Analyse cinématique 3D pour l’évaluation fonctionnelle dans le modèle de rat de la blessure d’écrasement de nerf sciatique
12 février 2020
Nous introduisons une méthode d’analyse cinématique qui utilise un appareil tridimensionnel de capture de mouvement contenant quatre caméras et un logiciel de traitement de données pour effectuer des évaluations fonctionnelles au cours de la recherche fondamentale impliquant des modèles de rongeurs.
Nous fournissons une méthode précise et DiCharacter pour les évaluations fonctionnelles des animaux de laboratoire. Il est sensible et fiable et dépourvu de lacunes attribuées à d’autres méthodes d’évaluation fonctionnelle. Par exemple, l’index fonctionnel sciatique.
Pour commencer, installez deux feuilles de plastique transparentes des deux côtés du tapis roulant pour laisser un rat LEWIS mâle de 12 semaines marcher dans une direction droite vers l’avant, puis allumez la grille de choc électrique. Faire marcher chaque rat sur le tapis roulant. Accélérez graduellement le tapis roulant à la vitesse désirée de 20 centimètres par seconde et laissez le rat marcher normalement à cette vitesse pendant cinq minutes.
Après chaque séance de marche, prévoir une pause de repos d’une à deux minutes. Répétez ce processus trois fois par jour cinq jours par semaine pendant une semaine. Pendant que le rat reçoit une anesthésie stable par le masque anesthésique, rasez une zone du bas du dos aux malléoles bilatérales à l’aide d’un rasoir électrique.
Placez le rat en position couchée. Utilisez un stylo marqueur noir pour marquer les repères osseux sur la peau rasée, une ligne à travers les processus épineux du lombaire aux vertèbres sacrées. En outre, utilisez un marqueur noir pour marquer les épines iliaques antérieures/supérieures, les trochanters plus grands, les articulations du genou, les malléoles latérales, les cinquièmes articulations phalangeales métatarsiennes et la pointe du quatrième orteil.
Ensuite, utilisez un adhésif liquide pour fixer des marqueurs hémisphériques à ces repères osseux, sauf pour la ligne à travers les processus épineux du lombaire aux vertèbres sacrées et la pointe du quatrième orteil. Après avoir placé tous les marqueurs, remettre le rat dans la cage. Ne mettez pas le rat sur le tapis roulant jusqu’à ce qu’il se rétablisse complètement de l’anesthésie.
Installez deux feuilles de plastique transparentes des deux côtés du tapis roulant et placez la boîte d’étalonnage au milieu du tapis roulant. Ouvrez le logiciel d’enregistrement, puis cliquez sur l’icône d’image d’étalonnage sur l’écran. Cliquez sur l’icône d’enregistrement pour enregistrer une à deux secondes de vidéo à partir de quatre directions à l’aide de 120 caméras CCD hertz.
Cliquez à nouveau sur l’icône d’enregistrement pour arrêter l’enregistrement. Ouvrez les fichiers vidéo dans le logiciel de calcul. Cliquez et faites glisser les points caractéristiques des modèles 3D de la boîte d’étalonnage dans le coin inférieur droit de l’écran vers les marqueurs correspondants sur les quatre images qui sont automatiquement transformées de la vidéo dans le modèle d’étalonnage.
Cliquez ensuite sur l’icône enregistrer. Maintenant, sortez la boîte d’étalonnage du tapis roulant, allumez la grille de choc électrique et placez le rat complètement éveillé sur le tapis roulant. Ouvrez le logiciel d’enregistrement et entrez les informations de base sur le rat, y compris son numéro de série, la vitesse de marche, et le nom de l’opérateur principal.
Allumez le tapis roulant et réglez la vitesse à 20 centimètres par seconde. Après que le rat s’adapte à la vitesse et est capable de marcher normalement, cliquez sur l’icône d’enregistrement sur l’écran pour enregistrer le rat de marche avec les quatre caméras. Une fois que plus de 10 étapes sont enregistrées, cliquez à nouveau sur l’icône pour arrêter l’enregistrement et éteindre le tapis roulant.
Remettre le rat dans la chambre d’induction de l’anesthésie pour l’anesthésie. Pendant que le rat est sous anesthésie continue via le masque anesthésique, retirez les marqueurs hémisphériques. Ouvrez le logiciel de calcul et ouvrez le fichier vidéo sur l’interface.
Cliquez et faites glisser la barre de contrôle bilatérale sur la barre de progression de la vidéo pour vous assurer que seul un enregistrement de marche sur tapis roulant en 10 étapes est affiché. Cliquez et faites glisser chaque point caractéristique du modèle 3D sur le coin inférieur droit de l’écran au marqueur correspondant sur chacune des quatre photos initiales des vidéos qui ont été prises par les caméras. Cliquez ensuite sur l’icône de traçage automatique pour démarrer le processus de traçage automatique des marqueurs.
Si le système ne trace pas exactement un marqueur, cliquez sur l’icône de numérisation manuelle pour passer au mode de traçage manuel, cliquez sur le point caractéristique de traçage du modèle 3D, puis sur le marqueur de réponse dans l’image. Une fois le marqueur cliqué, assurez-vous que l’image passe à l’image suivante de la vidéo. Cliquez maintenant en permanence sur le marqueur jusqu’à ce que le processus de traçage des marqueurs soit terminé.
Une fois terminé, cliquez sur l’icône enregistrer. Ouvrez le logiciel d’analyse, puis ouvrez le fichier vidéo traité sur l’interface. Cliquez sur l’icône de réglage et sélectionnez et ajoutez des paramètres désignés tels que l’angle de la cheville, l’angle des orteils et le déplacement pelvien vers la liste d’affichage dans la fenêtre popup sur la droite.
Cliquez sur OK pour que les courbes représentant les changements de valeur dans les paramètres apparaissent sur l’interface. Cliquez sur l’icône de mesure et sélectionnez le traitement en douceur dans son menu pull down. Entrez 20 hertz dans la fenêtre popup pour supprimer les fréquences supérieures à 20 hertz dans les courbes.
Au moyen de l’analyse cinématique 3D, le rapport moyen de la position ou de la phase de balançoire dans le cycle en 10 étapes a été automatiquement calculé et représenté sur l’interface. Chaque position bilatérale et phase de oscillation dans les périodes de cycle de 10 étapes pour le groupe témoin, une semaine après chirurgie, trois semaines après chirurgie, et six semaines après chirurgie groupes sont montrés ici. La forme normale du centre de gravité ressemble au signe de l’infini.
La forme de trajectoire du centre de gravité n’est revenu à une forme normale que six semaines après la chirurgie. La valeur moyenne de l’angle de cheville ou d’orteil dans la phase d’orteil outre a suggéré qu’ils se soient améliorés dans une direction vers le haut après chirurgie. Localiser les repères osseux sur la peau rasée aussi soigneusement et correctement que possible est la chose la plus importante.
l’analyse sur le nerf sciatique peut être exécutée et elle révélera la relation entre les changements fonctionnels et histologiques.
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Aperçu
Cette étude présente une méthode d'analyse cinématique utilisant un système de capture de mouvement 3D avec quatre caméras pour évaluer la locomotion des rongeurs. L'approche vise à fournir des évaluations fonctionnelles fiables qui améliorent les méthodes existantes.
Composants clés de l'étude
Domaine de la science
- Neuroscience
- Locomotion animale
- Cinématique
Contexte
- Les évaluations fonctionnelles des animaux de laboratoire peuvent être difficiles.
- Les méthodes actuelles peuvent présenter diverses lacunes.
- Le besoin d'une détection plus sensible et fiable dans les études.
- Les modèles de rongeurs sont fréquemment utilisés dans ces évaluations fonctionnelles.
Objectif de l'étude
- Développer une nouvelle méthode pour évaluer la locomotion des animaux de laboratoire.
- Améliorer la sensibilité et la fiabilité dans la capture de données fonctionnelles.
- Répondre aux limites des techniques d'évaluation existantes.
Méthodes utilisées
- Utilisation d'un appareil de capture de mouvement 3D et d'un logiciel de traitement des données.
- Implique des rats LEWIS mâles âgés de 12 semaines pour le protocole d'évaluation.
- Analyse cinématique étape par étape de la marche du rat, avec des instructions claires de configuration et d'exécution.
- Méthodes d'enregistrement et d'analyse qui incorporent plusieurs perspectives vidéo et calibration.
Résultats principaux
- La méthode permet un suivi et une analyse précis des phases de locomotion.
- Des changements notables observés dans les angles de la cheville et des orteils au fil du temps après la chirurgie.
- Les données soutiennent des insights sur la récupération fonctionnelle suite à l'intervention.
- La trajectoire du centre de gravité a montré des signes de normalité revenant seulement après six semaines.
Conclusions
- Cette étude démontre une méthode efficace pour l'analyse cinématique détaillée de la locomotion des rongeurs.
- Les améliorations de la fiabilité méthodologique peuvent améliorer significativement l'évaluation fonctionnelle dans la recherche.
- Les résultats peuvent faire progresser la compréhension des mécanismes de récupération locomotrice dans les modèles animaux.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Kinematic analysis using 3D motion capture provides a more sensitive and reliable functional evaluation method than traditional indices like SFI for rodent models of nerve injury. This approach supports target validation by enabling precise quantification of locomotor recovery, which is critical for de-risking mechanistic hypotheses in preclinical neuroscience programs. The method enhances predictive confidence in early discovery by delivering quantitative, reproducible data on neuromuscular function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise measurement of stance/swing phase ratios and joint kinematics in nerve injury models.
- Operational Value: Reduces mechanistic ambiguity by providing high-resolution temporal and spatial locomotor data not accessible via endpoint functional indices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variables such as ankle angle, toe angle, and center of gravity trajectory for assay standardization.
- Operational Value: Supports screening readiness through automated calculation of stance/swing phase means across multiple post-injury timepoints.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between functional recovery and histological changes, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by tracking recovery trajectories over six weeks post-surgery.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early biology to preclinical validation by delivering functional readouts that inform target confidence and pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via measurement of locomotor parameters that reflect sciatic nerve function.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs including pelvic shift and joint angles for compound evaluation.
- Analytics: Provides smooth-processed kinematic curves at 20 Hz cutoff for reliable inter-group comparison.
- Translational Research: Connects functional data to structural outcomes, enabling mechanistic de-risking before preclinical advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable locomotor phenotyping platform applicable across trauma and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through sensitive detection of functional deficits and recovery.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via calibrated 3D motion capture and software-based marker tracing.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing false negatives in functional assessment.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on longitudinal locomotor recovery profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture systems, marker placement, and kinematic data processing.
- Dependent on 3D motion capture apparatus with multi-camera synchronization and calibration tools.
- Necessitates cross-team standardization for marker placement protocols and software workflows.
- Involves adaptation considerations for different rodent strains and injury models due to skin shifting artifacts.
- Limited by high equipment cost, operational complexity, and potential data deviation from soft tissue movement.
