Migräne ist eine der weltweit am weitesten verbreiteten Erkrankungen des Gehirns, von der mehr als eine Milliarde Menschen betroffensind 1. Präklinische Mausmodelle der Migräne haben sich als informative Möglichkeit erwiesen, die Mechanismen der Migräne zu untersuchen, da diese Studien leichter kontrolliert werden können als Studien am Menschen, was eine kausale Untersuchung des migränebedingten Verhaltens ermöglicht2. Solche Modelle haben eine starke und wiederholbare phänotypische Reaktion auf Migräne-induzierende Verbindungen wie Calcitonin-Gene-Related Peptide (CGRP) gezeigt. Der Bedarf an robusten Messungen von migränerelevanten Verhaltensweisen in Nagetiermodellen besteht weiterhin, insbesondere solche, die mit mechanistischen Metriken wie Bildgebung und elektrophysiologischen Ansätzen gekoppelt werden können.
Migräneähnliche Hirnzustände sind phänotypisch gekennzeichnet durch das Vorhandensein von Lichtaversion, Pfotenallodynie, Gesichtshyperalgesie gegenüber schädlichen Reizen und Gesichtsgrimasse3. Solche Verhaltensweisen werden anhand der Gesamtzeit, die sie im Licht verbracht haben (Lichtaversion) und der Empfindlichkeitsschwellen für Pfoten- oder Gesichtsberührungen (Pfotenallodynie und Gesichtshyperalgesie) gemessen und sind auf eine einzige Messung über große Zeiträume (Minuten oder länger) beschränkt. Migräneähnliche Verhaltensweisen können bei Tieren durch die Verabreichung von Migräne-induzierenden Verbindungen wie CGRP hervorgerufen werden, die die Symptome menschlicher Patienten mit Migräne3 nachahmen (d. h. die Validität des Gesichts demonstrieren). Solche Verbindungen verursachen auch Migränesymptome, wenn sie beim Menschen verabreicht werden, was die Konstruktvalidität dieser Modelle demonstriert4. Studien, in denen Verhaltensphänotypen pharmakologisch abgeschwächt wurden, haben zu Entdeckungen im Zusammenhang mit der Behandlung von Migräne geführt und liefern eine weitere Untermauerung dieser Modelle (d. h. den Nachweis der prädiktiven Validität)5,6.
Zum Beispiel wurde gezeigt, dass ein monoklonaler Anti-CGRP-Antikörper (ALD405) bei Mäusen, die mit CGRP behandelt wurden, das lichtaversive Verhalten5 und die Gesichtsgrimasse6 reduziert, und andere Studien haben gezeigt, dass CGRP-Antagonisten das durch Distickstoffmonoxid induzierte migräneähnliche Verhaltensweisen bei Tieren reduzieren 7,8. Jüngste klinische Studien haben Erfolge bei der Behandlung von Migräne durch Blockierung von CGRP 9,10 gezeigt, was zu mehreren von der FDA zugelassenen Medikamenten führte, die auf CGRP oder seinen Rezeptor abzielen. Die präklinische Bewertung von Migräne-Phänotypen hat zu Durchbrüchen in den klinischen Erkenntnissen geführt und ist daher unerlässlich für das Verständnis einiger der komplexeren Aspekte der Migräne, die am Menschen nur schwer direkt getestet werden können.
Trotz zahlreicher Vorteile sind Experimente, bei denen diese Verhaltensdaten von Migräne bei Nagetieren verwendet werden, oft in ihren Fähigkeiten zur Abtastung zum Zeitpunkt eingeschränkt und können subjektiv und anfällig für experimentelle Fehler beim Menschen sein. Viele Verhaltensassays sind in der Fähigkeit, Aktivität mit feinerer zeitlicher Auflösung zu erfassen, eingeschränkt, was es oft schwierig macht, dynamischere Elemente zu erfassen, die auf einer Zeitskala von weniger als einer Sekunde auftreten, wie z. B. auf der Ebene der Gehirnaktivität. Es hat sich als schwierig erwiesen, die spontaneren, natürlich vorkommenden Elemente des Verhaltens im Laufe der Zeit mit einer sinnvollen zeitlichen Auflösung zu quantifizieren, um neurophysiologische Mechanismen zu untersuchen. Die Schaffung einer Möglichkeit, migräneähnliche Aktivität auf schnelleren Zeitskalen zu identifizieren, würde es ermöglichen, migräneähnliche Gehirnzustände extern zu validieren. Dies wiederum könnte mit der Gehirnaktivität synchronisiert werden, um robustere Gehirnaktivitätsprofile von Migräne zu erstellen.
Ein solcher migränebedingter Phänotyp, die Gesichtsgrimasse, wird in verschiedenen Kontexten als Schmerzmessung bei Tieren verwendet, die sofort gemessen und über die Zeit verfolgt werden kann11. Die Grimasse im Gesicht wird oft als Indikator für spontane Schmerzen verwendet, basierend auf der Vorstellung, dass Menschen (insbesondere nonverbale Menschen) und andere Säugetierarten natürliche Veränderungen des Gesichtsausdrucks zeigen, wenn sie Schmerzen empfinden11. Studien, in denen in den letzten zehn Jahren Gesichtsgrimassen als Hinweis auf Schmerzen bei Mäusen gemessen wurden, haben Skalen wie die Mouse Grimace Scale (MGS) verwendet, um die Charakterisierung von Schmerzen bei Nagetieren zu standardisieren12. Zu den Variablen des Gesichtsausdrucks des MGS gehören die Orbitastraffung (Schielen), die Nasenwölbung, die Wangenwölbung, die Ohrposition und die Veränderung des Schnurrhaars. Obwohl gezeigt wurde, dass das MGS Schmerzen bei Tieren zuverlässig charakterisiert13, ist es notorisch subjektiv und beruht auf einer genauen Bewertung, die von Versuchsleiter zu Versuchsleiter variieren kann. Darüber hinaus ist das MGS insofern eingeschränkt, als es eine nicht-kontinuierliche Skala verwendet und nicht über die zeitliche Auflösung verfügt, die erforderlich ist, um natürlich auftretendes Verhalten über die Zeit hinweg zu verfolgen.
Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, besteht darin, ein konsistentes Gesichtsmerkmal objektiv zu quantifizieren. Schielen ist das am konsequentesten verfolgbare Gesichtsmerkmal6. Das Schielen macht den Großteil der Gesamtvariabilität in den Daten aus, wenn alle MGS-Variablen (Schielen, Nasenwölbung, Wangenwölbung, Ohrposition und Schnurrhaarveränderung) berücksichtigt werden6. Da das Schielen den größten Teil zur Gesamtbewertung beiträgt, die mit dem MGS erhalten wird, und das Ansprechen auf CGRP 6,14 zuverlässig verfolgt, ist es die zuverlässigste Methode, um spontane Schmerzen in Migräne-Mausmodellen zu verfolgen. Dies macht das Schielen zu einem quantifizierbaren nicht-homöostatischen Verhalten, das durch CGRP induziert wird. Mehrere Labore haben Gesichtsausdrücke, einschließlich Schielen, verwendet, um potenzielle spontane Schmerzen im Zusammenhang mit Migräne darzustellen 6,15.
Es blieben einige Herausforderungen bestehen, wenn es darum ging, automatisierte Schielen in einer Weise durchzuführen, die mit mechanistischen Studien der Migräne gekoppelt werden kann. Zum Beispiel war es schwierig, das Schielen zuverlässig zu verfolgen, ohne sich auf eine feste Position zu verlassen, die in allen Sitzungen auf die gleiche Weise kalibriert werden muss. Eine weitere Herausforderung besteht darin, diese Art der Analyse auf einer kontinuierlichen Skala durchführen zu können, anstatt auf diskreten Skalen wie der MGS. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben wir uns zum Ziel gesetzt, maschinelles Lernen in Form von DeepLabCut (DLC) in unsere Datenanalyse-Pipeline zu integrieren. DLC ist ein maschinelles Lernmodell zur Posenschätzung, das von Mathis und Kollegen entwickelt wurde und auf eine Vielzahl von Verhaltensweisen angewendet wurde16. Mit ihrer Software zur Posenschätzung waren wir in der Lage, Modelle zu trainieren, die Punkte auf einem Mausauge mit nahezu menschlicher Genauigkeit genau vorhersagen konnten. Dies löst die Probleme der sich wiederholenden manuellen Bewertung und erhöht gleichzeitig die zeitliche Auflösung drastisch. Darüber hinaus haben wir durch die Erstellung dieser Modelle ein wiederholbares Mittel entwickelt, um das Schielen und die Schätzung der migräneähnlichen Gehirnaktivität über größere Versuchsgruppen hinweg zu bewerten. Hier stellen wir die Entwicklung und Validierung dieser Methode zur Verfolgung von Schielverhalten auf eine Weise vor, die zeitlich an andere mechanistische Messungen wie die Neurophysiologie gebunden werden kann. Das übergeordnete Ziel ist es, mechanistische Studien zu katalysieren, die zeitlich fixiertes Schielenverhalten in Nagetiermodellen erfordern.