Tiefenlernen-basiertes Mehrgelenk-Synchrontracking zur objektiven Quantifizierung der Hintergliedmaßen-Lokomotor-Kinematik bei Ratten

Summary

Dieses Protokoll etabliert eine kinematische Bewertungspipeline für Ratten-Hintergliedmaßen mittels eines markerlosen Laufbandtests mit Deep-Learning-gesteuerter Auto-Labeling, die eine reproduzierbare Bewegungsquantifizierung ermöglicht.

Abstract

Eine genaue und objektive Bewertung des Rattengangs ist für neurowissenschaftliche und kinesiologische Forschungsfelder unerlässlich. Konventionelle Systeme verlassen sich häufig auf Fußabdruckbildgebung für die indirekte Ganginferenz, die die Mehrgelenk-Kinematik der Hintergliedmaßen nicht vollständig erfassen kann. Diese Studie etabliert ein markerloses, auf dem Laufband basierendes Ganganalysesystem für Nagetieren, das maßgeschneiderte Deep-Learning-Algorithmen mit einem programmierbaren Gewichtsstützlaufband integriert, um eine Echtzeitverfolgung mehrerer Untergliedmaßengelenke und multidimensionale kinematische Quantifizierung zu ermöglichen. Das System extrahiert automatisch Gang-Zyklus-Parameter, Gelenkbahnen, Kraftverteilungsmuster und Bewegungsglätte unter modulierter Geschwindigkeit (0–300 mm/s), Steigung (±30° Steigung) und graduierter Gewichtsstütze (0–500 g) und bietet so ein objektives Bewertungsinstrument für die Forschung zum neuromuskulären Verhalten. Mit Hilfe von Rückenmarksverletzungsmodellen (SCI) zeigen die Ergebnisse die Empfindlichkeit des Systems bei der Erkennung multidimensionaler Unterschiede in Gelenkbewegungsumfang, Flugbahnkontinuität, Antriebskraft und Bewegungsglätte zwischen gesunden und verletzten Nagetieren, was seine Krankheitsdiskriminierung und Bewertungsfähigkeiten bestätigt. Im Vergleich zu traditionellen subjektiven Scores oder Fußabdruckmethoden eliminiert diese Plattform persönliche Verzerrungen und geringdimensionale Datenbeschränkungen und kombiniert gleichzeitig eine Deep-Learning-basierte Architektur und Vorteile bei der Datenerhebung mit hoher Durchsatzleistung. Sie ist auf Forschung anwendbar, die sich mit zentralen oder peripheren Nervenverletzungen, neurodegenerativen Erkrankungen, muskuloskelettalen Erkrankungen und Alterungsprozessen befasst. Durch die synchrone Integration der neuroelektrophysiologischen Module ermöglicht das System zudem die temporale Kopplung von Gang- und neuronalen Signalen, wodurch ein methodischer Rahmen zur Analyse zentral-peripherer Kontrollmechanismen und zur Entwicklung neuromodulatorischer Strategien geschaffen wird.

Introduction

In der zeitgenössischen Neurowissenschaft und der Lokomotorikforschung ist die objektive Gangquantifizierung heute unerlässlich, um neuronale Muskelfunktionen zu analysieren, Krankheitsmechanismen aufzuklären und Rehabilitationsstrategien zu bewerten¹. Seine hohe raumzeitliche Auflösung ermöglicht die Erfassung subtiler Variationen in Synergien zwischen neuronalen Befehlen, Muskelaktivierungsprofilen und skelettaler Mechanik und schafft so eine empirische Grundlage für die Untersuchung der Koordination supraspinaler Bahnen, peripherer Rückkopplung und mechanischer Kontexte. Reproduzierbare kinematische Metriken....

Protocol

Alle Tierverfahren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee des Beijing Institute for Brain Research genehmigt und entsprachen den Richtlinien für die Pflege und Nutzung von Labortieren. Es wurden keine verfahrensbedingten unerwünschten Ereignisse festgestellt.

1. Ausrüstungsvorbereitung

1. Schalten Sie die Stromversorgung des Laufbandsystems ein und wählen Sie die Geschwindigkeitskontrolltaste auf dem Touchscreen.
2. Lass den Riemen 30 Sekunden mit niedriger Geschwindigkeit laufen, um zu beobachten, ob der Laufbandriemen abweicht.
3. Wä....

Results

Das schematische Diagramm und das tatsächliche Foto der Struktur des Laufbandsystems sind in Abbildung 1A,B jeweils dargestellt. Das Gerät ist in der Lage, hochkontrastige laterale Bilder ohne Marker zu erstellen. Das Laufband unterstützt Anpassungen für Geschwindigkeit, Steigung, Richtung und Gewichtsreduzierung und ist mit einem numerischen Bedienfeld ausgestattet. Die begleitende Softwareoberfläche umfasst eine Echtzeit-Überwachungs- und .......

Discussion

Dieses Protokoll definiert ein laufbandbasiertes Ganganalysesystem für Ratten und dessen operative Verfahren und bietet ein multidimensionales und objektives Bewertungsinstrument für neuromuskuläre Verhaltensforschung. Wie in den Intergruppenvergleichen der Gangparameter zwischen SCI und gesunden Ratten in der Exemplarstudie gezeigt wird, ermittelt das System rohe räumliche Bewegungskoordinaten der Subjekten durch kontinuierliche Hochbildrate-Gait-Videografie und einen KI-gesteuerten aut.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gait AI Annotation & Akquisitionssoftware	Shanghai ClinAITrial Technology Co., Ltd.	MouseAI	MouseAI ist die integrierte Analyse -Software für das MOVEMETRICS-Laufband, die Videoaufnahme, Metadatenprotokollierung und automatisierte Ganganalyse in einem einzigen Workflow vereint.
Mechanische Wirkung	RWD Life Science, Shenzhen, China
Mehrkanal-elektrophysikalisches logisches Aufzeichnungssystem	Kedou (Suzhou) Gehirn – Computer Technology Co. ,	KedouBC RHD128A	KedouBC RHD128A ist ein kompaktes, 128-Kanal in vivo elektrophysiologisches Erfassungssystem, das für hochauflösende neuronale Aufzeichnungen bei kleinen bis großen Labortieren entwickelt wurde. Durch die Integration von leichten, Plug-and-Play-Headstages (&le), 16-Bit-A/D-Konvertierungen und programmierbaren Verstärkern erfasst er EEG-, ECoG-, LFP-, Spikes-, EMG- und EKG-Signale von 0,1 Hz bis 30 kHz mit ≤ 2.4 &Mikro; V-Systemrauschen und > 10 GΩ Eingangsimpedanz. RHD128A liefert robuste, benutzerskalierbare neuronale Daten, um Studien zu Gehirn-Maschine-Schnittstellen zu beschleunigen, Neurodegeneration und Rehabilitation.
Laufband	Shanghai ClinAITrial Technology Co., Ltd.	MOVEMETRICS	MOVEMETRICS ist ein hochpräzises instrumentiertes Laufband für fortgeschrittene Nagetier-Ganganalyse.