تتبع متزامن متعدد المفاصل قائم على التعلم العميق لقياس حركية الأطراف الخلفية في الجرذان بشكل موضوعي

Summary

يؤسس هذا البروتوكول خط تقييم حركي للطرف الخلفي للفئران باستخدام اختبار جهاز المشي بدون علامات مع وسم ذاتي متعدد المفاصل مدفوع بالتعلم العميق، مما يتيح إعادة تكرار قياس الحركة.

Abstract

التقييم الدقيق والموضوعي لمشية الفئران ضروري في مجالات أبحاث علم الأعصاب وعلم الحركة. تعتمد الأنظمة التقليدية غالبا على تصوير البصمة لاستنتاج المشي غير المباشر، والذي لا يمكنه التقاط حركية الأطراف الخلفية متعددة المفاصل بالكامل. تؤسس هذه الدراسة نظام تحليل مشية قائم على جهاز المشي بدون علامات للقوارض، حيث يدمج خوارزميات التعلم العميق المخصصة مع جهاز مشي يدعم الوزن القابل للبرمجة لتمكين تتبع عدة مفاصل في الأطراف السفلية في الوقت الحقيقي وقياس حركية متعددة الأبعاد. يستخرج النظام تلقائيا معايير دورة المشي، ومسارات المفاصل، وأنماط توزيع القوة، ونعومة الحركة تحت ظروف السرعة المعدلة (0-300 مم/ث)، والميل (تدرج ±30°)، ودعم الوزن الدرج (0-500 جم)، مما يوفر أداة تقييم موضوعية لأبحاث السلوك العصبي العضلي. باستخدام نماذج إصابات الحبل الشوكي (SCI)، تظهر النتائج حساسية النظام في اكتشاف الفروقات متعددة الأبعاد في مدى حركة المفاصل، واستمرارية المسار، وقوة الدفع الخارجة، ونعومة الحركة بين القوارض السليمة والمصابة، مما يؤكد تمييزه المرضي وقدراته على التصنيف. مقارنة بالطرق التقليدية للدرجات الذاتية أو البصمة، تلغي هذه المنصة التحيز الشخصي وقيود البيانات منخفضة الأبعاد مع دمج بنية التعلم العميق ومزايا جمع البيانات عالية الإنتاجية. ينطبق على الأبحاث المتعلقة بإصابات الأعصاب المركزية أو الطرفية، والأمراض التنكسية العصبية، واضطرابات الجهاز العضلي الهيكلي، وعمليات الشيخوخة. من خلال التكامل المتزامن لوحدات الفيزيولوجيا الكهربائية العصبية، يمكن النظام أيضا من الترابط الزمني بين المشي والإشارات العصبية، مما يؤسس إطارا منهجيا لتحليل آليات التحكم المركزية والطرفية وتطوير استراتيجيات تعديل الأعصاب.

Introduction

في علم الأعصاب المعاصر وأبحاث الحركة، أصبح القياس الموضوعي للمشي أمرا ضروريا لتشريح الوظائف العصبية والعضلية، وتوضيح آليات الأمراض، وتقييم استراتيجيات إعادة التأهيل¹. تمكن دقتها العالية في الزمان المكاني من التقاط الاختلافات الدقيقة في التآزر بين الأوامر العصبية، وملفات تنشيط العضلات، وميكانيكا الهيكل العظمي، مما يؤسس أساسا تجريبيا للتحقيق في تنسيق المسارات فوق النخاكية، والتغذية الراجعة الطرفية، والسياقات الميكانيكية. تعزز مقاييس الحركة القابلة للتكرار حساسية الكشف عن الآفات، والتغيرات التنكسية، والتأثيرات العلاجية، مما يسرع من تطوير الأدوية والأجهزة².

تستنتج....

Protocol

تمت الموافقة على جميع إجراءات الحيوانات من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية في معهد بكين لأبحاث الدماغ وامتثلت لإرشادات العناية واستخدام الحيوانات المختبرية. لم تلاحظ أي أحداث جانبية مرتبطة بالإجراءات.

1. تجهيز المعدات

1. شغل مزود الطاقة في جهاز المشي واختر زر التحكم في السرعة على شاشة اللمس.
2. دع الحزام يعمل بسرعة منخفضة لمدة 30 ثانية لمراقبة ما إذا كان حزام جهاز المشي ينحرف أم لا.
3. اختر زر التحكم في الميل ، ثم اضبط الميل على 0°، اضغط على الصفر، وتأكد من أن القيمة المعروضة تتطابق مع فقاعة المستوى.
4. ادخل واجهة

Results

المخطط التخطيطي والصورة الفعلية لبنية نظام جهاز المشي موضحة في الشكل 1A,B على التوالي. يستطيع الجهاز الحصول على صور جانبية عالية التباين بدون علامات. يدعم جهاز المشي تعديلات للسرعة والميل والاتجاه وتقليل الوزن، ومزود بلوحة تحكم رقمية. تشمل واجهة البرمجيات المصاحبة واجهة مراقبة واكتساب في الوقت الحقيقي، بالإضافة إلى واجهة لرفع الفيديو وتحليل استخراج المشي. يدمج مع وحدة تعلم عميق لتعليق المشي التلقائي، والتي يمكنها الحصول على بيانات حركة مستمر.......

Discussion

يحدد هذا البروتوكول نظام تحليل المشي القائم على جهاز المشي للفئران وإجراءاته التشغيلية، مما يوفر أداة تقييم متعددة الأبعاد وموضوعية لأبحاث السلوك العصبي العضلي. كما ظهر في المقارنات بين المجموعات لمعايير المشي بين الشوكي والفئران الصحية ضمن الدراسة النموذجية، يكتسب النظام إحداثيات الحركة المكانية الخام لأطراف السفلية للمشاركين من خلال تصوير فيديو مستمر عالي الإطارات وخوارزمية تعليق آلية متعددة المفاصل مدفوعة بالذكاء الاصطناعي. يتيح ذلك تحليلات كمية شاملة وتمثيلات بيانية، بما في ذلك مسارا.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ملاحظة الذكاء الاصطناعي للمشي وتعليقات برنامج الاستحواذ	شركة شنغهاي كلين أيت ترائيل تكنولوجي المحدودة	MouseAI	MouseAI هو برنامج التحليل المتكامل لجهاز المشي MOVEMETRICS، حيث يوحد تسجيل الفيديو، وتسجيل البيانات الوصفية، وتحليل المشي الآلي في سير عمل واحد.
التأثير الميكانيكي	عيادة RWD لايف ساينس، شنتشن، الصين
نظام التسجيل المنطقي متعدد القنوات للفيزياء الكهربائية	كيدو (سوشو) الدماغ - شركة تكنولوجيا الحاسوب،	كيدو بي سي RHD128A	KedouBC RHD128A هو نظام اكتساب فيزيولوجيا كهربائية مدمجة ب 128 قناة في الجسم الحي، تم تصميمها لتسجيل عصبي عالي الدقة في الحيوانات المختبرية الصغيرة إلى الكبيرة. يدمج الأنظمة خفيفة الوزن وأنظمة التوصيل والتشغيل (&le 1.3g)، وتحويل A/D بطول 16 بت، ومضخمات قابلة للبرمجة، تلتقط إشارات EEG، ECoG، LFP، المسامير، EMG وECG من 0.1 هرتز إلى 30 كيلوهرتز مع &le؛ 2.4 وميكرو؛ ضوضاء نظام V و> 10 GΩ مقاومة الإدخال. يقدم RHD128A بيانات عصبية قوية وقابلة للتوسع من قبل المستخدم لتسريع الدراسات في واجهات الدماغ والآلة، التنكس العصبي وإعادة التأهيل.
جهاز المشي	شركة شنغهاي كلين أيت ترائيل تكنولوجي المحدودة	موفميتريكس	MOVEMETRICS هو جهاز مشي عالي الدقة لتحليل مشي القوارض المتقدم.