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

Abbiamo sviluppato un tapis roulant basato sull'IA per monitorare i movimenti dei ratti, aiutandoci a valutare con precisione il recupero da lesioni del midollo spinale. A differenza dei metodi tradizionali di footprint che comportano un'economia articolare complessa, il nostro sistema di IA simulata traccia direttamente i movimenti multi-articolazione. Per cominciare, accendi il computer industriale e avvia il software di acquisizione e analisi video.

Posizionare l'obiettivo della fotocamera perpendicolare all'asse longitudinale del tapis roulant per ottenere una visuale strettamente laterale, mantenendo una distanza di lavoro orizzontale di 15 centimetri dal piano della cintura del tapis roulant. Successivamente, registra il peso corporeo di ogni ratto con una bilancia elettronica. Includere solo ratti con pesi corporei corrispondenti per minimizzare gli effetti sulla dimensione corporea.

Mettiti i guanti e afferra delicatamente il topo. Passa la fascia elastica del petto intorno all'ascella anteriore e fissala alla slitta regolabile. Poi regola la cinghia in modo che un dito possa essere inserito senza limitare la respirazione.

Sullo schermo di controllo touch, imposta la velocità a 150 millimetri al secondo e l'inclinazione a zero gradi. Effettua una sessione di acclimatazione di 10 minuti per adattare il ratto al livello di supporto del peso corporeo, monitorando il ratto per segni di stress e stanchezza, come riluttanza a muoversi e defecazione prolungata. Conferma l'acclimatamento riuscito quando il ratto mantiene un passo continuo e uniforme per almeno 60 secondi senza trascinare la zampa e con la coda naturalmente penzolante.

Escludere gli animali che non soddisfano questi criteri dopo il massimo periodo di acclimatazione. Inserisci i parametri per l'esperimento formale sul touchscreen. Inserisci sequenzialmente la velocità e l'inclinazione desiderate, poi seleziona la direzione della cinghia del tapis roulant.

Dopo la stabilizzazione, seleziona Avvia registrazione per iniziare l'acquisizione dei dati. Cattura continuamente almeno cinque cicli completi di andatura. Alla fine di ogni prova, riduci la velocità a zero millimetri al secondo.

Sgancia la fascia toracica e riporta il topo nella gabbia corrispondente. Estrae segmenti video di circa 10 secondi che contengono l'andatura bersaglio con almeno 10 cicli di camminata stabili. Registra le informazioni sui ratti, inclusi numero di identificazione, gruppo e condizioni sperimentali.

Importa il file MOV nel software di analisi. Normalizzare ogni ciclo di camminata da zero al 100% per standardizzare la durata del ciclo. Genera immagini rappresentative per illustrare la dinamica dell'andatura.

Esporta le coordinate di posizione spaziale di ciascuna giunzione nel tempo come file csv per ulteriori analisi. Dopo aver completato la modellazione animale, impiantare il dispositivo di registrazione elettrofisiologica. Per la registrazione dei segnali cerebrali, posizionare elettrodi sulla superficie del cranio, nello spazio epidurale o nella corteccia cerebrale per registrare i segnali cerebrali.

Per la registrazione del midollo spinale, inserire elettrodi di registrazione nello spazio epidurale del forame intervertebrale. Per la registrazione elettromiografia, infila fili d'argento bipolari nei muscoli bersaglio per registrare l'attività elettrica muscolare. Lascia che l'animale si riprenda per cinque o sette giorni dopo l'impianto.

Controlla ogni giorno la ferita e l'andatura per assicurarti che non ci siano segni di infezione o dolore prima dei test sul tapis roulant. Prepara l'attrezzatura e l'animale prima dell'esperimento sincronizzato. Successivamente sincronizza l'acquisizione dei dati elettrofisiologici con il video di movimento per assicurare che entrambi condividano lo stesso timestamp.

Allinea i segnali neurali con i corrispondenti fotogrammi video durante l'analisi per visualizzare i pattern elettrofisiologici in diverse fasi dell'andatura. I ratti con lesioni del midollo spinale hanno mostrato una significativa perdita di oscillazione e curve irregolari di spostamento iliaco. I ratti con lesioni del midollo spinale hanno mostrato fluttuazioni maggiori dell'angolo articolare rispetto ai ratti sani.

La mappa termica dell'intervallo di movimento articolare ha mostrato una notevole diminuzione della scala cromatica nei ratti con lesioni del midollo spinale rispetto a quelli sani, mentre la mappa dell'attività della traiettoria ha mostrato una significativa riduzione dell'estensione del movimento di ciascuna articolazione, insieme a una compromessa della continuità del movimento. Per i ratti con lesioni del midollo spinale, la mappa delle nuvole puntiforme mostrava un aumento della dispersione e uno spostamento verso sinistra del centro di massa. Il grafico a cascata dell'altezza mostra una distribuzione bimodale lungo l'asse x tra gruppi con una diminuzione generale di differenza a metà movimento.

Per l'asse y, si osserva una diminuzione di differenza all'inizio del movimento. La distribuzione complessiva delle differenze è caotica, indicando fasi di movimento anomale nei ratti con lesioni del midollo spinale rispetto a quelli sani. La distribuzione verticale delle dita in altezza è stata spostata a destra nei ratti con lesioni del midollo spinale.

La tabella dell'intervallo delle velocità mostrava che la gamma combinata di velocità in ogni frame era ridotta nel gruppo con lesioni. Inoltre, i ratti con lesioni del midollo spinale hanno mostrato anche una riduzione dell'area del piano di fase, dell'indice di forza di propulsione massima stimato e degli indicatori di fluidità del movimento. Il nostro sistema consente ai ricercatori di misurare con precisione le traiettorie multi-articolazione, la distribuzione delle forze e la fluidità del movimento in tempo reale.

Una considerazione importante è abituare accuratamente il ratto al sistema del tapis roulant per garantire una stabilità e analizzare i modelli di camminata. Possiamo sincronizzare il sistema con EMG o EEG per decodificare i segnali dei meccanismi dietro questo movimento.