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。
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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。
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。
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1,9,10。通常,在 SCI 之后,神经元连接的破坏和抑制性神经胶质瘢痕12 的形成限制了运动功能的恢复,结果从完全瘫痪到一组肢体功能受限不等,具体取决于损伤的严重程度。精确量化 SCI 后运动功能的工具对于监测恢复和评估治疗或其他临床干预措施的效果至关重要6.
SCI 小鼠挫伤模型的标准度量测定是巴索小鼠量表 (BMS)13,14,这是一种非参数评分,考虑了空旷场地的躯干稳定性、尾部位置、足底步和前肢-后肢协调。尽管BMS在大多数情况下非常可靠,但它需要至少两名经验丰富的评分员来观察动物运动的所有角度,以解释自然变异性并减少偏差。
还开发了其他测定方法来定量评估SCI后的运动性能。其中包括旋转测试,它测量在旋转圆柱体上花费的时间15;水平梯子,测量错过栏杆和正梯子抓斗的数量16,17;以及横梁行走测试,该测试测量动物在穿越窄梁时所花费的时间和失败次数18.尽管反映了运动缺陷的组合,但这些测试都没有产生关于前肢 - 后肢协调的直接运动信息。
为了具体和更彻底地分析步行行为,已经开发了其他测定方法来重建步数循环和步态策略。一个例子是足迹测试,其中动物的墨水爪子在一张白纸上画一个图案19.虽然执行简单,但提取步幅等运动学参数既麻烦又不准确。此外,缺乏动态参数,例如步进周期的持续时间或腿定时协调,限制了其应用;事实上,这些动态参数只能通过分析啮齿动物穿过透明表面的逐帧视频来获取。对于SCI研究,研究人员使用跑步机从侧面分析了步行行为,包括重建步数循环和测量每个腿关节的角度变化4,20,21。尽管这种方法可以提供非常丰富的信息6,但它仍然专注于一组特定的肢体,并且缺乏额外的步态特征,例如协调性。
为了填补这些空白,Hamers及其同事开发了一种基于光学触摸传感器的定量测试,使用受挫全内反射(fTIR)22。在这种方法中,光线通过内部反射 穿过 玻璃传播,在按压爪子时散射,最后被高速相机捕获。最近,这种方法的开源版本,称为MouseWalker,已经可用,这种方法将fTIR走道与跟踪和量化软件包23相结合。使用这种方法,用户可以提取大量定量参数,包括步数、空间和步态模式、脚印定位和前肢-后肢协调,以及视觉输出,例如脚印模式(模仿墨水爪测定6)或相对于身体轴的站立阶段。重要的是,由于其开源性质,可以通过更新 MATLAB 脚本包来提取新参数。
在这里,更新了以前发布的 MouseWalker23 系统组件。提供了如何设置它的说明,以及实现最佳视频质量、跟踪条件和参数采集所需的所有步骤。还共享了其他量化后工具,以增强对MouseWalker(MW)输出数据集的分析。最后,通过在脊髓损伤(SCI)背景下获得一般运动性能的可量化值,特别是步道周期和前肢 - 后肢协调,证明了该工具的有用性。
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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
2. 视频采集
3. 为 MW 跟踪软件准备视频
4. 追踪
5. 运动学数据分析工作流程
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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...
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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...
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提交人声明,他们没有相互竞争的经济利益。
作者感谢Laura Tucker和Natasa Loncarevic对手稿的评论以及Instituto de Medicina Molecular João Lobo Antunes的啮齿动物设施给予的支持。作者希望感谢Prémios Santa Casa Neurociências - 脊髓损伤研究奖Melo e Castro(MC-36/2020)对L.S.和C.S.M.的财政支持。这项工作得到了科学与技术基金会(FCT)(PTDC/BIA-COM/0151/2020)、iNOVA4Health(UIDB/04462/2020和UIDP/04462/2020)和LS4FUTURE(LA/P/0087/2020)的支持,得到了CEEC个人首席研究员合同(2021.02253.CEECIND)的支持。AFI得到了FCT(2020.08168.BD)的博士奖学金的支持。AMM得到了FCT博士奖学金的支持(PD/BD/128445/2017)。I.M.得到了FCT的博士后奖学金(SFRH / BPD / 118051 / 2016)的支持。DNS得到了FCT博士奖学金的支持(SFRH / BD / 138636 / 2018)。
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| 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 |
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