [7](A, B, C) and in

our simulation (D, E, F) during VORd before and after VOR motor learning(A

and D: VORs training, C and F: VORe training). It has been shown that Purkinje

cell SS changes firing modulation during VORd after motor learning [2],[7]. In the

experiment, before any training, Purkinje cell SS during VORd hardly modulate

(Fig.4 B). After VORs training (Fig.4 A), SS slightly modulated out of phase

with the head rotation. After VORe training (Fig.4 C), SS modulated in phase

with the head rotation. In agreement with these experimental findings, our model

reproduced these changes in the Purkinje cell SS modulation during VORd after

VORs and VORe training.

4

Discussion and Conclusion



Conceptual theory of cerebellar motor learning was proposed by Marr[17], Albus[1]

and Ito[11]. The cerebellar Purkinje cells receive parallel fiber and climbing fiber

input. The parallel fibers send vestibular, visual and efference copy of motor output

to the Purkinje cell and evoke SS, whereas the climbing fiber sends error signal to



910

K. Inagaki et al.

the same Purkinje cell and evokes CS. In the conceptual theory, the SS activities en-

code motor performance in their firing rate, while the CS activities reflect an error

onto the Purkinje cell to guide motor learning and change SS activity. It has been

suggested that cerebellar motor learning is induced by LTD and LTP [3],[27] and

also shown that LTD or LTP is evoked depending on the input timing of a parallel

fiber and a climbing fiber [25]. Presently, we simulated VOR motor learning using

the realistic cerebellar cortical neuronal network model with spike timing depen-

dent learning rule for the LTD and the LTP. The model successfully demonstrated

the firing relation between Purkinje cell SS and CS, the adaptive changes in the mo-

tor performance and SS activity. Our principal finding is that VOR motor learning

is induced when the Purkinje CS is modulated (during VORe and VORs), and is

not induced when the CS hardly modulates (during VORl). In our model, CS firing

modulation reflects retinal slip information which is one of the error signal candi-

dates in VOR motor learning, and the modulation of the CS changes the Purkinje

SS firing pattern to guide VOR motor learning. The CS modulates out of phase

with the SS during VORe (Fig.2, D) and in phase with the SS during VORs (Fig.2,

E). During VORl, the CS does not modulate significantly (Fig.2, F). Our simula-

tion showed that these CS modulations can change the balance of LTD and LTP at

the synapses between parallel fibers and a Purkinje cell, and guide the motor per-

formance toward respective goals: high, low or normal gain. This consideration,

revealing from our computational simulation, consistents with the theory of CS

guided motor learning [4],[20].

Several types of plasticity in the cerebellum have been reported in in vitro studies

(e.g. [5],[13]). In contrast, we could account for VOR motor learning solely by the

parallel fiber – Purkinje cell LTD and LTP. However, the other type of synaptic

plasticity [5],[13] might be required in the complex VOR motor learning: up - down

or left - right asymmetric VOR motor learning [8],[28].

References

1. Albus, J.S.: A Theory of Cerebellar Function. Mathematical Biosciences 10, 25–61

(1971)


2. Blazquez, P.M., Hirata, Y., Heiney, S.A., Green, A.M., Highstein, S.M.: Cerebellar

Signatures of Vestibule-ocular Reflex Motor Learning. J. Neurosci. 23, 9742–9751

(2003)

3. Boyden, E.S., Katoh, A., Raymond, J.L.: Cerebellum-dependent Learning: The



Role of Multiple Plasticity Mechanisms. Annu. Rev. Neurosci. 27, 581–609 (2004)

4. Gilbert, P.F.C., Thach, W.T.: Purkinje Cell Activity During Motor Learning. Brain

Res. 128, 309–328 (1977)

5. Hansel, C., Linden, D.J., D’Angelo, E.: Beyond Parallel Fiber LTD: the Diversity

of Synaptic and Nonsynaptic Plasticity in the Cerebellum. Nature Neurosci. 4,

467–475 (2001)

6. Hirano, T.: Depression and Potentiation of the Synaptic Transmission Between a

Granule Cell and a Purkinje Cell in Rat Cerebellar Culture. Neurosci. Lett. 119,

141–144 (1990)

7. Hirata, Y., Highstein, S.M.: Acute Adaptation of the Vestibuloocular Reflex: Signal

Processing by Floccular and Ventral Parafloccular Purkinje Cells. J. Neurophys-

iol. 85, 2267–2288 (2001)



Computer Simulation of Vestibuloocular Reflex Motor Learning

911


8. Hirata, Y., Lockard, J.M., Highstein, S.M.: Capacity of Vertical VOR Adaptation

in Squirrel Monkey. J. Neurophysiol. 88, 3194–3207 (2002)

9. Hirata, Y., Takeuchi, I., Highstein, S.M.: A Dynamical Model for the Vertical

Vestibuloocular Reflex and Optokinetic Response in Primate. Neurocomputing 52-

54, 531–540 (2003)

10. Inagaki, K., Hirata, Y., Blazquez, P., Highstein, S.: Model of VOR motor Learning

with Spiking Cerebellar Cortical Neuronal Network. In: Proceedings of 16th Annu.

CNS Meeting (2006)

11. Ito, M.: The Cerebellum and Neural Control. Raven Press (1984)

12. Ito, M.: Long-term Depression. Annu. Rev. Neurosci. 12, 85–102 (1989)

13. Kano, M., Rexhausen, U., Dreessen, J., Konnerth, A.: Synapticexcitation Produces

a Long-lasting Rebound Potentiation of Inhibitory Synaptic Signals in Cerebellar

Purkinje Cells. Nature 356, 601–604 (1992)

14. Kuki, Y., Hirata, Y., Blazquez, P.M., Heiney, S.A., Highstein, S.M.: Memory Re-

tention of Vestibuloocular Reflex Motor Learning in Squirrel Monkeys. Neurore-

port 15, 1007–1011 (2004)

15. Kobayashi, Y., Kawano, K., Takemura, A., Inoue, Y., Kitama, T., Gomi, H.,

Kawato, M.: Temporal Firing Patterns of Purkinje Cells in the Cerebellar Ven-

tral Paraflocculus During Ocular Following Responses in Monkeys II. Complex

spikes. J. Neurophysiol. 80, 832–848 (1998)

16. Lisberger, S.G., Sejnowski, T.: Motor Learning in a Recurrent Neural Network

Model Based on the Vestibulo-ocular Reflex. Nature 360, 159–161 (1992)

17. Marr, D.: A Theory of Cerebellar Cortex. J. Physiol. 202, 437–470 (1969)

18. Medina, J.F., Garcia, K.S., Nores, W.L., Taylor, N.M., Mauk, M.D.: Timing Mech-

anisms in the Cerebellum: Testing Predictions of a Large-scale Computer Simula-

tion. J. Neurosci. 20, 5516–5525 (2000)

19. Nagao, S., Kitazawa, H.: Effects of Reversible Shutdown of the Monkey Flocculus

on the Retention of Adaptation of the Horizontal Vestibulo-ocular Reflex. Neuro-

science 118, 563–570 (2003)

20. Ojakangas, C.L., Ebner, T.J.: Purkinje Cell Complex and Simple Spike Changes

During a Voluntary Arm Movement Learning Task in the Monkey. J. Neurophys-

iol. 68, 2222–2236 (1992)

21. Omata, T., Kitama, T., Mizukoshi, A., Ueno, T., Kawato, M., Sato, Y.: Purkinje

Cell Activity in the Middle Zone of the Cerebellar Flocculus During Optokinetic

and Vestibular Eye Movement in Cats. Jpn. J. Physiol. 50, 357–370 (2000)

22. Pastor, A., De La Cruz, R.R., Baker, R.: Characterization and Adaptive Mod-

ification of the Goldfish Vestibuloocular Reflex by Sinusoidal and Velocity Step

Vestibular Stimulation. J. Neurophysiol. 68, 2003–2015 (1992)

23. Rambold, H., Churchland, A., Selig, Y., Jasmin, L., Lisberger, S.G.: Partial Abla-

tions of the Flocculus and Ventral Paraflocculus in Monkeys Causes Linked Deficits

in Smooth Pursuit Eye Movements and Adaptive Modification of the VOR. J. Neu-

rophysiol. 87, 912–924 (2002)

24. Robinson, D.A.: Adaptive Gain Control of Vestibuloocular Reflex by the Cerebel-

lum. J. Neurophysiol. 39, 954–969 (1978)

25. Sakurai, M.: Synaptic Modification of Parallel Fibre – Purkinje Cell Transmission

in In Virto Guinea-pig Cerebellar Slices. J. Physiol (Lond) 394, 463–480 (1987)



912

K. Inagaki et al.

26. Stone, L.S., Lisberger, S.G.: Visual Responses of Purkinje Cells in the Cerebellar

Flocculus During Smooth-pursuit Eye Movements in Monkeys. II. Complex Spikes.

J. Neurophysiol. 63, 1962–1975 (1990)

27. Tabata, H., Yamamoto, K., Kawato, M.: Computational Study on Monkey VOR

Adaptation and Smooth Pursuit Based on the Parallel Control-pathway Theory.

J. Neurophysiol. 87, 2176–2189 (2002)

28. Yoshikawa, A., Yoshida, M., Hirata, Y.: Capacity of the Horizontal Vestibuloocular

Reflex Motor Learning in Goldfish. In: Proc. of the 26th Ann. Int’l Con. of the IEEE

EMBS, pp. 478–481 (2005)


M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 913–922, 2008. 

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 




Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   77   78   79   80   81   82   83   84   ...   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling