Suivi synchrone multiarticulaire basé sur l’apprentissage profond pour la quantification objective de la cinématique locomotrice des membres postérieurs chez les rats

Nous avons développé un tapis de course piloté par IA pour suivre les mouvements des rats, nous aidant à évaluer précisément la récupération des lésions de la moelle épinière. Contrairement aux méthodes traditionnelles d’empreinte qui impliquent une économie articulaire complexe, notre système d’IA simulée suit directement les mouvements multiarticulaires. Pour commencer, allumez l’ordinateur personnel et lancez le logiciel d’acquisition et d’analyse vidéo.

Positionnez l’objectif perpendiculaire à l’axe longitudinal du tapis de course pour obtenir une vue strictement latérale, en maintenant une distance de travail horizontale de 15 centimètres depuis le plan de la courroie du tapis. Ensuite, notez le poids corporel de chaque rat avec une balance électronique. N’incluez que les rats dont le poids corporel est identique afin de minimiser les effets sur la taille corporelle.

Mettez des gants et attrapez doucement le rat. Passez la sangle élastique autour de l’aisselle avant et attachez-la au rail de glissière réglable. Ensuite, ajustez la sangle pour qu’un doigt puisse être inséré sans restreindre la respiration.

Sur l’écran tactile, réglez la vitesse à 150 millimètres par seconde et l’inclinaison à zéro degré. Réalisez une séance d’acclimatation de 10 minutes pour adapter le rat au niveau de soutien du poids corporel tout en surveillant les signes de stress et d’épuisement, tels que la réticence à bouger et la défécation prolongée. Confirmez l’acclimatation réussie lorsque le rat maintient une foulée continue et uniforme pendant au moins 60 secondes sans traîner la patte et avec une queue naturellement pendante.

Excluez les animaux qui ne remplissent pas ces critères après la période maximale d’acclimatation. Entrez les paramètres de l’expérience formelle sur l’écran tactile. Entrez séquentiellement la vitesse et l’inclinaison souhaitées, puis sélectionnez la direction de la courroie du tapis de course.

Après la stabilisation, sélectionnez Démarrer l’enregistrement pour commencer l’acquisition des données. Capturez continuellement au moins cinq cycles complets de démarche. À la fin de chaque essai, réduisez la vitesse à zéro millimètre par seconde.

Détachez la sangle pectorale et remettez le rat dans sa cage correspondante. Extraire des segments vidéo d’environ 10 secondes contenant la démarche cible avec au moins 10 cycles de pas stables. Enregistrez les informations sur le rat, y compris le numéro d’identification, le groupe et les conditions expérimentales.

Importez le fichier MOV dans le logiciel d’analyse. Normalisez chaque cycle de marche de zéro à 100 % pour standardiser la durée du cycle. Générez des images représentatives pour illustrer la dynamique de la démarche.

Exportez les coordonnées de position spatiale de chaque articulation au fil du temps sous forme de fichier csv pour une analyse plus approfondie. Après avoir terminé la modélisation animale, implantez le dispositif d’enregistrement électrophysiologique. Pour l’enregistrement des signaux cérébraux, placez des électrodes sur la surface du crâne, l’espace épidural ou le cortex cérébral pour enregistrer les signaux cérébraux.

Pour l’enregistrement de la moelle épinière, insérez des électrodes d’enregistrement dans l’espace péridural, le foramen intervertébral. Pour l’enregistrement électromyographique, enfouir des fils d’argent bipolaires dans les muscles cibles afin d’enregistrer l’activité électrique musculaire. Laissez l’animal récupérer pendant cinq à sept jours après l’implantation.

Vérifiez la plaie et la démarche quotidiennement pour vous assurer qu’il n’y a aucun signe d’infection ou de douleur avant le test sur tapis roulant. Préparez l’équipement et l’animal avant l’expérience synchronisée. Ensuite, synchronisez l’acquisition des données électrophysiologiques avec la vidéo de mouvement pour s’assurer que les deux partagent le même horodatage.

Alignez les signaux neuronaux avec les images vidéo correspondantes lors de l’analyse pour visualiser les schémas électrophysiologiques à différentes phases de démarche. Les rats atteints de lésions de la moelle épinière présentaient une perte significative de balancement et des courbes irrégulières de déplacement iliaque. Les rats atteints de lésions de la moelle épinière ont montré des fluctuations d’angle articulaire plus importantes que les rats en bonne santé.

La carte thermique de l’amplitude de mouvement articulaire a montré une diminution généralisée de l’échelle de couleurs chez les rats atteints de lésions de la moelle épinière par rapport aux rats en bonne santé, tandis que la carte de l’activité de trajectoire a révélé une réduction significative de l’amplitude de mouvement de chaque articulation, ainsi qu’une alteration de la continuité des mouvements. Pour les rats à lésions de la moelle épinière, la carte des nuages de points montrait une dispersion accrue et un décalage vers la gauche du centre de masse. Le graphique en cascade de hauteur montre une distribution bimodale le long de l’axe des x entre les groupes, avec une différence générale en chute au milieu du mouvement.

Pour l’axe des y, une chute de différence est observée au début du mouvement. La répartition globale des différences est chaotique, indiquant des phases de mouvement anormales chez les rats atteints de lésions de la moelle épinière par rapport aux rats en bonne santé. La répartition verticale des pointes de hauteur des orteils était décalée vers la droite chez les rats atteints de lésions de la moelle épinière.

Le tableau de la plage de vitesses montrait que la plage combinée de vitesses dans chaque frame était réduite dans le groupe blessé. De plus, les rats atteints de lésions de la moelle épinière ont également montré une réduction de la surface du plan de phase, de l’indice estimé de force de propulsion maximale et des indicateurs de fluidité des mouvements. Notre système permet aux chercheurs de mesurer précisément en temps réel les trajectoires multi-articulations, la distribution des forces et la fluidité des mouvements.

Un point important à considérer est de bien s’habituer au système de tapis roulant afin d’assurer une stabilité et d’analyser les schémas de démarche. Nous pouvons synchroniser le système avec un EMG ou un EEG pour décoder les signaux des mécanismes derrière ce mouvement.