Method Article

שימוש בהליכון עכבר לכימות תפקוד לקוי של מנוע עכבר במודל עכבר של פגיעה בחוט השדרה

DOI:

10.3791/65207

⸱

March 24th, 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Instituto de Medicina Molecular João Lobo Antunes, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa, 2iNOVA4Health, NOVA Medical School|Faculdade de Ciências Médicas, NMS|FCM, Universidade Nova de Lisboa, 3Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

צינור ניסיוני לתיאור כמותי של דפוס הלוקומוטור של עכברים ההולכים בחופשיות באמצעות ארגז הכלים MouseWalker (MW) מסופק, החל מהקלטות וידאו ראשוניות ומעקב ועד ניתוח לאחר כימות. מודל פגיעה בחוט השדרה בעכברים משמש כדי להדגים את התועלת של מערכת MW.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ביצוע תוכניות מוטוריות מורכבות ומתואמות מאוד, כגון הליכה וריצה, תלוי בהפעלה קצבית של מעגלים בעמוד השדרה ובמעגלים העל-שדרתיים. לאחר פגיעה בעמוד השדרה החזי, התקשורת עם מעגלים במעלה הזרם נפגעת. זה, בתורו, מוביל לאובדן קואורדינציה, עם פוטנציאל התאוששות מוגבל. לפיכך, כדי להעריך טוב יותר את מידת ההחלמה לאחר מתן תרופות או טיפולים, יש צורך בכלים חדשים, מפורטים ומדויקים יותר לכימות הליכה, תיאום גפיים והיבטים עדינים אחרים של התנהגות מוטורית במודלים של בעלי חיים של פגיעה בחוט השדרה. במהלך השנים פותחו מספר בדיקות להערכה כמותית של התנהגות הליכה חופשית במכרסמים; עם זאת, הם בדרך כלל חסרים מדידות ישירות הקשורות לאסטרטגיות הליכה צעד, דפוסי טביעת רגל וקואורדינציה. כדי להתמודד עם חסרונות אלה, מסופקת גרסה מעודכנת של MouseWalker, המשלבת מסלול הליכה מתוסכל של השתקפות פנימית כוללת (fTIR) עם תוכנת מעקב וכימות. מערכת קוד פתוח זו הותאמה לחילוץ מספר פלטים גרפיים ופרמטרים קינמטיים, ומערכת של כלים לאחר כימות יכולה להיות לנתח את נתוני הפלט שסופקו. כתב יד זה גם מדגים כיצד שיטה זו, בשילוב עם מבחנים התנהגותיים שכבר נקבעו, מתארת כמותית ליקויים מוטוריים בעקבות פגיעה בחוט השדרה.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התיאום היעיל של ארבע גפיים אינו ייחודי לבעלי חיים מרובעים. תיאום פורלימב-גפיים אחוריות בבני אדם נותר חשוב לביצוע מספר משימות, כגון שחייה ושינויים במהירות תוך כדי הליכה1. קינמטיגפיים שונים 2 ותוכנית מוטורית 1,3,4, כמו גם מעגלי משוב פרופריוצפטיביים5, נשמרים בין בני אדם ליונקים אחרים ויש לשקול אותם בעת ניתוח אפשרויות טיפוליות להפרעות מוטוריות, כגון פגיעה בחוט השדרה (SCI)6,7,8.

על מנת ללכת....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כל הליכי הטיפול, הניתוח והטיפול שלאחר הניתוח אושרו על ידי הוועדה הפנימית המולקולרית של המכון הרפואי (ORBEA) וועדת האתיקה הפורטוגזית לבעלי חיים (DGAV) בהתאם להנחיות הקהילה האירופית (הנחיה 2010/63/EU) והחוק הפורטוגלי לטיפול בבעלי חיים (DL 113/2013) תחת רישיון 0421/000/000/2022. נקבות עכברי C57Bl/6J בנות 9 שבועות שימשו במחקר הנוכחי. כל המאמצים נעשו כדי למזער את מספר בעלי החיים ולהפחית את סבלם של בעלי החיים ששימשו במחקר. סקריפט MATLAB והגרסה העצמאית של תוכנת MW הם קוד פתוח וזמינים ב- GitHub
מאגר (https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker). בעוד שתוכנת MW פותחה ב-MATLAB R2012b, היא הותאמה לפעול ב-....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת BMS סטנדרטית מתארת את הגירעונות המוטוריים ברוטו לאחר SCI14. בשל אופיו הסובייקטיבי, בדיקות כמותיות אחרות מבוצעות בדרך כלל לצד BMS כדי לייצר הערכה מפורטת ועדינה יותר של תנועה. עם זאת, בדיקות אלה אינן מראות מידע ספציפי על מחזורי צעדים, דפוסי דריכה ותיאום בין הגפיים הקדמיות לגפיים האחוריות, שהוא חשוב ביותר להבנת האופן שבו מעגלי עמוד השדרה שומרים על תפקוד ומסתגלים למדע בדיוני חלקי. סעיף זה מראה כיצד ארגז הכלים של MW יכול לסייע בניטור התאוששות תפקוד המנוע לאחר SCI ולהוסיף מידע רלוונטי על התנהגות ה.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, הפוטנציאל של שיטת MouseWalker מודגם על ידי ניתוח התנהגות לוקומוטורית לאחר SCI. הוא מספק תובנות חדשות לגבי שינויים ספציפיים בדפוסי דריכה, טביעת רגל והליכה שאחרת היו מתפספסים במבחנים סטנדרטיים אחרים. בנוסף לאספקת גרסה מעודכנת של חבילת MW, כלי ניתוח נתונים מתוארים גם באמצעות סקריפטים Python שסופקו (ראה שלב 5).

מכיוון שה- MW מייצר מערך נתונים גדול ואוסף של פרמטרים קינמטיים המשקפים תהליך לוקומוטורי ממדי מאוד, נעשה שימוש ב- PCA; ואכן, PCA נמצא בשימוש נרחב במערכי נתונים קינמטיים אחרים הדומים לזה.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים ללאורה טאקר ונטשה לונקרביץ' על הערותיהם על כתב היד ועל התמיכה שניתנה על ידי מתקן המכרסמים של המכון המולקולרי לרפואה ז'ואאו לובו אנטונס. המחברים רוצים להודות על תמיכה כספית מ- Prémios Santa Casa Neurociências - Prize Melo e Castro for Spinal Cord Injury Research (MC-36/2020) ל- L.S. ו- C.S.M. עבודה זו נתמכה על ידי Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) (PTDC/BIA-COM/0151/2020), iNOVA4Health (UIDB/04462/2020 ו- UIDP/04462/2020) ו- LS4FUTURE (LA/P/0087/2020) ל- C.S.M. L.S. נתמכה על ידי חוזה חוקר ראשי פרטני של CEEC (2021.02253.CEECIND). A.F.I. נתמך על ידי מלגת דוקטורט מ FCT (2020.08168.BD). A.M.M. נתמך על ידי מלגת דוקטורט מ- FCT (PD/BD/128445/2017). I.....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<חזק>45º מראה 
2 שחול אלומיניום (2X2 ס"מ), גובה 16 ס"מ, 1 מכל צדשחול אלומיניום Misumi
2 (2X2 ס"מ), 23 ס"מ, @ 45° , 1 מכל צדשחול אלומיניום Misumi
1 (2X2 ס"מ), אורך 83 ס"מMisumi
מראה 87X23 ס"מ ספקזכוכית כללי 
מילוי קרטון שחור נייר מכתבים כלליהשתמשנו ב -2, אחד עם 69 x 6 ס"מ והשני עם 69 x 3 ס"מ כדי להגביל את ההשתקפות על המראה
< חזקה>תאורת רקע אחורית < / חזקה >
פרספקס 109 x 23 ס"מ (עובי 0.9525 ס"מ)ספק
2 שחול אלומיניום לרוחב (4 x 4 ס"מ), אורך 20 ס"מ, 1 מכל צדMisumi
רצועת LED צבעוניתחומרה כללי
נייר אטום לבן לכיסוי פרספקסספק נייר מכתבים כללי <
strong>fTIR בסיס תמיכה ועמודים
2 שחול אלומיניום (4 x 4 ס"מ), גובה 100 ס"מMisumi
60 x 30 ס"מ לוח לחם מטריEdmund Optics #54-641
ברגים M6 12 מ"מ אופטיקהאדמונד 
אגוזי משושה M6Edmund Optics 
<שביל חזק>fTIR 
109 x 8.5 ס"מ פרספקס (עובי 1.2 ס"מ)ספקפרספקס 109 x 8.5 ס"מ (עובי 1.2 ס"מ)
אורך 109 ס"מ אלומיניום תעלת U בסיסית עם 1.6 ס"מ גובה x 1.9 ס"מ עומק קיפולים (להחזקת הפרספקס)ספק
2 שחול אלומיניום לרוחב (4X4 ס"מ) אורך 20 ס"מ, 1 מכל צדMisumi
מילוי קרטון שחור ספק נייר מכתבים כלליהשתמשנו בשני חומרי מילוי מכל צד כדי לכסות את גבולות הפרספקס, תוך הימנעות מקצוות בהירים
<מצלמה חזקה>מהירה (על חצובה)
Blackfly S USB3FLIR#BFS-U3-32S4M-Cזוהי המלצה. הדרישה היא להקליט לפחות 100 פריימים לשנייה
<חזק>Infinite Horizon Impactor 
Infinite Horizon Impactor דיוק מערכות ומכשור בע"מ.#0400
<חזק>עדשה
Nikon AF זום-Nikkor 24-85 מ"מNikon#1929עדשה זו מומלצת, אולם ניתן להשתמש בעדשה אחרת. ודא שהוא מכיל צמצם גדול (כלומר, ערכי F-stop קטנים יותר), כדי ללכוד אותות fTIR
Software
MATLAB R2022bMathWorks
Python 3.9.13 התוכנה Python
Anaconda Navigator 2.1.4Anaconda, Inc.
ספיידר - Spyder 5.1.5 לפרויקט ספיידר
<קיר שביל>חזק 
2 אקריליקה רקטלרית גדולה עם 100 על 15 ס"מכל חנות
2 אקריליק טרפזי לרוחב באורך 6-10 על גובה 15 ס"מכל חנות
'GitHub חומרים
שם תיקייהURL
Boxplotshttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/BoxplotsScript ליצירת Boxplots
Docshttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docsמסמכים נוספים
מפת חוםhttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/HeatmapsScript ליצירת מפת חום
סקריפט Matlathttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20Scriptסקריפט Matlab של MouseWalker PCA
https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plotsScript לביצוע ניתוח רכיבים ראשיים
עלילות נתונים גולמיותhttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plotsסקריפט ליצירת עלילות נתונים גולמיים
ניתוח שיוריhttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysisקוד לחישוב שאריות מנתונים גולמיים
ספק חומרה כללי ספק חומרה כללי חומרה כלליברגים M6 12 מ"מ Edmund Optics קרן תורמים נוחות בריקולאז' נוחות בריקולאז

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Frigon, A. The neural control of interlimb coordination during mammalian locomotion. Journal of Neurophysiology. 117 (6), 2224-2241 (2017).
  2. Grillner, S. Biological pattern generation: The cellular and computational logic of networks in motion.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

MouseWalker SystemSpinal Cord InjuryLocomotor DysfunctionGait QuantificationMouse ModelMotor CoordinationKinematic AnalysisBehavioral AssaysOpen Source ToolsFootprint Patterns

Related Articles