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

Wir haben ein KI-gesteuertes Laufband entwickelt, um Rattenbewegungen zu verfolgen und so die Genesung von Rückenmarksverletzungen präzise zu bewerten. Im Gegensatz zu traditionellen Fußabdrucksmethoden, die komplexe Gelenkökonomie erfordern, verfolgt unser simuliertes KI-System die Mehrgelenkbewegungen direkt. Starten Sie den Industriecomputer und starten Sie die Videoaufnahme- und Analysesoftware.

Positionieren Sie das Kameraobjektiv senkrecht zur Längsachse des Laufbands, um eine strikt seitliche Ansicht zu erhalten, wobei ein horizontaler Arbeitsabstand von 15 Zentimetern zur Ebene des Laufbands erhalten bleibt. Als Nächstes wird das Körpergewicht jeder Ratte mit einer elektronischen Waage erfasst. Beziehen Sie nur Ratten mit gleichem Körpergewicht ein, um die Auswirkungen auf die Körpergröße zu minimieren.

Zieh Handschuhe an und ergreife die Ratte vorsichtig. Wickle den elastischen Brustgurt um die vordere Achselhöhle und befestige ihn an der verstellbaren Schiebeschiene. Dann stellen Sie den Riemen so ein, dass ein Finger eingeführt werden kann, ohne die Atmung einzuschränken.

Auf dem Touchscreen stellen Sie die Geschwindigkeit auf 150 Millimeter pro Sekunde und die Steigung auf null Grad ein. Führen Sie eine 10-minütige Akklimatisierungssitzung durch, um die Ratte an das Gewicht des Körpergewichts anzupassen, während Sie die Ratte auf Anzeichen von Stress und Erschöpfung wie Bewegungsunfähigkeit und langanhaltendes Defäkieren überwachen. Bestätigen Sie eine erfolgreiche Akklimatisierung, wenn die Ratte mindestens 60 Sekunden lang einen gleichmäßigen und gleichmäßigen Schritt ohne Pfotenschleifen und mit einem natürlich hängenden Schwanz beibehält.

Schließen Sie Tiere aus, die diese Kriterien nach der maximalen Eingewöhnungsphase nicht erfüllen. Geben Sie die Parameter für das formelle Experiment auf dem Touchscreen ein. Geben Sie die gewünschte Geschwindigkeit und Steigung nacheinander ein und wählen Sie dann die Richtung des Laufbandriemens aus.

Nach der Stabilisierung wählen Sie Start Recording, um mit der Datenerfassung zu beginnen. Erfassen Sie kontinuierlich mindestens fünf vollständige Gangzyklen. Am Ende jedes Versuchs wird die Geschwindigkeit auf null Millimeter pro Sekunde reduziert.

Lösen Sie den Brustgurt und bringen Sie die Ratte zurück in ihren entsprechenden Käfig. Extrahiere Videosegmente von etwa 10 Sekunden, die den Zielgang mit mindestens 10 stabilen Gangzyklen enthalten. Registrieren Sie die Ratteninformationen, einschließlich Identifikationsnummer, Gruppe und experimentellen Bedingungen.

Importiere die MOV-Datei in die Analysesoftware. Normalisiere jeden Gangzyklus von null bis 100 %, um die Zykluslänge zu standardisieren. Erstellen Sie repräsentative Bilder, um die Gangdynamik zu veranschaulichen.

Exportiere die räumlichen Positionskoordinaten jedes Gelenks über die Zeit als CSV-Datei zur weiteren Analyse. Nach Abschluss der Tiermodellierung implantieren Sie das elektrophysiologische Aufzeichnungsgerät. Für die Aufzeichnung von Gehirnsignalen werden Elektroden auf der Schädeloberfläche, im PDA-Raum oder am Großhirnrinde platziert, um Gehirnsignale aufzunehmen.

Für die Rückenmarksaufnahme werden Aufnahmeelektroden in den epiduralen Raum des Intervertebral-Foramens eingesetzt. Für die Elektromyographie werden bipolare Silberdrähte in die Zielmuskeln eingegraben, um die elektrische Aktivität der Muskeln zu erfassen. Lassen Sie das Tier fünf bis sieben Tage nach der Einnistung erholen.

Überprüfen Sie die Wunde und den Gang täglich, um sicherzustellen, dass keine Anzeichen von Infektion oder Schmerzen vorhanden sind, bevor Sie auf dem Laufband getestet werden. Bereite die Ausrüstung und das Tier vor dem synchronisierten Experiment vor. Synchronisiere dann die elektrophysiologische Datenerfassung mit dem Bewegungsvideo, um sicherzustellen, dass beide denselben Zeitstempel teilen.

Richten Sie die neuronalen Signale während der Analyse mit entsprechenden Videobildern aus, um elektrophysiologische Muster in verschiedenen Gangphasen zu visualisieren. Die Ratten mit Rückenmarksverletzung wiesen einen erheblichen Verlust des Schwungs und unregelmäßige Darmbeinverschiebungskurven auf. Ratten mit Rückenmarksverletzungen zeigten im Vergleich zu gesunden Ratten erhöhte Gelenkwinkelschwankungen.

Die Heatmap des Gelenkbewegungsradius zeigte eine weit verbreitete Abnahme der Farbskala bei Rückenmarksverletzungsratten im Vergleich zu gesunden Ratten, während die Bewegungspfad-Aktivitätskarte eine signifikante Verringerung des Bewegungsumfangs jedes Gelenks sowie eine beeinträchtigte Bewegungskontinuität zeigte. Bei Ratten mit Rückenmarksverletzungen zeigte die Punktwolkenkarte eine erhöhte Streuung und eine nach links gerichtete Verschiebung des Massenmittelpunkts. Das Höhenwasserfalldiagramm zeigt eine bimodale Verteilung entlang der x-Achse zwischen den Gruppen mit einem allgemeinen Differenzabfall in der Mitte der Bewegung.

Für die y-Achse wird zu Beginn der Bewegung ein Differenzabfall beobachtet. Die Gesamtverteilung der Differenzen ist chaotisch, was auf abnormale Bewegungsphasen bei Rückenmarksverletzungsratten im Vergleich zu gesunden Ratten hinweist. Die vertikale Höhenspitzenverteilung der Zehen wurde bei Rückenmarksverletztenratten nach rechts verschoben.

Das Geschwindigkeitsbereichsdiagramm zeigte, dass der kombinierte Geschwindigkeitsbereich in jedem Rahmen in der Verletzungsgruppe verengt war. Darüber hinaus zeigten die Rückenmarksverletzungsratten auch eine Verringerung des Phasenebenenbereichs, des geschätzten Spitzenkraftindex und der Bewegungsglättigkeitsindikatoren. Unser System ermöglicht es Forschern, die Mehrgelenkbahnen, die Kraftverteilung und die Bewegungsglätte in Echtzeit präzise zu messen.

Ein wichtiger Aspekt ist es, die Ratte gründlich an das Laufbandsystem zu gewöhnen, um stabile und analysierende Gangmuster sicherzustellen. Wir können das System mit EMG oder EEG synchronisieren, um die Signale der Mechanismen hinter dieser Bewegung zu entschlüsseln.