一种利用简单且易于获取的软件实现的新型单只动物运动功能追踪系统

摘要

本研究旨在实现对大鼠运动功能障碍的自动化定量评估。初步评估模型用于检测运动皮层内皮质微电极植入所导致的运动功能丧失。我们报道了一种追踪算法的开发与应用，该算法使用易于调整、简单且 readily available 的编码软件。

摘要

我们最近证明，在大鼠的运动皮层植入皮层内微电极会导致立即且持续的运动功能障碍。 运动功能障碍通过开放场地网格实验手动量化，以评估粗大运动功能，同时通过梯子实验评估精细运动功能。本文中，我们介绍一种利用自主开发的卡帕多纳行为视频分析系统（Grid and Ladder Test，简称 BVAS）对视频记录的实验进行自动量化分析的技术。该程序基于简单且易于获取的编码软件（见材料表），可实现对单只动物在开放场地网格实验和梯子实验中的运动轨迹追踪。在开放场地网格追踪中，程序通过视频强度阈值化处理，追踪大鼠在3分钟网格实验期间的位置变化并分析其运动路径，随后计算并输出总移动距离、达到的最大速度、向左和向右转弯的次数，以及大鼠跨越的网格线总数等参数。在梯子实验追踪中，程序同样通过强度阈值化处理视频，追踪大鼠在梯子上的移动过程，并返回计算结果，包括大鼠穿越梯子所用时间、爪子滑落至梯阶平面以下的次数，以及因停滞或倒退导致的失败发生率。我们预期，本文开发的BVAS系统可广泛应用于多种研究场景中的运动功能分析，包括多种损伤或疾病模型。

引言

已有多种成熟方法可用于评估功能性和行为性运动及认知障碍^1,2,3一些较为常用的方法包括测试精细运动功能 通过 爪子放置、迈步及肢体协调性在梯子测试中的评估⁴，测试大肌肉运动功能和应激行为 通过 开放旷场网格实验^5,6以及恐惧、抑郁和绝望的检测 通过 强迫游泳实验^7,8 或转子杆⁹然而，这些方法中的许多依赖于人类研究人员来 "评分" 动物或主观判断其表现。依赖主观的人工评估可能减缓数据的生成与分析速度，并为研究中故意或无意的偏倚影响提供可能¹⁰此外，对数据的主观评估也存在数据表征不准确的风险，可能源于遗忘、积极性不足、培训不当或疏忽。¹¹.

我们近期报道了在植入皮层内微电极的大鼠中同时使用开放场地网格实验....

方案

所有实验程序和动物护理操作均经路易斯·斯托克斯克利夫兰退伍军人事务医疗中心机构动物护理与使用委员会批准，并遵循其规定执行。行为学检测方案 closely follows 之前发表的研究^12,13。

1. 行为学测试：任务拍摄

注意：此处对动物进行了为期8周的测试，以检测是否存在任何慢性行为变化。研究持续时间取决于研究所采用的应用/损伤/疾病模型。

1. 开放场地网格测试
   注意：网格测试的距离为 1 m² 四周设有40 cm高的墙壁，由本实验室自行建造。底部被划分为九个方格 通过 鲜艳的彩色胶带（图1A）。使用自动化BVAS时，线条和网格的颜色必须与大鼠形成对比。本实验使用白色Sprague Dawley大鼠，因此将网格背景涂成黑色，并用亮粉色胶带制作线条。
   1. 每周对动物进行两次测试，包括研究开始前的一周，以建立用于后续计算的基线评分。
   2. 每次检测开始前以及每只动物检测之间，使用基于二氧化氯的消毒剂清洁所有检测设备。
   3. 将动物带入测试房间，并在开始试....

结果

按照本文所述方法，大鼠每周完成2次开放旷场方格测试和梯子测试。数据由经过培训的和新手的评估人员使用BVAS系统以及手动秒表方式进行分析。所展示的结果来自一项为期8周的研究中一只未植入装置的对照动物，为每周原始得分的平均值，其中第“0”周对应基线测试。请注意，第1周未进行测试，因为该周为手术动物的休息周。由于开放旷场方格测试每天进行1次，梯子测试每天进行5次，每周进行2天测试，因此在相同的8周时间内，开放旷场方格测试共有16次试验样本，而梯子测试则有80次试验样本。

BVAS 与 手动分析：
为验证BVAS系统的稳定性并将其与人工分析结果进行对比，将系统检测的网格线穿越次数和梯子穿越时间结果与三位专家评审人员的手动分析结果进行了比较n = 3）作为“金标准”。初学者用户（n = 7）也通过人工.......

讨论

为确保分析结果可靠，实验方案中最关键的部分是保持一致的拍摄过程。如果视频的光照充足，并且如本方案第一部分所述，在正确的位置进行拍摄，系统便能够实现精确的分析。与任何图像处理问题一样，预处理阶段的工作质量将直接影响后期处理的准确性与简便性。因此，在测试过程中确保实验装置和动物处于良好的光照条件下，并尽量减少画面中的阴影或其他运动干扰，将有助于BVAS系统实现更高水平的分析准确性。

本文介绍的方案可通过开放场网格和梯子测试，高效且可重复地分析啮齿类动物粗大运动和精细运动功能的检测结果。via 该方法，数据的分析主要由无需用户干预的自动化计算机程序完成，从而降低了人为误差或分析偏倚的可能性。由于这一特点，无论经验丰富的研究人员还是新手均可使用BVAS系统并获得相同水平的准确性。BVAS程序具备自我校验功能，易于实施且使用成本低廉。此外，该程序代码可根据研究者的个性化需求进行调整。例如，开放场网格的代码可用于分析多种指标，包括总移动距离、达到的最大速度以及向左和向右转弯的次数，且有望经过简单修改后适用于水迷宫或强迫游泳任务中的轨迹追踪。代码还可进一步修改，以适应不同实验室.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
雄性Sprague Dawley大鼠，201-225 g	Charles River	CD
Webcam HD Pro c920	Logitec	960-000764
Excel	Microsoft	N/A
Matalb 2017a，计算机视觉系统工具箱	Mathworks	N/A
旷场网格实验	由凯斯西储大学自主制作	N/A
梯子实验	由凯斯西储大学自主制作	N/A