使用MouseWalker量化脊髓损伤小鼠模型中的运动功能障碍

Summary

提供了一个实验管道，用于使用MouseWalker（MW）工具箱定量描述自由行走的小鼠的运动模式，范围从初始视频记录和跟踪到定量后分析。使用小鼠脊髓挫伤损伤模型来证明MW系统的有用性。

Abstract

复杂且高度协调的运动程序（例如步行和跑步）的执行取决于脊柱和脊髓上回路的节律激活。胸椎脊髓损伤后，与上游回路的通信受损。这反过来又导致协调的丧失，恢复潜力有限。因此，为了更好地评估给予药物或治疗后的恢复程度，有必要使用新的、更详细和准确的工具来量化脊髓损伤动物模型中步态、肢体协调和其他运动行为的精细方面。多年来，已经开发了几种测定方法来定量评估啮齿动物的自由行走行为;然而，它们通常缺乏与步进步态策略、足迹模式和协调相关的直接测量。为了解决这些缺点，提供了MouseWalker的更新版本，它将受挫的全内反射（fTIR）走道与跟踪和量化软件相结合。这个开源系统已经适应于提取几个图形输出和运动学参数，并且一组后量化工具可以分析提供的输出数据。这份手稿还展示了这种方法如何与已经建立的行为测试相结合，定量描述脊髓损伤后的运动缺陷。

Introduction

四肢的有效协调并非四足动物所独有。人类的前肢-后肢协调对于完成多项任务仍然很重要，例如游泳和行走时的速度改变¹.各种肢体运动学² 和运动程序¹，³，⁴ 以及本体感觉反馈回路⁵ 在人类和其他哺乳动物之间是保守的，在分析运动障碍（例如脊髓损伤 （SCI）6，^7，8）的治疗方案时应考虑这些选择。

为了行走，来自前肢和后肢的几个脊柱连接需要正确连接和有节奏地激活，这需要来自大脑的输入和来自体感系统的反馈²，^9，10。这些连接在中央模式发生器（CPG）中达到顶峰，它们分别位于前肢和后肢的颈椎和腰椎水平1，^9<....

Protocol

所有处理、手术和术后护理程序均由医学研究所分子内部委员会 （ORBEA） 和葡萄牙动物伦理委员会 （DGAV） 根据欧洲共同体指南（指令 2010/63/EU）和葡萄牙动物护理法 （DL 113/2013） 批准，许可证为 0421/000/000/2022。本研究使用9周龄的雌性C57Bl / 6J小鼠。尽一切努力尽量减少动物的数量并减少研究中使用的动物的痛苦。MATLAB脚本和MW软件的独立版本是开源的，可在GitHub上获得。
存储库 （https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker）。虽然MW软件是在MATLAB R2012b中开发的，但它已经适应在MATLAB R2022b中运行。 图1 显示了MW的分析工作流程。

1. 设置鼠标步行者 （MW） 设备

1. 如前所述组装MW装置²³，或适应实验设计的特定需求（有关设置的更多详细信息，请参见 材料表 和 补充图1 ）。
   注意:步行竞技场可以做得更宽，以容纳更大的动物，如老鼠。

Results

标准BMS系统描述了SCI¹⁴之后的总运动缺陷。由于其主观性，其他定量测定通常与BMS一起进行，以产生更详细和精细的运动评估。然而，这些测试未能显示有关步步周期、步进模式和前肢-后肢协调的具体信息，这对于了解脊柱回路如何维持功能并适应不完全的 SCI 非常重要。本节展示了MW工具箱如何帮助监测SCI后运动功能的恢复，并添加有关步行行为的相关信息。

将研究样品分为两组9周龄的雌性C57Bl / 6J小鼠:SCI实验组（n = 11），其中动物接受椎板切除术，然后使用无限地平线撞击器在T9 / T10椎柱水平进行中度至重度挫伤（见 材料表）;以及假损伤对照组（n = 10），其中仅在同一柱水平上进行椎板切除术（图1，步骤1）。监测SCI和假损伤动物的运动行为30 d。MW测试在手术前习惯日（基线）和受伤后15天，22天和30天（dpi）进行（图1，步骤2）。为了进行比较，小鼠在手术前以1.......

Discussion

在这里，通过分析SCI后的运动行为来证明MouseWalker方法的潜力。它为步进、足迹和步态模式的特定变化提供了新的见解，否则其他标准测试会错过这些变化。除了提供 MW 包的更新版本外，还使用提供的 Python 脚本描述了数据分析工具（请参阅步骤 5）。

由于MW生成了一个大型数据集和反映高维运动过程的运动学参数集合，因此采用了PCA;事实上，PCA已被广泛用于其他运动学数据集中，类似于这个数据集²⁷，^35，36（图3）。这种降维技术是一种简单而稳健的方法，具有最少的假设，可以定量识别运动学轮廓并快速将其与控制或基线条件区分开来。此外，生成热图以迅速识别与基线在统计上不同的参数（图4），以后可以单独分析（图5，图6和.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
45º镜子
2铝挤压件（2 x 2 cm），高 16 cm，每边 1	Misumi
2 铝挤压件（2 x 2 cm），23 cm，@ 45°，每边 1	Misumi
1 铝挤压件（2 x 2 cm），长 83 cm	Misumi
87 x 23 cm 镜子	通用玻璃供应商
黑色纸板填充物	通用文具供应商		我们使用了 2 个，一个是 69 x 6 厘米，另一个是 69 x 3 厘米，以限制镜子上的反射
<强>背景背光
109 x 23 厘米有机玻璃（0.9525 厘米厚）	通用五金供应商
2 个横向铝挤压件（4 x 4 厘米），长 20 厘米，每边 1 个	Misumi
多色 LED 灯条	通用五金供应商
白色不透明纸覆盖有机玻璃	通用文具供应商
fTIR 支撑底座和柱
2 铝挤压件 （4 x 4 cm），100 cm 高	Misumi
60 x 30 cm 公制面包板	Edmund Optics	#54-641
M6 12 mm 螺丝	Edmund Optics
M6 六角螺母和瓦赫	Edmund Optics
fTIR 走道
109 x 8.5 厘米有机玻璃（1.2 厘米厚）	通用五金供应商		109 x 8.5 厘米有机玻璃（1.2 厘米厚）
109 厘米长 1.6 厘米高 x 1.9 厘米深的 Base-U 型槽铝 厚折叠（用于固定有机玻璃）	通用五金供应商
2 个横向铝挤压件（4 x 4 厘米） 20 厘米长，每侧 1	Misumi
黑色纸板填充物	一般文具供应商		我们在每侧使用了 2 个填充物来覆盖有机玻璃的限制，避免了亮边
M6 12 毫米螺丝	Edmund Optics
高速相机（三脚架上）
Blackfly S USB3	FLIR	#BFS-U3-32S4M-C	这是一个推荐。要求是每秒至少录制 100 帧
Infinite Horizon Impactor
Infinite Horizon 撞击器	Precision Systems and Instrumentation， LLC.	#0400
Lens
尼康AF变焦尼克尔24-85mm	尼康	#1929	推荐使用这款镜头，但也可以使用其他镜头。确保它包含一个大孔径（即较小的 F 值），以捕获 fTIR 信号
Software
MATLAB R2022b	MathWorks
Python 3.9.13	Python 软件基金会
Anaconda Navigator 2.1.4	Anaconda， Inc.
Spyder 5.1.5	Spyder 项目贡献者
走道墙
2 个大的斜面 acrilic，100 x 15 厘米	任何拼贴便利店
2 个梯形斜面，长 6-10 厘米 x 高 15 厘米	任何拼贴便利店
GitHub 资料
文件夹名称	URL
Boxplots	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Boxplots		用于创建箱线图的脚本
文档	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docs		其他文档
热图	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Heatmaps		用于创建热图的脚本
Matlat 脚本	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20Script		MouseWalker matlab 脚本
PCA	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plots		执行主成分分析
原始数据 绘图	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plots		用于创建原始数据图的脚本
残差分析	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysis		用于从原始数据计算残差的代码