ラットにおける後肢の運動運動学の客観的定量化のための深層学習に基づく多関節同期追跡

Summary

このプロトコルは、マーカーレストレッドミルテストと深層学習駆動の多関節軌跡自動ラベリングを用いて、ラット後肢の運動学的評価パイプラインを構築し、再現可能な動きの定量化を可能にします。

Abstract

ラットの歩行の正確かつ客観的な評価は、神経科学や運動学の研究分野において不可欠です。従来のシステムは間接的な歩行推論にフットプリントイメージングに依存することが多いが、後肢の多関節運動学を完全に捉えることはできない。本研究は、カスタムディープラーニングアルゴリズムとプログラム可能な重量サポートトレッドミルを統合し、複数の下肢関節のリアルタイム追跡と多次元運動学的定量化を可能にする、げっ歯類向けのマーカーレストレッドミルベースの歩行解析システムを確立します。このシステムは、変調速度(0-300 mm/s)、傾斜(±30°勾配)、および段階的な重量支持(0-500 g)条件下での歩行サイクルパラメータ、関節軌跡、力の分布パターン、運動の滑らかさを自動的に抽出し、神経筋行動研究のための客観的な評価ツールを提供します。脊髄損傷(SCI)モデルを用いて、健康な齧歯類と負傷した齧歯類間の関節可動域、軌道の連続性、推進力出力、運動の滑らかさの多次元差を検出する感度を示し、病気の識別およびグレード評価能力を検証しました。従来の主観的なスコアやフットプリント方式と比べて、このプラットフォームは個人のバイアスや低次元データの制限を排除し、ディープラーニング駆動のアーキテクチャと高スループットのデータ収集の利点を組み合わせています。中枢神経または末梢神経損傷、神経変性疾患、筋骨格系障害、加齢過程に関する研究に応用可能です。神経電気生理学モジュールの同期統合により、歩行と神経信号の時間的結合をさらに可能にし、中枢・末梢制御メカニズムの解析と神経調節戦略の開発のための方法論的枠組みを確立します。

Introduction

現代の神経科学およびロコモーター研究において、客観的な歩行の定量化は神経筋機能の解明、疾患メカニズムの解明、リハビリ戦略の評価に不可欠となっています^。その高い時空間分解能により、神経指令、筋肉活性化プロファイル、骨格力学間の微妙な相乗効果の変化を捉え、脊髄上経路、末梢フィードバック、機械的文脈の協調を調査するための実証的基盤を築きます。再現可能なキネマティック指標は病変、変性変化、治療効果の検出感度を高め、医薬品および医療機器の開発パイプラインを加速させます^。

CatWalk、DigiGait、簡易化されたフットプリント分析などの従来の評価プラットフォームは、足底接触パターンに基づいて間接的に関節運動学を推定します。これらの手法は、後肢の多関節運動学的複雑さを捉えきれない低解像度かつ一貫性のない指標を生み出します^。3,4。本手法の全体的な目標は、齧歯類モデル向けに特別に設計された高精度でマーカーなしかつ重量支持のある歩行解析システムを確立することです。したがって、我々は以下の新しい枠組みを確立します。(i) 連続多関節画像撮影中に制御された軸方向荷重(0-100%体重)下で齧歯類を直立姿勢に保つこと....

Protocol

すべての動物処置は北京脳研究所の動物ケア・使用委員会の承認を受け、実験動物のケアおよび使用ガイドラインに準拠しています。手技関連の有害事象は認められませんでした。

1. 装備の準備

1. トレッドミルシステムの電源を入れ、タッチスクリーンの スピードコントロール ボタンを選択します。
2. ベルトを低速で30秒走らせて、ベルトがずれるかどうかを観察します。
3. 傾斜コントロールボタンを選択し、傾斜を0°に設定し、ゼロをクリックして表示値がレベルバブルと一致しているか確認してください。
4. サスペンションインターフェースに入り、10gの重りを吊るして張力測定値が0.10Nに近いか確認します。
5. 産業用パーソナルコンピュータ(IPC)をオンにし、ビデオ取得・解析ソフトウェアを入力します。
6. その日の実験用のディレクトリを作成し、実験名、動物ID、実験グループ、速度、傾斜、減量率などの情報を含めます。
7. 高速産業用カメラ(UC70、解像度:1280X1024、フレームレート:60fps)、マニュアルフォーカスレンズ(f=12mm)をアルミプロファイルブラケットに固定....

Results

トレッドミルシステム構造の回路図と実際の写真はそれぞれ 図1A、Bに示されています。この装置はマーカーなしで高コントラストの横画像を取得することができます。トレッドミルは速度、傾斜、方向、軽量化の調整に対応し、数値制御パネルを備えています。付随するソフトウェアインターフェースには、リアルタイムの監視・取得インターフェース、ビデオアップロードおよび歩行抽出解析インターフェースが含まれています。自動歩様注釈のためのディープラーニングモジュールが組み込まれており、後肢の腸骨稜、股関節、膝、足首、足首、足の関節の連続的な動きデータを高フレームレートかつ高精度で手動注釈なしで取得できます(図1C)。

健康なラットとSCIラットの比較では、同じ視野内の主要な身体ポイントのビデオ抽出と自動注釈により、異なる運動学的表現型が明らかになります。重度のSCIラットは標準プロトコルに従.......

Discussion

このプロトコルは、ラットのトレッドミルを使った歩行分析システムとその運用手順を明らかにし、神経筋行動研究のための多次元かつ客観的な評価ツールを提供します。例例研究におけるSCIと健康なラットの歩行パラメータのグループ間比較で示されたように、システムは連続的な高フレームレート歩行ビデオグラフィーとAI駆動の自動多関節注釈アルゴリズムを通じて被験者の下肢の生の空間的動き座標を取得します。これにより、歩行軌跡、フェーズセグメンテーション、力指数分布パターンを含む包括的な定量分析や図示が可能になります。SCIの応用に加え、このシステムは中枢神経系損傷(例:脳卒中、脳出血)、神経変性疾患(例:アルツハイマー病、パーキンソン病)、末梢神経筋疾患(例:坐骨神経損傷、筋ジストロフィー)、および加^{齢研究における}歩行変化の調査を促進します。

このプロトコルの成功した実装には、いくつかの重要なステップがかかっています。まず、動物の順応が極めて重要であり、トレッドミルでの事前トレーニングが不.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
歩行AI注釈&取得ソフトウェア	上海ClinAITrial Technology Co., Ltd.	マウスAI	MouseAIはMOVEMETRICSトレッドミル向けの統合分析 ソフトウェアであり、ビデオ録画、メタデータログ、自動歩行分析を一つのワークフローに統合しています。
機械的衝撃	RWDライフサイエンス、中国・深圳
マルチチャネル電気物理学論理記録システム	柯道(蘇州)脳コンピュータ技術株式会社、および	KedouBC RHD128A	KedouBC RHD128Aは、小型から大型の実験動物への高解像度神経記録のために設計された、コンパクトな128チャンネル の生体内電気生理学取得システムです。軽量のプラグアンドプレイヘッドステージ(&1.3 g)、16ビットA/D変換、プログラム可能アンプを統合し、EEG、ECoG、LFP、スパイク、EMG、ECG信号を0.1 Hzから30 kHzまでの&leでキャプチャします。2.4 & マイクロ;Vシステムノイズと>10 GΩ入力インピーダンス。RHD128Aは、脳と機械のインターフェース、 神経変性およびリハビリテーションの研究を加速させるために、堅牢でユーザー向けの拡張可能な神経データを提供します。
トレッドミル	上海ClinAITrial Technology Co., Ltd.	ムーブメトリクス	MOVEMETRICSは、高度な齧歯類歩行分析のための高精度 計測付きトレッドミルです。