全面理解啮齿类动物由失活动引起的步态改变
2022年7月6日
本实验方案描述了三维运动追踪/评估方法，用于描绘大鼠在暴露于模拟失用环境后步态运动的变化。
本方案提供了一套完整的流程，用于确定关节运动分析的参数。由于参数定义缺乏统一标准，关节运动分析通常较为复杂。我们展示了参数定义的标准示意图，这些示意图可普遍适用于相关领域。
首先，打开 MotionRecorder 应用程序。将大鼠放置在跑带表面。将跑带速度增加至 20 厘米每秒。
当大鼠以期望速度开始正常行走时，点击“录制”图标以开始视频采集。获得5到10个连续步态后，再次点击“录制”图标停止采集。打开3DCalculator应用程序，并载入待分析的视频文件。
通过调整顶部的水平滑动条来裁剪视频，以包含足够数量的连续步骤。为捕捉标记点，将骨骼模型上的标记图例拖动到视频中对应的标记位置，然后松开鼠标按钮。单击自动追踪图标。
如果系统无法准确追踪标记点，或因标记点丢失导致追踪过程中断，请单击“手动”图标切换至手动模式。单击骨架图上缺失的标记点图例，然后单击视频中对应的标记点。打开 KineAnalyzer 应用程序并加载文件。
转到“视图”，然后点击“编辑标记主控”菜单。这将打开标记主控编辑窗口。在标记“标签”上点击所需的标签或解剖标志，然后点击所需的颜色。
此流程将每个标记指定到一个特定的解剖标志点。然后在“链接”标签页中，通过连续单击两个标记来创建与每个肢体相对应的线条。通过在“颜色”列中选择所需颜色，为所创建的线条分配颜色。
在“角度”选项卡中定义角度。命名角度后，通过单击对应每个标记点的标记，将向量A指定为参考线，向量B指定为运动线。然后在同一选项卡的“操作”部分输入数值，以定义角度的方向。
接下来，在“距离”选项卡中定义距离参数。在距离设置部分选择两个对应的标记。将动物随机分为两组，每组各六只：一组为去负荷组，通过尾巴悬吊使动物后肢去负荷两周；另一组为对照组，动物自由活动。
站立相期间膝关节和踝关节的归一化联合运动轨迹显示，去负荷组的膝关节和踝关节伸展程度均大于对照组。去负荷后两周，去负荷组在站立中期的膝关节角度和踝关节角度等定量指标均显著大于对照组。代表站立中期髋关节高度的跖骨-髋关节距离在去负荷组也明显更高。
该方法为研究人员提供了确定关节运动参数的基本原理，使他们能够建立特定的框架来解决各自的研究问题。
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概述
本研究概述了一种用于三维运动追踪的实验方案，旨在分析大鼠在模拟失用环境下步态的变化。该方案可实现对关节运动的全面分析，并提供适用于多个研究领域的明确参数定义。本研究重点考察后肢卸载对大鼠运动过程中膝关节和踝关节活动的影响。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为分析
- 生物力学
背景
- 关节运动分析常因参数定义不清而受阻。
- 理解卸载后步态功能障碍有助于阐明失用的影响。
- 利用受控环境模拟失用对大鼠运动功能的影响。
- 采用先进的运动分析软件进行精确评估。
研究目的
- 建立一种在三维空间中追踪关节运动的实验方案。
- 评估后肢悬吊对步态力学的影响。
- 提供具有广泛适用性的标准化参数定义。
使用的方法
- 用于运动追踪的主要平台包括跑步机装置与 MotionRecorder 应用程序的结合使用。
- 生物学模型由经历两周后肢悬吊的大鼠组成，并与对照组进行比较。
- 未提及任何多组学工作流程；研究重点仍为生物力学分析。
- 关键步骤包括运动行为的视频记录、标记点追踪以及通过 KineAnalyzer 进行数据分析。
- 关节轨迹的标准化处理可揭示悬吊对关节角度的影响。
主要结果
- 研究结果表明，未负重组在站立阶段膝关节和踝关节角度表现出更大的伸展性。
- 定量测量显示，与对照组受试者相比，未负重组的膝关节和踝关节角度显著增加。
- 未负重组的跖骨至髋部距离显著增加，表明由于失用导致生物力学发生改变。
- 该方法可实现对相关研究问题中关节运动参数的精确测定。
结论
- 本研究展示了一种在失用条件下对关节运动进行定量分析的可靠方法。
- 该发现有助于理解固定后生物力学的适应性变化与功能缺陷。
- 该方法为进一步研究步态改变及康复策略奠定了基础。
常见问题
行业应用价值
在啮齿类动物模型中进行定量三维步态分析，能够客观评估失活动引起的神经肌肉和生物力学变化，支持早期发现和转化研究。该方法提供了标准化且可重复的关节运动参数，对于临床前模型选择中的机制性风险排除和预测可信度至关重要。该技术通过明确废用对运动功能的影响，并支持针对神经肌肉疾病的治疗假设进行风险调整后的推进，从而增强项目组合的决策能力。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够在与疾病相关的啮齿类动物模型中，对废用后的神经肌肉功能进行定量评估。
- 通过提供客观的关节运动参数以验证靶点，支持机制层面的风险降低研究。
- 有助于建立预测性信心，将神经或肌肉骨骼靶点与功能结局关联起来。
筛选与检测方法开发
- 建立经过验证且可重复的步态指标，用于候选干预措施的后续筛选。
- 标准化运动分析输出，支持检测方法开发及跨研究间的可比性。
- 能够从单个数据集中提取多个定量参数，提高检测的多功能性。
转化与临床前研究
- 将临床前步态指标与神经肌肉及康复研究相关的转化终点相匹配。
- 通过提供客观、定量的读数，支持从早期发现到临床前验证的连续性研究。
- 基于功能生物标志物的一致性，为风险调整后的推进决策提供依据。
流程与工作流整合
这种三维运动分析方法通过实现假设验证、检测标准化和转化终点对齐，融入了从发现到临床前研究的连续过程。
- Discovery Biology：支持对失用引起的神经肌肉变化进行假设检验，并阐明相关通路。
- Screening：提供可重复、定量的步态指标，用于化合物或干预措施的评估。
- Analytics：提供关节角度和距离测量数据，实现实验组间可靠的统计学比较。
- Translational Research：在神经肌肉研究中，将临床前研究结果与临床步态终点指标相衔接。
- Enterprise Reuse：提供可重复使用、标准化的工作流程，适用于跨治疗领域的多种啮齿类动物步态研究。
运营与企业影响
- 科学价值：提高神经肌肉靶点验证的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：增强步态分析工作流程的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过提供客观的功能性读数，改善决策中的“推进/终止”判断，提升资本使用效率。
- 项目组合影响：支持对针对失用或神经肌肉功能障碍的治疗项目进行基于风险调整的优先排序。
实施注意事项
- 需要具备运动捕捉、标记点放置和三维重建软件方面的专业知识。
- 需要使用多摄像头视频采集系统和专用分析应用程序。
- 需要在不同研究团队之间对参数定义和数据处理流程进行标准化。
- 若将该方法应用于其他啮齿类动物模型或疾病背景，可能需要优化实验方案。
- 若自动标记点追踪失败，可能需要人工干预，从而影响通量。
