Tracciamento sincrono multiarticolare basato su deep learning per la quantificazione oggettiva della cinematica locomotoria degli arti posteriori nei ratti

Summary

Questo protocollo stabilisce una pipeline di valutazione cinematica degli arti posteriori del ratto utilizzando un test su tapis roulant senza marker con auto-etichettatura multiarticolare guidata dal deep learning, che consente la quantificazione riproducibile del movimento.

Abstract

Una valutazione accurata e oggettiva dell'andatura dei ratti è essenziale nei campi di ricerca in neuroscienze e cinesiologia. I sistemi convenzionali spesso dipendono dall'imaging dell'impronta per l'inferenza indiretta dell'andatura, che non può catturare completamente la cinematica multi-articolare dell'arto posteriore. Questo studio stabilisce un sistema di analisi dell'andatura basato su tapis roulant senza marcatori per roditori, integrando algoritmi personalizzati di deep learning con un tapis roulant programmabile a supporto del peso per consentire il tracciamento in tempo reale di più articolazioni degli arti inferiori e la quantificazione cinematica multidimensionale. Il sistema estrae automaticamente parametri del ciclo dell'andatura, traiettorie articolari, schemi di distribuzione delle forze e fluidità del movimento sotto velocità modulata (0-300 mm/s), inclinazione (±gradiente di 30°) e supporto di peso graduato (0-500 g), fornendo uno strumento di valutazione oggettiva per la ricerca sul comportamento neuromuscolare. Utilizzando modelli di lesione del midollo spinale (SCI), i risultati dimostrano la sensibilità del sistema nel rilevare differenze multidimensionali nell'ampiezza di movimento articolare, nella continuità della traiettoria, nell'output della forza propulsiva e nella fluidità del movimento tra roditori sani e feriti, convalidando le sue capacità di discriminazione e gradazione delle malattie. Rispetto ai tradizionali punteggi soggettivi o ai metodi di footprint, questa piattaforma elimina i bias personali e le limitazioni dei dati a bassa dimensione, combinando al contempo un'architettura basata sul deep learning e i vantaggi della raccolta dati ad alto throughput. È applicabile alla ricerca che coinvolge lesioni dei nervi centrali o periferici, malattie neurodegenerative, disturbi muscoloscheletrici e processi di invecchiamento. Attraverso l'integrazione sincrona dei moduli di neuroelettrofisiologia, il sistema consente ulteriormente l'accoppiamento temporale dei segnali dell'andatura e neurali, stabilendo un quadro metodologico per analizzare i meccanismi di controllo centrale-periferico e sviluppare strategie neuromodulatorie.

Introduction

Nelle neuroscienze contemporanee e nella ricerca locomotoria, la quantificazione oggettiva dell'andatura è ora imperativa per analizzare le funzioni neuro-muscolari, chiarire i meccanismi delle malattie e valutare le strategie di^{riabilitazione.} La sua elevata risoluzione spaziotemporale consente di catturare sottili variazioni nelle sinergie tra comandi neurali, profili di attivazione muscolare e meccanica scheletrica, stabilendo così una base empirica per l'indagine della coordinazione delle vie supraspinali, del feedback periferico e dei contesti meccanici. Le metriche cinematiche riproducibili aumentano la s....

Protocol

Tutte le procedure sugli animali sono state approvate dal Comitato per la Cura e l'Uso Istituzionale degli Animali dell'Istituto di Ricerca sul Cervello di Pechino e hanno rispettato le Linee Guida per la Cura e l'Uso degli Animali da Laboratorio. Non sono stati osservati eventi avversi correlati alla procedura.

1. Preparazione dell'attrezzatura

1. Attiva l'alimentatore del sistema del tapis roulant e seleziona il pulsante Controllo della Velocità sul touchscreen.
2. Lascia girare la cinghia a bassa velocità per 30 secondi per osservare se la cintura del tap....

Results

Il diagramma schematico e la foto reale della struttura del sistema del tapis roulant sono mostrati rispettivamente nelle Figure 1A,B. Il dispositivo è in grado di ottenere immagini laterali ad alto contrasto senza marcatori. Il tapis roulant supporta regolazioni per velocità, inclinazione, direzione e riduzione del peso, ed è dotato di un pannello di controllo numerico. L'interfaccia software che accompagna include un'interfaccia di monitor.......

Discussion

Questo protocollo delinea un sistema di analisi dell'andatura basato su tapis roulant per i ratti e le sue procedure operative, fornendo uno strumento di valutazione multidimensionale e oggettiva per la ricerca comportamentale neuromuscolare. Come dimostrato nei confronti intergruppi dei parametri di camminata tra LM e ratti sani nello studio esemplare, il sistema acquisisce coordinate di movimento spaziale grezze degli arti inferiori dei soggetti tramite videografia continua ad alta fre.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Annotazione AI e Passo Software per acquisizione	Shanghai Clinical Technology Co., Ltd.	MouseAI	MouseAI è il software integrato di analisi per il tapis roulant MOVEMETRICS, unificando la registrazione video, la registrazione dei metadati e l'analisi automatica dell'andatura in un unico flusso di lavoro.
Impatto meccanico	RWD Life Science, Shenzhen, Cina
Sistema di registrazione elettrofisiologica multicanale	Kedou (suzhou) Brain - Computer Technology Co.	KedouBC RHD128A	KedouBC RHD128A è un sistema compatto di acquisizione elettrofisiologica in vivo a 128 canali, a 128 canali , progettato per la registrazione neurale ad alta risoluzione in animali da laboratorio di piccole a grandi dimensioni. Integrando headstage leggeri, plug-and-play (&le), conversione A/D a 16 bit e amplificatori programmabili, cattura EEG, ECoG, LFP, spikes, segnali EMG ed ECG da 0,1 Hz a 30 kHz con ≤ 2.4 & micro; Rumore del sistema V e > 10 GΩ impedenza di ingresso. RHD128A fornisce dati neurali robusti e scalabili per l'utente per accelerare gli studi sulle interfacce cervello-macchina, neurodegenerazione e riabilitazione.
Tapis roulant	Shanghai Clinical Technology Co., Ltd.	MOVEMETRICHE	MOVEMETRICS è un tapis roulant strumentato ad alta precisione per analisi avanzata dell'andatura dei roditori.