Verwendung des MouseWalkers zur Quantifizierung der Dysfunktion des Bewegungsapparates in einem Mausmodell für Rückenmarksverletzungen

Summary

Es wird eine experimentelle Pipeline zur quantitativen Beschreibung des Bewegungsmusters von frei gehenden Mäusen mit der MouseWalker (MW) Toolbox bereitgestellt, die von ersten Videoaufnahmen und Tracking bis hin zur Analyse nach der Quantifizierung reicht. Ein Modell für Rückenmarksprellungen bei Mäusen wird verwendet, um die Nützlichkeit des MW-Systems zu demonstrieren.

Abstract

Die Ausführung komplexer und hochkoordinierter motorischer Programme, wie Gehen und Laufen, ist abhängig von der rhythmischen Aktivierung von spinalen und supraspinalen Schaltkreisen. Nach einer thorakalen Rückenmarksverletzung ist die Kommunikation mit den vorgelagerten Kreisläufen gestört. Dies wiederum führt zu einem Koordinationsverlust mit begrenztem Erholungspotenzial. Um den Grad der Genesung nach der Verabreichung von Medikamenten oder Therapien besser beurteilen zu können, sind daher neue, detailliertere und genauere Instrumente erforderlich, um den Gang, die Koordination der Gliedmaßen und andere feine Aspekte des Bewegungsverhaltens in Tiermodellen für Rückenmarksverletzungen zu quantifizieren. Im Laufe der Jahre wurden mehrere Assays entwickelt, um das Freilaufverhalten von Nagetieren quantitativ zu bewerten. Ihnen fehlen jedoch in der Regel direkte Messungen in Bezug auf Schrittschrittstrategien, Fußabdruckmuster und Koordination. Um diese Unzulänglichkeiten zu beheben, wird eine aktualisierte Version des MouseWalkers bereitgestellt, die einen frustrierten Totalreflexions-Laufsteg (fTIR) mit Tracking- und Quantifizierungssoftware kombiniert. Dieses Open-Source-System wurde angepasst, um mehrere grafische Ausgaben und kinematische Parameter zu extrahieren, und eine Reihe von Nachquantifizierungswerkzeugen kann zur Analyse der bereitgestellten Ausgabedaten verwendet werden. Dieses Manuskript zeigt auch, wie diese Methode, verbunden mit bereits etablierten Verhaltenstests, Bewegungsdefizite nach Rückenmarksverletzungen quantitativ beschreibt.

Introduction

Die effektive Koordination von vier Gliedmaßen ist nicht nur bei vierbeinigen Tieren der Fall. Die Koordination zwischen Vorder- und Hintergliedmaßen beim Menschen ist nach wie vor wichtig, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen, wie z. B. Schwimmen und Geschwindigkeitsänderungen beim Gehen¹. Verschiedene gliedmaßenkinematische² und motorische Programme ^1,3,4 sowie propriozeptive Rückkopplungskreise⁵ sind zwischen Menschen und anderen Säugetieren konserviert und sollten bei der Analyse von therapeutischen Optionen für motorische Störungen, wie z. B. Rückenmarksverletzungen (S....

Protocol

Alle Handhabungs-, chirurgischen und postoperativen Pflegeverfahren wurden vom Instituto de Medicina Molecular Internal Committee (ORBEA) und der portugiesischen Tierethikkommission (DGAV) in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Europäischen Gemeinschaft (Richtlinie 2010/63/EU) und dem portugiesischen Tierhaltungsgesetz (DL 113/2013) unter der Lizenz 0421/000/000/2022 genehmigt. Für die vorliegende Studie wurden weibliche C57Bl/6J-Mäuse im Alter von 9 Wochen verwendet. Es wurden alle Anstrengungen unternommen, um die Anzahl der Tiere zu minimieren und das Leiden der in der Studie verwendeten Tiere zu verringern. Das MATLAB-Skript und die Standalone-Version der MW-S....

Results

Das Standard-BMS-System beschreibt die grobmotorischen Defizite nach SCI¹⁴. Aufgrund seiner subjektiven Natur werden in der Regel andere quantitative Assays zusammen mit dem BMS durchgeführt, um eine detailliertere und feinere Beurteilung der Fortbewegung zu ermöglichen. Diese Tests liefern jedoch keine spezifischen Informationen über Schrittzyklen, Schrittmuster und die Koordination zwischen Vorder- und Hintergliedmaßen, was äußerst wichtig ist, um zu verstehen, wie die spinalen Schaltkreise ihre.......

Discussion

Hier wird das Potenzial der MouseWalker-Methode durch die Analyse des Bewegungsverhaltens nach Rückenmarksverletzung demonstriert. Es bietet neue Einblicke in spezifische Veränderungen der Schritt-, Fußabdruck- und Gangmuster, die sonst von anderen Standardtests übersehen würden. Neben der Bereitstellung einer aktualisierten Version des MW-Pakets werden die Datenanalysewerkzeuge auch mit den mitgelieferten Python-Skripten beschrieben (siehe Schritt 5).

Da der MW einen großen Datensatz und eine.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
45º Spiegel
2 Aluminiumprofil (2 x 2 cm), 16 cm hoch, 1 auf jeder Seite	Misumi
2 Aluminiumprofil (2 x 2 cm), 23 cm, @ 45°; , 1 auf jeder Seite	Misumi
1 Aluminiumprofil (2 x 2 cm), 83 cm lang	Misumi
87 x 23 cm Spiegel Allgemeiner	Glaslieferant
schwarzer Kartonfüller	Wir		haben 2 verwendet, eines mit 69 x 6 cm und eines mit 69 x 3 cm, um die Reflexion auf dem Spiegel zu begrenzen
Hintergrundbeleuchtung
109 x 23 cm Plexiglas (0,9525 cm dick)	Allgemeiner Eisenwarenlieferant
2 seitliches Aluminiumprofil (4 x 4 cm), 20 cm lang, 1 auf jeder Seite	Misumi
mehrfarbiger LED-Streifen	Allgemeiner Hardware-Lieferant
weißes undurchsichtiges Papier zum Abdecken des Plexyglases	Allgemeiner Schreibwarenlieferant
fTIR Stützsockel und Pfosten
2 Aluminium-Extrusion (4 x 4 cm), 100 cm Höhe	Misumi
60 x 30 cm metrisches Steckbrett	Edmund Optics	#54-641
M6 12 mm Schrauben	Edmund Optics
M6 Sechskantmuttern und -gewinde	Edmund Optics
fTIR Walkway
109 x 8,5 cm Plexiglas (1,2 cm dick)	Allgemeiner Hardwarelieferant		109 x 8,5 cm Plexyglas (1,2 cm dick)
109 cm lang Base-U-Kanal Aluminium mit 1,6 cm Höhe x 1,9 cm Tiefe dicke Falten (zum Halten des Plexyglases)	Allgemeiner Hardwarelieferant
2 seitliche Aluminiumprofile (4 x 4 cm) 20 cm Länge, 1 auf jeder Seite	Misumi
schwarzer Kartonfüller	Allgemeiner Schreibwarenlieferant		Wir haben auf jeder Seite 2 Füllstoffe verwendet, um die Grenzen des Plexiglases abzudecken und helle Kanten zu vermeiden
M6 12 mm Schrauben	Edmund Optics
Hochgeschwindigkeitskamera (auf einem Stativ)
Blackfly S USB3	FLIR	#BFS-U3-32S4M-C	Dies ist eine Empfehlung. Voraussetzung ist, dass mindestens 100 Bilder pro Sekunde aufgezeichnet
Infinite Horizon Impactor
Infinite Horizon Impaktor	Präzisionssysteme und Instrumentierung, LLC.	#0400
Lens
Nikon AF Zoom-Nikkor 24-85mm	Nikon	#1929	Dieses Objektiv wird empfohlen, es können jedoch auch andere Objektive verwendet werden. Stellen Sie sicher, dass es eine große Apertur (d. h. kleinere Blendenwerte) enthält, um fTIR-Signale zu erfassen
Software
MATLAB R2022b	MathWorks
Python 3.9.13	Python Software Foundation
Anaconda Navigator 2.1.4	Anaconda, Inc.
Spyder 5.1.5			Spyder-Projekt
Gehwegwand
2 große rechteckige Apriliken mit 100 x 15 cm	Beliebiger Bricolage-Supermarkt
2 Trapezische Akrilik-Zugänge mit 6-10 Länge x 15 cm Höhe	Beliebiger Bricolage-Convenience-Store
GitHub Materials
Ordnername	URL
Boxplots	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Boxplots		Skript zum Erstellen von Boxplots
Docs https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docs			Zusätzliche
Dokumente Heatmap	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Heatmaps		Skript zum Erstellen einer Heatmap
Matlat-Skript	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20Script		MouseWalker Matlab-Skript
PCA	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plots		Skript zur Durchführung von
Rohdatendiagrammen	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plots		Skript zum Erstellen von Rohdatendiagrammen,
Residuenanalyse	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysis		Code zum Berechnen von Residuen aus Rohdaten