Summary
Vi beskriver et nyt gangart analyse system, Paw-print analyse af kontrast-forbedrede optagelser (Prancer), et åbent automatiseret system til kvantificering af gangart-karakteristika hos rotter, der udnytter et nyt halvgennemsigtig gulv til automatisk at kvantificere Gait. Dette system blev valideret ved hjælp af Haloperidol-modellen af Parkinsons sygdom.
Abstract
Gait-analyse bruges til at kvantificere ændringer i motorisk funktion i mange gnaver modeller af sygdom. På trods af betydningen af at vurdere gangart og motorisk funktion inden for mange forskningsområder, har de tilgængelige kommercielle muligheder flere begrænsninger såsom høje omkostninger og mangel på tilgængelig, åben kode. For at løse disse problemer, udviklede vi PrAnCER, Paw-print analyse af kontrast-forbedrede optagelser, til automatiseret kvantificering af gangskit. De kontrast forbedrede optagelser fremstilles ved hjælp af et gennemsigtigt gulv, der skjuler objekter, som ikke er i kontakt med overfladen, og som effektivt isolerer rotte poteaftryk, når det går. Ved hjælp af disse videoer måler vores enkle softwareprogram pålideligt en række spatiotemporale gangart-parametre. For at påvise, at PrAnCER præcist kan detektere ændringer i motorisk funktion, har vi anvendt en Haloperidol-model af Parkinsons sygdom (PD). Vi testede rotter ved to doser af Haloperidol: høj dosis (0,30 mg/kg) og lav dosis (0,15 mg/kg). Haloperidol signifikant øget holdning varighed og bagpote kontaktområde i den lave dosis tilstand, som kan forventes i en PD-model. I den høje dosis tilstand, vi fandt en lignende stigning i kontaktområde, men også en uventet stigning i skridtlængde. Med yderligere forskning, vi fandt, at denne øgede skridtlængde er i overensstemmelse med den afdrift-flugt fænomen almindeligt observeret ved højere doser af Haloperidol. Således, PrAnCER var i stand til at opdage både forventede og uventede ændringer i gnaver gangart mønstre. Desuden, vi bekræftede, at Prancer er konsekvent og præcis i forhold til manuel scoring af gangart parametre.
Introduction
Gnavere er almindeligt anvendt som modeller til at studere en bred vifte af sygdomme ogskader, herunder arthritis1, Parkinsons sygdom (PD)2,3, Neuromuskulære lidelser4,5,hydrocephalus6 og rygmarvsskader7. Under disse forhold kan symptomer som smerte, balance og motorisk funktion måles ved at studere dyrenes gangart-mønstre. Disse mønstre er kvantificeret ved hjælp af et sæt spatiotemporale gangart parametre, der opsummerer placering og timing af pote prints samt området for Paw kontakt på jorden.
Selv om mange muligheder for gangart analyse findes, nuværende systemer har flere ulemper. I traditionel blæk-og papir test er et dyrs poter belagt med blæk, før det går hen over et stykke hvidt papir (figur 1a). De resulterende poteaftryk kan derefter måles for skridtlængde og holdning bredde, men centrale tidsmæssige gangart parametre såsom hastighed eller trin varighed kan ikke vurderes. Moderne video-baserede systemer er mere pålidelige, men video analyse kræver omstændelig frame-by-frame scoring, medmindre et passende automatiseret system bruges8. Der er mange kommercielle automatiserede scoring systemer i øjeblikket til rådighed, men disse systemer kan være uoverkommeligt dyre. Derudover er disse systemer afhængige af klare gulve eller i nogle tilfælde løbebånd, som begge ændrer naturlige bevægelser. Løbebånd har vist sig at maskere motoriske underskud i nogle sygdomsmodeller9, mens klare gulve (figur 1b) får mus til at bruge mere tid på omkredsen af et åbent felt, hvilket indikerer øget angst10. Ideelt set ville et gangart analyseapparat ikke stole på enten, der producerer de mest naturlige bevægelsesmønstre med mindst stress til dyret.
Tilgængelige open-source og kommercielle muligheder bruger en række forskellige metoder til at overvinde vanskeligheden ved at isolere et fodspor fra dyrets krop trods variable lysforhold, dyre farve, og print former. Nogle forbedrer kontrasten ved at kontakte poter ved hjælp af overflader, der frigiver lys som reaktion på tryk7,11,12, men disse er dyre og teknisk vanskelige at konstruere. Andre systemer udnytter flere synsvinkler, som tillader observation af hele kroppen koordination8,13. Selv om disse muligheder giver fordele ved at måle yderligere motorparametre ud over gangart, er de unødigt komplekse for simpel gangart-analyse. Yderligere, alle disse teknikker er afhængige af klare gulve, som ændrer naturlige adfærd.
PrAnCER er baseret på, hvad vi kalder kontrast-forbedrede optagelser, som bruger en kombination af belysning og et halvgennemsigtig gulv til at forbedre detektering af udskrifter. Når det ses nedefra, skaber dette et billede med høj kontrast (Paw print), mens det skjuler visningen af objekter, der ikke er i kontakt med overfladen (dyrets krop) (figur 1d). Når det ses ovenfra, vises gulvet uigennemsigtigt. Den resulterende fremgang af poterne i vores metode tillader nøjagtig identifikation af en række af gangart og bevægeapparatet egenskaber ved vores nyudviklede automatiserede system. I denne undersøgelse beskriver vi apparatet, vores gangart-analyse protokol og vores automatiserede scoringssystem, Prancer. Vores apparat er let samles og PrAnCER kan bruges til at vurdere motoriske underskud i en bred vifte af sygdomme og skade modeller.
For at påvise, at Prancer kan bruges til at opdage unormale gangart mønstre, vi brugte en Haloperidol model af PD, en simpel model for forbigående induktion af bevægeapparatet ændringer14. Haloperidol er en dopamin receptor antagonist meget anvendt som en antipsykotisk1. Det påvirker motorsystemer ved at ændre dopamin signalering i striatum, en vigtig del af motorvejen i basal basale ganglier14. Selv en enkelt dosis Haloperidol reducerer hurtigt ekstracellulære dopamin niveauer i striatum, forårsager Parkinsonian-lignende motor defecits15. De adfærdsmæssige effekter er muskuløs stivhed, akinesia, og katalepsi, som er defineret som en manglende evne til at vende tilbage til en normal kropsholdning efter at være placeret i en usædvanlig position11,16. Akutte doser af Haloperidol forårsager bevægelses underskud, som kan identificeres i rotarod-testen af motorfunktion17. Vi begrundede, at Haloperidol-medierede bevægelseshæmning også ville være tydelig i en række egenskaber, der er tilgængelige for automatiseret gangart-analyse.
Selv om responser på Haloperidol varierer meget på tværs af studier, opstår cataleptiske virkninger af Haloperidol ved doser på 0,5 mg/kg og højere, mens nedsat reaktionsevne og motorisk svækkelse er detekterbar ved lavere doser (0,1-0,3 mg/kg)16, 17. i et forsøg på at undgå de kataleptiske virkninger af Haloperidol, besluttede vi at teste to doser af Haloperidol: en høj dosis (0,30 mg/kg) og en lav dosis (0,15 mg/kg). Som vist i tabel 1undersøgte eksperiment 1 virkningerne af højdosis Haloperidol, mens eksperiment 2 testede virkningen af Haloperidol med lav dosis. Vi brugte en inden-emne design, hvor hver rotte blev testet i høj dosis, lav dosis, og kontrol (saltvand) betingelser. Rækkefølgen af betingelsen blev udlignet på tværs af rotter. Vi forudsagde, at akut administration af Haloperidol ville forårsage gangart-funktionsnedsættelser svarende til dem, der findes i andre PD-modeller, såsom nedsat hastighed, nedsat skridtlængde og længere stilling varighed3,14,18 ,19. Vi observerede adfærdsmæssige ændringer, herunder akinesi efter administration af Haloperidol ved begge doser. I den lave dosis tilstand, rotter havde signifikant øget holdning varighed og bagpote kontaktområde, som forventet. Disse gangart-ændringer kan sammenlignes med de langsomme, bland ende trin, der er almindelige blandt PD-patienter2,20. I den høje dosis tilstand, dog, vi oplevede en stigning i skridtlængde samt en stigning i Paw kontaktområde. Selv om stigningen i stride længde var uventet, yderligere gennemgang af litteraturen indikerede, at det er sandsynligt en del af en Haloperidol-induceret bracing-Escape respons. Vi konkluderer, at PrAnCER er faktisk i stand til at påvise Parkinsonian-lignende ændringer i gnaver gangart i overensstemmelse med brugen af neuroleptika.
Protocol
Alle procedurer var i overensstemmelse med Brown University institutionel dyrepasning og anvendelse udvalg retningslinjer.
1. Gait-analyseapparater
- Forbered gangart-analyse gangbro bestående af en klar plexiglas lukket gangbro (36 "L x 3" W x 4,5 "H) anbragt på en klar plexiglas gulv (figur 2a). Gør plexiglas gulvet halvgennemsigtig ved at dække det med et stykke 16 lb bomulds fiber udarbejdelse vellum skåret i samme bredde som gangbro.
Bemærk: der er andre metoder til at gøre gulvet halvgennemsigtig. - Placer et kamera med en billedhastighed på mindst 30 billeder pr. sekund (fps) direkte undergang broen for at fange midten af sporet (figur 2b).
- Fastgør en strimmel af 12 V LED-lamper med 18 lysdioder/fod ca. 2 inches væk fra og 1 tommer over gulvet i gangbro for at belyse sporet.
2. tilberedning af dyr
- Lad dyrene akklilimere til vivarium i mindst 1 uge før håndtering. Behandle rotterne i mindst 5 dage før påbegyndelse af forsøget. Denne undersøgelse brugte 8 mandlige lange Evans rotter ca. 3 måneder gammel.
-
Habituate dyrene til testrummet og gangbro med rum lysene slukket
- Placer rotte hjem bur på overfladen niveau i slutningen af gangart gangbro til at tjene som en mål boks. Bemærk, at hvis hjem bur er dyb, alderen eller bevægelseshæmmede rotter kan drage fordel af en rampe eller trin for at give lettere adgang til hjemmet bur.
- Lad rotten til at gå fra experimenter hånd ned længden af gangbro for at nå sit hjem bur.
- Rotter vil ofte stoppe i slutningen af gangbro til at kigge rundt, før hoppe ned i hjemmet bur. Hvis en rotte tager længere end 1 min at forlade gangbro, opmuntre den til at indtaste sit hjem bur med en blid push.
- Hvis rotten vender rundt, skal du bruge et lille stykke plexiglas til at blokere "Start" enden af gangbro. Gentag for i alt 3 kørsler.
- Habituate i mindst 2 dage eller indtil rotterne er komfortable krydser gangbro i et stabilt tempo uden frysning.
3. procedure for afprøvning af Gait
- Juster indstillingerne på webcam software for at opnå det klareste billede af pote prints. Sluk for rummet lys til alle gangart test.
- Optag hver kørsel separat, og mærk den korrekt til brug sammen med det automatiserede analyseprogram.
- Sørg for, at der ikke er pletter eller snavs på vellum. Begynd optagelsen et par sekunder, før rotten kommer ind i gangbro og stop, når rotten forlader gangbro og går ind i sit hjem bur.
- Fortsæt indtil enten tre acceptable kørsler er afsluttet eller 10 min er gået.
- Tør gangbro med ethanol i mellem hver rotte og Udskift vellum efter behov.
Bemærk: en acceptabel retssag er defineret som en, hvor dyret går konsekvent og uden pause for de første 4 trin af kørslen. Hvis dette er svært at opnå, skal du justere kriterierne til at omfatte forsøg, hvor der er 4 på hinanden følgende trin på ethvert tidspunkt i kørslen, der opstår uden pauser eller pludselige acceleration.
4. PrAnCER automatiseret analyse
- Sæt alle videoer, der skal analyseres i en mappe.
- Start PrAnCER ved at køre Python script Prancer. PrAnCER vil analysere videoerne baseret på trinene illustreret i figur 3 og figur 4.
- Vælg den angivne mappe i pop op-menuen ved at trykke på knappen Vælg en mappe . Vælg brugerdefinerede indstillinger til analyse, hvis det ønskes. Du kan finde detaljerede beskrivelser af hver parameter ved at klikke på spørgsmålstegnet ud for dem. Klik på Fortsæt , når du er færdig.
- Definer et interesseområde (ROI) på billedet af den gangbro, der vises. For at gøre dette, venstre klik for at definere en øverste kant og højreklik for at definere en nederste kant. Hvis den boks, der vises, er korrekt, skal du trykke på N for at fortsætte. Hvis ikke, skal du trykke på Z for at fortryde. Når N er trykket ned, vil programmet køre automatisk.
- Når PrAnCER er fuldført, skal du afslutte programmet ved at trykke på Enter i terminalen.
- Hvis du vil gennemgå resultaterne af PrAnCER manuelt, skal du køre Python-scriptet Gaiteditorgui og vælge den relevante. mp4-fil for hver video. Hvis det er nødvendigt, skal du rette eventuelle mis-identificerede eller flettede udskrifter.
- Hvis du vil udtrække rumlige og tidsmæssige gangart-parametre, skal du køre Python-scriptet parameteranalyzer. Vælg antallet af Hind udskrifter, du vil analysere, og den mappe med videoer, du vil analysere, og klik derefter på Fortsæt. Dette vil udsende en. csv-fil for hver video, der indeholder et antal fælles gangart-parametre, som er beskrevet i tabel 2 og illustreret i figur 5.
Bemærk: de komplette scripts, samt instruktioner til læsning og analyse af data, er tilgængelige på forfatterens GitHub (www.github.com/hayleybounds). Vi implementerede denne algoritme ved hjælp af den gratis open source Python library OpenCV21. Også inkluderet på GitHub er instruktioner til at bygge vores gangart analyse gangbro.
Representative Results
Haloperidol-proceduren
Vi har udviklet denne gangart analyse system til at sammenligne gangart parametre i kontrol rotter til dem i eksperimentelle rotter forventes at vise en række bevægeapparatet, gang, og balance svækkelser. Vi brugte en inden-emne design, hvor hver rotte blev testet i saltvand, høj dosis Haloperidol og lav dosis Haloperidol betingelser. Rotter blev opdelt i to grupper (A og B) for at muliggøre udligning; gangart test var kontra balanceret for tid på dagen og orden af tilstand. Hver test blev adskilt af 48 h. rotter blev let bedøvet med isofluran, før de fik intraperitoneal (IP) injektioner af enten saltvand eller Haloperidol. Gait blev testet 1 h efter injektion, på hvilket tidspunkt Haloperidol skal være på Peak niveauer15,16,17.
Adfærdsmæssige resultater
Vi observerede fremtrædende adfærdsændringer hos dyr behandlet med Haloperidol. I den høje dosis tilstand, fem af de otte rotter havde perioder med immobilitet i starten af gangbro, hvor de var afvisende over for eksperimententer rører dem og modstandsdygtig over for at blive flyttet. I nogle tilfælde, denne tilstand varede i flere minutter, indtil rotten blev fjernet fra gangbro. I andre tilfælde, den immobile rat ville pludselig bevæge sig hurtigt eller "bundet" på tværs af gangbro og derefter vende tilbage til immobile tilstand nær slutningen. I den lave dosis tilstand, 3 af de 8 rotter havde lignende perioder med immobilitet. På denne dosering, der var kun én forekomst af afgrænsnings adfærd. Der blev ikke observeret nogen afgrænsnings, da dyrene blev behandlet med saltvand.
Vi analyserede virkningerne af Haloperidol på følgende gangart parametre: base af støtte, skridtlængde, stride hastighed, holdning varighed, holdning til swing ratio, maksimale kontaktområde, og afstanden mellem ekstremiteter. Fordi mange gangart parametre for forreste og baglemmer er identiske og Haloperidol generelt har ensartede virkninger på alle lemmer, vi beregnede parametre for kun bagbenene og ikke adskille data for venstre og højre lemmer. For hver rotte beregnede vi middelværdien af hver enkelt gangart-parameter fra alle brugbare kørsler fra hver testdag. Alle parametre (bortset fra hastigheds variabilitet) blev beregnet som middelværdien for de første 4 brugbare trin i en løbetur. For at vurdere, om hver dosis af Haloperidol påvirkede Gait signifikant, brugte vi en parret prøve t-test. I eksperiment 1 var der en signifikant stigning i skridtlængde (figur 6a; t (7) =-2,962, p = 0,021) og maksimalt kontaktområde (figur 6a; t (7) =-2,51, p = 0,04) hos dyr behandlet med højdosis Haloperidol. Base af støtte, hastighed, holdning varighed og holdning til swing ratio var ikke signifikant. I eksperiment 2 viste dyr, der fik lavdosis Haloperidol, en signifikant stigning i Behandlingsvarigheden (figur 6b; t (7) =-2,444, p = 0,044) og det maksimale kontaktområde (figur 6b; t (7) =-3,085, p = 0,018) sammenlignet med salt tilstanden. Ingen andre gangart-parametre var signifikante. Derudover var der en signifikant forskel mellem de høje doser og lavdosis Haloperidol i støtte grundlaget (figur 6c; t (7) = 2,651, p = 0,033), det maksimale kontaktområde (figur 6c; t (7) = 4,635, p = 0,002) og afstanden mellem ekstremiteter ( Figur 6c; t (7) = 3,098, p = 0,017).
Din placeringsnøjagtighed og fejl i det automatiserede system
For at vurdere nøjagtigheden af PrAnCER sammenlignede vi sin automatiserede analyse med den manuelle scoring af 21 tilfældigt udvalgte videoer fra en separat gruppe på 6 kontrol rotter. Til hånd scorende formål blev videoerne konverteret til en sekvens af billeder, som derefter blev brugt til manuelt at markere placeringen af udskrifter. For effektivitet fokuserede vi vores analyse på geodata, målt fra bagaftryk. Vi udpakkede den gennemsnitlige skridtlængde og BOS for hver video og sammenlignede den med de automatiserede værdier. Mens den gennemsnitlige skridtlængde ikke var signifikant forskellig mellem manuel scoring og analyse af PrAnCER (figur 7b; t (20) =-0,01, p = 0,99), var støtte grundlaget signifikant (figur 7a; t (20) =-2,21, p = 0,038). Selvom den automatiserede og manuelle scoring generelt var godt korreleret, rapporterede det automatiserede system en 5% større BOS i gennemsnit. Denne forskel kan skyldes afvigelser i barycentrum-valget i stedet for detekterings fejl. For manuel scoring var udskrifts placeringen markeret tegning af en oval omkring bunden af hver Hind print, da det ville være vanskeligt manuelt at replikere PrAnCER metode til centrum for masse estimering. Den klare tendens var for PrAnCER at overvurdere BOS, måske fordi nogle dyr kan splay deres tæer ud i en asymmetrisk måde, forårsager PrAnCER at observere mere ekstreme centroids end manuel scoring. Andre systemer har også bemærket betydelige stigninger i BOS mellem manuel og automatiseret scoring trods konsekvente skridtlængde foranstaltninger17. I betragtning af de små forskelle observeret og sammenhængen med andre systemer, konkluderer vi, at Prancer er en pålidelig måling af gangart parametre.
Det er vigtigt at bemærke, at alle nøjagtighed analyse fandt sted efter manuel korrektion af den automatiserede udgang blev udført ved hjælp af PrAnCER GUI. Som i eksisterende kommercielle systemer er dette trin nødvendigt både for at korrigere fejl i scoring og for at eliminere kørsler, der ikke opfylder kriterierne22. Vi indstillede PrAnCER til at fejle på siden af falske positiver, da disse er lettere at korrigere post-hoc. Vi har aldrig observeret PrAnCER undlader at opdage en reel print under manuel korrektion af over 500 videoer. Der blev imidlertid observeret andre typer fejl. Disse faldt i 3 kategorier: falske opdagelser (påvisning af en ikke-print som en udskrift), fejl klassificeringer (print forkert som front/Hind eller venstre/højre), og falske kombinationer (to udskrifter fejlagtigt flettet). Disse fejl er let korrigeres i den medfølgende GUI, og typisk forekomme i kun en lille procentdel af videoer filmet under normale forhold. Selv med sådanne korrektioner, Prancer markant nedsætter mængden af manuel arbejdskraft involveret i gangart analyse. Vi anslår, at for hver video tager det ca. 3 min at køre PrAnCER og korrigere eventuelle output fejl (hvis det er nødvendigt), mens det ville tage næsten 10 minutter at manuelt score og analysere den samme video.
Figur 1. Sammenligning af gangart-analysemetoder. (A) den traditionelle blæk og papir metode producerer upræcise udskrifter af pote form og placering. (B) video optagelse med et gennemsigtigt gulv giver en detaljeret visning af poteaftryk, men indeholder mange iøjnefaldende træk fra rotte krop, der komplicerer automatiseret scoring. (C) letvægtspapir over et klart gulv skaber et støjende billede og taber detaljer. (D) brugen af vellum til at skabe et gennemsigtigt gulv producerer meget detaljerede udskrifter, mens du visuelt eliminerer kroppen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Skematisk illustration af gangart gangbro apparat og videooptagelse. (A) rotten går gennem en klar gangbro med et gennemsigtigt gulv til hjemmet bur mål boksen, mens der optages nedefra. I dette tilfælde dækker vellum et gennemsigtigt gulv for at gøre det gennemsigtigt. Gangbro er belyst af LED strimler placeret langs dens længde på et niveau mellem dyrets fødder og krop. (B) et skærmbillede af en videooptagelse, der demonstrerer virkningerne af det gennemsigtige gulv. To poter er tydeligt synlige, men rotte krop er i det væsentlige målbart. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Detekterings proces for en ramme af en pote print. A) det originale billede er afdæmpet og derefter underkastet baggrunds subtraktion (B). (C) en kant detekterings algoritme anvendes, og resultaterne konverteres til en serie af X, Y-koordinater kaldet konturer (D). (E) konturer er grupperet efter nærhed, og konvekse skroget (afgrænsningsrammen) af gruppen er taget til at producere en enkelt kontur, der omfatter print. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Konvertering af individuelle registreringer til en klassificeret udskrift. (A) poteaftryk identificeres først i et sæt rammer. (B) individuelle objekt registreringer får et nummer, der identificerer dem som en udskrift, som repræsenterer en enkelt placering af en pote (C). (D) endelig er de klassificeret som venstre eller højre baseret på deres placering i forhold til midterlinjen af dyrets vej, og front eller Hind baseret på deres placering i forhold til de tidligere Paw prints. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Illustration af gangart-parametre analyseret. (A) et eksempel output, der viser identifikation og placering af poteaftryk. De oprindelige fundne kanter vises med sort. Endelige detekterede poter og omtrentlige område er vist i farver, der indikerer pote klassifikation. I denne figur, gul: forreste venstre, grøn: bagvenstre, cyan: forreste højre, og magenta: Hind højre. Farverne kan dog ændres i Python-scriptet i henhold til bruger præference. (B) et plot, der illustrerer to store tidsmæssige parametre: den tid, hver pote er i kontakt med jorden (holdning fase) og i luften (swing fase). Farvede blokke indikerer holdning fase og de hvide rum indikerer swing fase. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Virkningerne af Haloperidol på gangpå. A) resultater af eksperiment 1: høj dosis Haloperidol (halH) signifikant forøget skridtlængde og maksimale kontaktområde sammenlignet med salt stand (sal). B) eksperiment 2 resulterede i mere typiske Parkinson-symptomer. lav dosis Haloperidol (halL) signifikant øget holdning varighed og maksimale kontaktområde. (C) ved sammenligning af Haloperidol-behandlede forhold fra begge forsøg, forhøjede Haloperidol-højdosis base af støtte, maksimalt kontaktområde og afstanden mellem ekstremiteter i forhold til den lave dosis tilstand. Data er betyder ± SEM, n = 8. Parrede prøver t-test forskelle var som følger: # p < 0,05, # # p < 0,01. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. Nøjagtighed af automatiseret analyse. (A) det automatiserede system afviger markant fra manuel scoring ved måling af Bos, selv om dette kan skyldes variationer i det manuelle barycentrum-valg i stedet for detekterings fejl. (B) det automatiserede system er ikke signifikant forskelligt fra manuel scoring for skridtlængde. Disse nøjagtigheds resultater er i overensstemmelse med dem fra andre tilgængelige systemer. Data er betyder ± SEM, n = 21. Parrede prøver t-test forskelle var som følger: # p < 0,05. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Sammenligning af tidsmæssige parametre. Tidsmæssige gangart mønstre for et dyr behandlet med saltvand (A) og lav dosis Haloperidol (B). C) en illustration af det udbenende-Escape-respons fra en rotte, der har fået Haloperidol med høj dosis. Som i figur 5, farvede blokke indikerer, når pote var i kontakt med jorden (holdning fase) og de hvide rum indikerer, når pote var i luften (swing fase). Forkortelser: fl, forreste venstre; Hl, bagtil venstre; Fr, forreste højre; Hr, baghøjre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Eksperiment 1 | Eksperiment 2 | |||||||
| Test 1 | Test 2 | Test 3 | Test 4 | Test 5 | Test 6 | Test 7 | Test 8 | |
| Gruppe A | HalH | Sal | HalH | Sal | Sal | HalL | Sal | HalL |
| Gruppe B | Sal | HalH | Sal | HalH | HalL | Sal | HalL | Sal |
Tabel 1. Eksperimentelt design. Denne tabel illustrerer det eksperimentelle design, der anvendes i dette studie. Vi brugte en inden-motiv design, hvor hver rotte blev testet i høj dosis Haloperidol (halH), lav dosis Haloperidol (halL) og saltvand (sal) betingelser. Rotter blev inddelt i to grupper; test var kontra balanceret for tid på dagen og orden af tilstand.
| Parameter | Definition |
| Skridtlængde | Afstand mellem på hinanden følgende kontakter af samme pote |
| Trin længde | Afstanden mellem på hinanden følgende kontakter af kontralaterale foran-eller bagpoter langs aksen i bevægelsesretningen |
| Støtte base (BOS) | Afstand mellem på hinanden følgende konlaterale front-eller bagpoter vinkelret på aksen i bevægelsesretningen |
| Maksimalt kontaktområde | Det maksimalt fundne område på et bagtryk |
| Afstand mellem ekstremiteter | Afstand mellem ipsilaterale front og bagpoter |
| Varighed af holdning | Længden af tid en pote var i kontakt med jorden |
| Swing varighed | Længden af tid en pote var ikke på jorden |
| Holdning til swing ratio (SSR) | Holdning varighed/swing varighed |
| Diskret hastighed | Stride længde/(holdning varighed + swing varighed) for en pote |
| Gennemsnitshastighed | Gennemsnit af diskrete hastigheder i den periode, der anvendes i analysen |
| Hastighedsvariation | Procentvis ændring i diskrete hastigheder under kørslen |
| Kørehastighed | Tid til at krydse tunnelen/tunnel længde |
Tabel 2. Beskrivelse af gangart parametre. Denne tabel beskriver de mest almindeligt anvendte gangart parametre; de, der anvendes i denne undersøgelse, er angivet med fed skrift.
Discussion
I denne undersøgelse testede vi Prancer, et nyt automatiseret gangart analyse system, der udnytter kontrast-forbedrede videoer produceret ved hjælp af et gennemsigtigt gulv til at sløre dyrets krop og til at give klart definerede Paw prints til enkel automatiseret detektion. PrAnCER præcist identificerer Paw prints og er følsom over for ændringer i motorisk funktion. Vi brugte Prancer til at vurdere gangart-ændringer i en akut Haloperidol-model af PD. Selv om Haloperidol ikke inducerede de forventede motoriske underskud i en robust PD-model, var vi ikke desto mindre i stand til at påvise, at Prancer præcist kan detektere ændringer i gangart-mønstre. Endelig kvantificerede vi nøjagtigheden af Prancer og påviste, at dens måling af centrale gangart parametre er sammenlignelig med den for manuel scoring.
I begge Haloperidol-behandlede tilstande observerede vi en høj incidens af frysning adfærd (akinesia) efterfulgt af en flugt respons af løb eller afgrænsnings fremad. Mens akinesi er blevet observeret ved en lignende dosis (0,25 mg/kg) i flere undersøgelser16,23, denne afgrænsnings adfærd er ikke i overensstemmelse med typiske parkinsonian symptomer3,14,19, 24. Interessant, vi fandt, at høj dosis Haloperidol behandling resulterede i signifikant øget skridtlængde. Dette fund var oprindeligt overraskende, fordi andre Haloperidol modeller af PD har vist et fald i skridtlængde3,19. Men de giver mening i lyset af den "bracing-Escape" adfærdsmønster beskrevet af de Ryck et al. (1980), der rapporterede, at rotter løber for at undslippe efter akinetiske perioder, og at høj hastighed gaits såsom løb og afgrænsnings er forbundet med øget stride længde4,25 (figur 8c). Høj dosis behandling resulterede også i signifikant øget maksimale kontaktområde af bagpoterne. Lavdosis Haloperidol-behandling resulterede i mere karakteristiske PD-gangart-ændringer, herunder en signifikant stigning i holdning varighed og maksimale kontaktområde (figur 8a-B). Disse resultater kan være en afspejling af muskelstivhed forbundet med Haloperidol-induceret akinesia.
På trods af den usædvanlige bracing-flugt adfærd, vi var i stand til at påvise, at PrAnCER kan faktisk opdage ændringer i gangbar. Vi viste, at i de korrekte lysforhold kan et gennemsigtigt gulv producere et meget kontrast ligt og detaljeret billede af poterne. I denne undersøgelse lavede vi en transparent gulv gennemskinne ved at dække den med vellum. Den samme effekt kunne opnås ved at placere en anden gennemskinnelige dækker, såsom mylar, over et gennemsigtigt gulv. Alternativt kan gulvet selv være gennemsigtigt ved at bruge, for eksempel, frostet plexiglas. Den gennemskinnelige gulv og enkle plexiglas gangbro er billig og kan konstrueres i en eftermiddag. Vores Edge-Detection-baserede analyse system er modstandsdygtigt over for mange variationer i apparatet og tilbyder justerbare tærskler for at tilpasse systemet til forskellige opsætninger, sygdomsmodeller eller mindre dyr som mus.
Nogle gangart parameter analyser blev ændret fra konventionelle formler på grund af aspekter af gangbro. For eksempel adskiller vores metode til beregning af hastighed sig fra andre gangart-undersøgelser; det gennemsigtige gulv kombineret med LED-belysning skjuler kroppens synspunkt, så det er ikke muligt at spore kroppens position for at beregne hastigheden, som det normalt gøres. Til denne undersøgelse blev hastigheden beregnet ved at dividere den tilbagelagte afstand mellem to kontakter af samme pote ved tiden fra første kontakt til anden kontakt. Selvfølgelig kan andre formler anvendes. For eksempel, hvis en overordnet måling af hastighed er nødvendig, kunne man opdele afstanden fra gennemsnittet af brystben steder i begyndelsen og slutningen af kørslen af varigheden af kørslen.
Vores analyse bekræfter, at selv om det ikke er identisk med manuel scoring, udfører vores automatiserede system med høj nøjagtighed og genererer pålidelige målinger af gangart. Det her beskrevne apparat er optimeret til en simpel, billig analyse af motorisk funktion. Men, flere ændringer kunne gøres, der ville udvide nytten af PrAnCER. En begrænsning af vores system er, at den halvgennemsigtig gulv, samtidig med at fremragende pote afsløring, skjuler dyrenes krops akse. Selvom vi ikke har fundet det nødvendigt, kan dette løses ved at tilføje et overhead kamera til systemet. En anden forbedring ville være brugen af et videokamera med en højere frame rate. Mens vi var i stand til at opnå konsekvente estimater af tidsmæssige parametre, er nøjagtigheden af disse foranstaltninger kompromitteret ved billedhastigheder under 100 fps8. Tilføjelse af en højhastigheds videokamera ville kræve nogen ændring af analyse software samtidig øge nøjagtigheden og præcisionen af tidsmæssige foranstaltninger. Derudover bruger flere andre gangart-systemer et spejl til samtidig at registrere de laterale og ventrale visninger af rotten2,8,13. Tilføjelse af denne funktion til vores apparat ville tillade mere nøjagtig kvantificering af hastighed og bedre observation af adfærd under kørsler.
I denne undersøgelse viste vi, at brugen af et halvgennemsigtig gulv effektivt isolerer pote udskrifter ved at blokere synligheden af objekter, der ikke er i kontakt med gangbro gulvet. Vi udviklede et automatiseret scoringssystem, der udnytter denne høje kontrast pote print til præcist at identificere poter. Vi viste, at dette system, Prancer, kvantificerede gangart parametre med en nøjagtighed, der kan sammenlignes med kommercielle systemer. Vi fastslået, at administration af en høj dosis af Haloperidol øget skridtlængde og maksimale kontaktområde sammenlignet med saltvand. Selv om denne ændring er det modsatte af, hvad vi forventede, yderligere gennemgang af eksisterende litteratur indikerer, at det er sandsynligt en del af flugt adfærd observeret som reaktion på akut administration af Haloperidol. Lavdosis Haloperidol behandling resulterede i mere typiske PD symptomer såsom øget holdning varighed og maksimale kontaktområde. Vi konkluderer, at mens akut høj dosis Haloperidol administration er en dårlig model til at studere gangart funktionsnedsættelser forbundet med PD, vores undersøgelse ikke desto mindre demonstreret evnen af Prancer til præcist at detektere ændringer i motorisk funktion. I fremtiden, håber vi at yderligere validere PrAnCER ved at studere bevægeapparatet ændringer i andre sygdomsmodeller.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Carney Institute for Brain Science på Brown University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gait Walkway Apparatus | |||
| 1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 1 piece cut to 3 1/2" W x 36" L; 2 pieces cut to 4 1/2" W x 36" L Note: We made our walkway 36" long based off of an exisiting plexiglass table we had in house, it could easily be made longer if desired. |
|
| 1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $10 4 pieces, cut to 1" W by 4" L These will be used to keep the tunnel in place |
|
| 10 series 80/20 framing pieces, 1" x 1" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1010-S | Approximate Price: $16 2 pieces cut to 36" L |
| 12V Flexible LED Strip Lights, 16.4ft/5m LED Light Strips, Daylight White | Amazon | Approximate Price: $10 | |
| Bostik Blu-Tack Adhesive | Amazon | Approximate Price: $8 | |
| Clearprint 1000H drafting vellum, 16 LB cotton fiber | Dick Blick Art Supplies | 11101-1046 | Approximate Price: $50 Cut to 4" W x 36" L Note: This particular vellum comes as a roll; we kept it on the roll and cut it to 4" W. Mylar or frosted plexiglass could also be used in place of the vellum, but the camera software detection settings would need to be adjusted. |
| Logitech HD Pro Webcam C920, 1080p | Amazon | Approximate Price: $50 | |
| Mobile Laptop Computer Desk Cart Height-Adjustable | Amazon | Approximate Price: $40 Small table to place the animals' home cage on at the end of the walkway. |
|
| Plastic ramp | Pets Warehouse | Approximate Price: $6 Optional: Ramp to assist the animals descend into home cage |
|
| RetiCAM Tabletop Tripod with 3-Way Pan/Tilt Head | Amazon | Approximate Price: $30 | |
| SCIGRIP #16 solvent cement for acrylic - clear, medium bodied | Amazon | Approximate Price: $8 | |
| Plexiglass table | Approximate Price: $ | ||
| 15 series 80/20 framing pieces, 1.5" x 1.5" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1515 | Approximate Price: $110 6 pieces cut to 36" L, 2 pieces cut to 12" With both ends tapped with standard 5/16-18 threads Framing for the plexiglass table top and table legs |
| 15 series 3 Way - Light Squared Corner Connector | 80/20 Inc. | 14177 | Approximate Price: $24 4 connectors To connect the table top and legs |
| 1/4" clear plexiglass sheet | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 Cut at 15" W x 39" L |
|
| 5/16-18 x 1" Button Head Socket Cap Screw | 80/20 Inc. | 3118 | Approximate Price: $5 Quantity = 12 |
| Deluxe Leveling Feet, 5/16-18 x 2" | 80/20 Inc. | 2194 | Approximate Price: $50 Quantity = 4 For table legs |
| “T” Handle Ball End Hex Wrench, 3/16" | 80/20 Inc. | 6000 | Approximate Price: $5 |
References
- Lakes, E. H., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations. Osteoarthritis and Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).
- Lee, H. Y., Hsieh, T. H., Liang, J. I., Yeh, M. L., Chen, J. J. Quantitative video-based gait pattern analysis for hemiparkinsonian rats. Medical & Biological Engineering & Computing. 50 (9), 937-946 (2012).
- Zhou, M., et al. Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease. Neuroscience Letters. 584, 184-189 (2015).
- Batka, R. J., Brown, T. J., Mcmillan, K. P., Meadows, R. M., Jones, K. J., Haulcomb, M. M. The need for speed in rodent locomotion analyses. Anatomical Record. 297 (10), 1839-1864 (2014).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson’s disease or amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).
- Williams, M. T., et al. Kaolin-induced ventriculomegaly at weaning produces long-term learning, memory, and motor deficits in rats. International Journal of Developmental Neuroscience. 35, 7-15 (2014).
- Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).
- Kloefkorn, H. E., et al. Automated Gait Analysis Through Hues and Areas (AGATHA): A Method to Characterize the Spatiotemporal Pattern of Rat Gait. Annals of Biomedical Engineering. 45 (3), 711-725 (2017).
- Pereira, J. E., et al. A comparison analysis of hindlimb kinematics during overground and treadmill locomotion in rats. Behavioural Brain Research. 172 (2), 212-218 (2006).
- Nakamura, A., et al. Low-cost three-dimensional gait analysis system for mice with an infrared depth sensor. Neuroscience Research. 100, 55-62 (2015).
- Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
- Mendes, C. S., Bartos, I., Márka, Z., Akay, T., Márka, S., Mann, R. S. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13 (50), (2015).
- Machado, A. S., Darmohray, D. M., Fayad, J., Marques, H. G., Carey, M. R. A quantitative framework for whole-body coordination reveals specific deficits in freely walking ataxic mice. eLife. 4, (2015).
- Duty, S., Jenner, P. Animal models of Parkinson’s disease: a source of novel treatments and clues to the cause of the disease. British Journal of Pharmacology. 164 (4), 1357-1391 (2011).
- Kulkarni, S. K., Bishnoi, M., Chopra, K. In vivo microdialysis studies of striatal level of neurotransmitters after haloperidol and chlorpromazine administration. Indian Journal of Experimental Biology. 47 (2), 91-97 (2009).
- Jain, N. S., Tandi, L., Verma, L. Contribution of the central histaminergic transmission in the cataleptic and neuroleptic effects of haloperidol. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 139 (Part A), 59-66 (2015).
- Steinpreis, R. E., Anders, K. A., Branda, E. M., Kruschel, C. K. The Effects of Atypical Antipsychotics and Phencyclidine (PCP) on Rotorod Performance. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 63 (3), 387-394 (1999).
- Baptista, P. P. A., et al. Physical exercise down-regulated locomotor side effects induced by haloperidol treatment in Wistar rats. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 104, 113-118 (2013).
- Chuang, C. S., Su, H. L., Cheng, F. C., Hsu, S., Chuang, C. F., Liu, C. S. Quantitative evaluation of motor function before and after engraftment of dopaminergic neurons in a rat model of Parkinson’s disease. Journal of Biomedical Science. 17 (9), (2010).
- Bugalho, P., Alves, L., Miguel, R. Gait dysfunction in Parkinson’s disease and normal pressure hydrocephalus: a comparative study. Journal of Neural Transmission. 120 (8), 1201-1207 (2013).
- Bradski, G. The OpenCV Library. , (2000).
- Chen, H., Du, J., Zhang, Y., Barnes, K., Jia, X. Establishing a Reliable Gait Evaluation Method for Rodent Studies. Journal of Neuroscience Methods. 283, 92-100 (2017).
- De Ryck, M., Hruska, R. E., Silbergeld, E. K. Estrogen and haloperidol-induced versus handling-related catalepsy in male rats. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 17 (5), 1027-1035 (1982).
- Bellardita, C., Kiehn, O. Phenotypic Characterization of Speed-Associated Gait Changes in Mice Reveals Modular Organization of Locomotor Networks. Current Biology. 25 (11), 1426-1436 (2015).
- De Ryck, M., Schallert, T., Teitelbaum, P. Morphine versus haloperidol catalepsy in the rat: a behavioral analysis of postural support mechanisms. Brain Research. 201 (1), 143-172 (1980).
