Analisi kinematica 3D per la valutazione funzionale nel modello di ratto di lesioni da schiacciamento del nervo sciatico
12 febbraio 2020
Introduciamo un metodo di analisi cinetica che utilizza un apparato di motion capture tridimensionale contenente quattro telecamere e software di elaborazione dati per eseguire valutazioni funzionali durante la ricerca fondamentale che coinvolge modelli di roditori.
Forniamo un metodo preciso e DiCharacter per le valutazioni funzionali degli animali da laboratorio. È sensibile e affidabile e privo di carenze attribuite ad altri metodi per le valutazioni funzionali. Ad esempio, l'indice funzionale sciatico.
Per iniziare, impostare due fogli di plastica trasparente su entrambi i lati del tapis roulant per far camminare un topo LEWIS maschio di 12 settimane in direzione anteriore dritta, quindi accendere la griglia di scosse elettriche. Fare camminare ogni topo sul tapis roulant. Accelerare gradualmente il tapis roulant alla velocità desiderata di 20 centimetri al secondo e lasciare camminare normalmente il topo a questa velocità per cinque minuti.
Dopo ogni sessione di camminata, fornire una pausa di riposo da uno a due minuti. Ripeti questo processo tre volte al giorno cinque giorni alla settimana per una settimana. Mentre il topo riceve anestesia stabile attraverso la maschera anestetica, radere un'area dalla parte bassa della schiena ai malleoli bilaterali utilizzando un rasoio elettrico.
Posizionare il topo nella posizione prona. Usa una pennarello nera per contrassegnare i punti di riferimento ossei sulla pelle rasata, una linea attraverso i processi spinosi dalle vertebre lombari a le vertebre sacrali. Inoltre, usa un pennarello nero per segnare le spine iliache anteriori / superiori, le trochanters maggiori, le articolazioni del ginocchio, i malleoli laterale, le quinto articolazioni falangeali metatarsali e la punta del quarto dito.
Quindi utilizzare un adesivo liquido per attaccare marcatori emisferici a questi punti di riferimento ossei ad eccezione della linea attraverso i processi spinosi dal lombare alle vertebre sacrali e alla punta del quarto dito del piedi. Dopo aver posizionato tutti i marcatori, rimettere il topo nella gabbia. Non mettere il topo sul tapis roulant fino a quando non si riprende completamente dall'anestesia.
Impostare due fogli di plastica trasparente su entrambi i lati del tapis roulant e posizionare la scatola di calibrazione al centro del tapis roulant. Aprire il software di registrazione e quindi fare clic sull'icona dell'immagine di calibrazione sul display. Fare clic sull'icona di registrazione per registrare da uno a due secondi di video da quattro direzioni utilizzando 120 telecamere CCD hertz.
Fare di nuovo clic sull'icona di registrazione per interrompere la registrazione. Aprire i file video nel software di calcolo. Fare clic e trascinare i punti caratteristici dei modelli 3D della casella di calibrazione nell'angolo in basso a destra dello schermo sui marcatori corrispondenti sulle quattro immagini che vengono automaticamente trasformati dal video nel modello di calibrazione.
Quindi clicca sull'icona salva. Ora tosti la scatola di calibrazione dal tapis roulant, accendi la griglia di scosse elettriche e posiziona il topo completamente sveglio sul tapis roulant. Aprire il software di registrazione e inserire le informazioni di base sul ratto, incluso il numero di serie, la velocità di camminata e il nome dell'operatore principale.
Accendere il tapis roulant e impostare la velocità su 20 centimetri al secondo. Dopo che il topo si adatta alla velocità ed è in grado di camminare normalmente, fare clic sull'icona di registrazione sul display per registrare il topo che cammina con le quattro telecamere. Una volta registrati oltre 10 passaggi, fare di nuovo clic sull'icona per interrompere la registrazione e spegnere il tapis roulant.
Rimettere il topo nella camera di induzione dell'anestesia per l'anestesia. Mentre il ratto è in anestesia continua attraverso la maschera anestetica, rimuovere i marcatori emisferici. Aprire il software di calcolo e aprire il file video sull'interfaccia.
Fare clic e trascinare la barra di controllo bilaterale sulla barra di stato del video per assicurarsi che vengano visualizzati solo un record di camminata del tapis roulant in 10 passi. Fare clic e trascinare ogni punto caratteristico dal modello 3D nell'angolo in basso a destra dello schermo al marcatore corrispondente su ciascuna delle quattro immagini iniziali dei video scattate dalle telecamere. Quindi fare clic sull'icona di traccia automatica per avviare il processo di tracciamento automatico dei marcatori.
Se il sistema non traccia con precisione un marcatore, fare clic sull'icona digitalizzare manualmente per passare alla modalità di tracciamento manuale, fare clic sul punto caratteristico di tracciatura nel modello 3D e quindi sul marcatore che risponde nell'immagine. Una volta fatto clic sul marcatore, assicurarsi che l'immagine passi al fotogramma successivo del video. Ora fai continuamente clic sul marcatore fino al completamento del processo di tracciamento dei marcatori.
Una volta terminato, fai clic sull'icona salva. Aprire il software di analisi e quindi aprire il file video elaborato sull'interfaccia. Fare clic sull'icona di impostazione e selezionare e aggiungere parametri designati come l'angolo della caviglia, l'angolo della dito del mouse e lo spostamento pelvico all'elenco di visualizzazione nella finestra popup a destra.
Fate clic su OK in modo che le curve che rappresentano le modifiche al valore nei parametri appaiano sull'interfaccia. Fate clic sull'icona di misura e selezionate Elaborazione uniforme nel menu a discesa. Immettere 20 hertz nella finestra popup per rimuovere le frequenze superiori a 20 hertz all'interno delle curve.
Attraverso l'analisi cinematica 3D, il rapporto medio della posizione o della fase di oscillazione nel ciclo in 10 fasi è stato calcolato e rappresentato automaticamente sull'interfaccia. Ogni posizione bilaterale e fase di oscillazione in periodi di ciclo in 10 fasi per il gruppo di controllo, una settimana dopo l'intervento chirurgico, tre settimane dopo l'intervento chirurgico e sei settimane di gruppi post-chirurgici sono mostrati qui. La normale forma della traiettoria del centro di gravità assomiglia al segno dell'infinito.
La forma della traiettoria del centro di gravità non è tornata a una forma normale fino a sei settimane dopo l'intervento chirurgico. Il valore medio dell'angolo della caviglia o della dita dei dito nella fase di dito del dito suggerito che sono migliorati in una direzione verso l'alto dopo l'intervento chirurgico. Individuare i punti di riferimento ossei sulla pelle rasata nel modo più attento e corretto possibile è la cosa più importante.
l'analisi sul nervo sciatico può essere eseguita e rivelerà la relazione tra cambiamenti funzionali e istologici.
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Panoramica
Questo studio introduce un metodo di analisi cinematica utilizzando un sistema di acquisizione del movimento 3D con quattro telecamere per valutare la locomozione dei roditori. L'approccio mira a fornire valutazioni funzionali affidabili che migliorano i metodi esistenti.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Neuroscienza
- Locomozione animale
- Cinematica
Sfondo
- Le valutazioni funzionali degli animali da laboratorio possono essere impegnative.
- I metodi attuali possono avere varie carenze.
- La necessità di una rilevazione più sensibile e affidabile negli studi.
- I modelli di roditori sono frequentemente utilizzati in tali valutazioni funzionali.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un nuovo metodo per valutare la locomozione degli animali da laboratorio.
- Migliorare la sensibilità e l'affidabilità nella cattura dei dati funzionali.
- Affrontare le limitazioni delle tecniche di valutazione esistenti.
Metodi utilizzati
- Utilizzato un apparato di acquisizione del movimento 3D e software di elaborazione dati.
- Coinvolti ratti LEWIS maschi di 12 settimane per il protocollo di valutazione.
- Analisi cinematica dettagliata della camminata dei ratti, con istruzioni chiare per l'installazione e l'esecuzione.
- Metodi di registrazione e analisi che incorporano prospettive video multiple e calibrazione.
Risultati principali
- Il metodo consente un tracciamento e un'analisi precise delle fasi di locomozione.
- Cambia notevolmente gli angoli della caviglia e delle dita nel tempo dopo l'intervento chirurgico.
- I dati supportano intuizioni sul recupero funzionale dopo l'intervento.
- La traiettoria del centro di gravità ha mostrato segni di normalità che ritorna solo dopo sei settimane.
Conclusioni
- Questo studio dimostra un metodo efficace per l'analisi cinematica dettagliata della locomozione dei roditori.
- Miglioramenti nell'affidabilità metodologica possono migliorare significativamente la valutazione funzionale nella ricerca.
- I risultati possono far progredire la comprensione dei meccanismi di recupero locomotore nei modelli animali.
Domande frequenti
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.
