Name: コントラスト強化録音(PrAnCER)の足プリント解析:運動不足を評価するための低コストでオープンアクセスの自動歩行解析システム (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 25 s
Description: 学ぶPrAnCERによるラットの自動歩行解析法。半透明床と高コントラスト録影で足プリントを捉え、ハロペリドール投与モデルなどの運動機能評価に応用可能な低コストシステムです。

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この研究は、ブラウン大学のカーニー脳科学研究所によって支援されました。

すべての手順は、ブラウン大学の機関動物ケアと使用委員会のガイドラインに従っていました.
1. 歩行分析装置
<ol><li>透明なプレキシガラス床に配置された透明なプレキシガラス囲まれた歩道(36"L x 3" W x 4.5"H)からなる歩行分析歩道を準備します(図2A)。プレキシガラスの床を、歩道と同じ幅にカットした16LB綿繊維製図ベラムで覆うことで半透明にします。 注:床を半透明にするための他の方法があります。</li>
	<li>フレームレートが少なくとも 30 フレーム/秒 (fps) のカメラを歩道の真下に配置して、トラックの中央をキャプチャします (図 2B)。</li>
	<li>18個のLED/フィートを約2インチ離れ、歩道の床から1インチ上に1インチのストリップを固定し、トラックを照らします。</li>
</ol>2. 動物の準備
<ol><li>動物が取り扱いの少なくとも1週間ビバリウムに順応することを許可する。実験開始前に少なくとも5日間ラットを取り扱う。この研究は、生後約3ヶ月の雄ロングエバンスラット8匹を用いて行った。</li>
	<li>
実験室に動物を習慣化し、部屋のライトをオフにして歩行歩道
	<ol>
<li>ゴールボックスとして機能するように、歩行歩道の端に表面レベルにラットのホームケージを配置します。ホームケージが深い場合、老化または運動障害を持つラットは、ホームケージへのアクセスを容易にするためにランプまたはステップの恩恵を受ける可能性があることに注意してください。</li>
		<li>ラットが実験者の手から歩道の長さまで歩いてホームケージに到達できるようにします。</li>
		<li>ネズミは、ホームケージに飛び込む前に周りを見回すために歩道の端に立ち止まることがよくあります。ネズミが歩道を出るのに1分以上かかる場合は、穏やかなプッシュでホームケージに入るように勧める。</li>
		<li>ラットが振り向く場合は、小さなプレキシガラスを使用して、歩道の「開始」端をブロックします。合計 3 回実行を繰り返します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>少なくとも2日間、またはラットが凍結することなく安定したペースで歩道を横断するまで習慣化してください。</li>
</ol>3. 歩行試験手順
<ol><li>ウェブカメラソフトウェアの設定を調整して、足のプリントの最も明確な画像を実現します。すべての歩行テストのルーム ライトをオフにします。</li>
	<li>各実行を個別に記録し、自動分析プログラムで使用するために適切にラベルを付けます。</li>
	<li>ベラムに斑点や破片がないことを確認します。ラットが歩道に入る数秒前に記録を開始し、ラットが歩道を出てホームケージに入ると停止します。</li>
	<li>3 つの許容実行が完了するか、10 分が経過するまで続行します。</li>
	<li>各ラットの間にエタノールで歩道を拭き取り、必要に応じてベリウムを交換します。 注:許容される試験は、動物が一貫して歩き、実行の最初の4ステップを一時停止せずに歩くものとして定義されます。これが達成しにくい場合は、一時停止または突然の加速なしで発生する実行の任意の時点で 4 つの連続したステップがある試行を含むように基準を調整します。</li>
</ol>4. PrAnCER自動分析
<ol><li>分析するすべてのビデオをフォルダに配置します。</li>
	<li>Python スクリプトPrAnCERを実行して PrAnCER を起動します。PrAnCER は、図 3および図 4に示す手順に基づいてビデオを分析します。</li>
	<li>ポップアップメニューで、[フォルダの選択]ボタンを押して、指定したフォルダを選択します。必要に応じて、分析用のカスタム オプションを選択します。各パラメータの詳細な説明は、その横にある疑問符をクリックして見つけることができます。[完了したら続行]をクリックします。</li>
	<li>表示される歩道のイメージ上に対象領域 (ROI) を定義します。これを行うには、左クリックして上端を定義し、右クリックして下端を定義します。表示されるボックスが正しい場合は、N キーを押して続行します。 そうでない場合は、Z キーを押して元に取り消します。 Nを押すと、プログラムは自動的に実行されます。</li>
	<li>PrAnCER が完了したら、端末のEnterキーを押してプログラムを終了します。</li>
	<li>PrAnCER の出力を手動で確認するには、Python スクリプトGaitEditorGUIを実行し、各ビデオに適した .mp4 ファイルを選択します。必要に応じて、誤った識別または差し込み印刷を修正します。</li>
	<li>空間および時間的な歩行パラメータを抽出するには、Python スクリプトパラメータアナライザを実行します。分析する後続の印刷物の数と分析するビデオのフォルダを選択し、[続行]をクリックします。これにより、表 2に示し、図 5に示す多数の一般的な歩行パラメータを含む各ビデオの .csv ファイルが出力されます。 注: 完全なスクリプトとデータの読み取りと分析の手順は、作成者の GitHub (www.github.com/hayleybounds) で入手できます。私たちは、無料のオープンソースPythonライブラリOpenCV21を使用して、このアルゴリズムを実装しました。また、GitHub には歩行分析用の歩道を構築する手順も含まれています。</li>
</ol>

<ol><li>Lakes, E. H., Allen, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gait+analysis+methods+for+rodent+models+of+arthritic+disorders%3A+reviews+and+recommendations%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).</li>
<li>Lee, H. Y., Hsieh, T. H., Liang, J. I., Yeh, M. L., Chen, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+video-based+gait+pattern+analysis+for+hemiparkinsonian+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+%26+Biological+Engineering+%26+Computing%22%5BJournal%5D)">Quantitative video-based gait pattern analysis for hemiparkinsonian rats.</a> Medical & Biological Engineering & Computing. 50 (9), 937-946 (2012).</li>
<li>Zhou, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gait+analysis+in+three+different+6-hydroxydopamine+rat+models+of+Parkinson%E2%80%99s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Letters%22%5BJournal%5D)">Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease.</a> Neuroscience Letters. 584, 184-189 (2015).</li>
<li>Batka, R. J., Brown, T. J., Mcmillan, K. P., Meadows, R. M., Jones, K. J., Haulcomb, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+need+for+speed+in+rodent+locomotion+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22Anatomical+Record%22%5BJournal%5D)">The need for speed in rodent locomotion analyses.</a> Anatomical Record. 297 (10), 1839-1864 (2014).</li>
<li>Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Treadmill+gait+analysis+does+not+detect+motor+deficits+in+animal+models+of+Parkinson%E2%80%99s+disease+or+amyotrophic+lateral+sclerosis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Motor+Behavior%22%5BJournal%5D)">Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson’s disease or amyotrophic lateral sclerosis.</a> Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).</li>
<li>Williams, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kaolin-induced+ventriculomegaly+at+weaning+produces+long-term+learning%2C+memory%2C+and+motor+deficits+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Developmental+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Kaolin-induced ventriculomegaly at weaning produces long-term learning, memory, and motor deficits in rats.</a> International Journal of Developmental Neuroscience. 35, 7-15 (2014).</li>
<li>Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CatWalk-assisted+gait+analysis+in+the+assessment+of+spinal+cord+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury.</a> Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).</li>
<li>Kloefkorn, H. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+Gait+Analysis+Through+Hues+and+Areas+%28AGATHA%29%3A+A+Method+to+Characterize+the+Spatiotemporal+Pattern+of+Rat+Gait%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Automated Gait Analysis Through Hues and Areas (AGATHA): A Method to Characterize the Spatiotemporal Pattern of Rat Gait.</a> Annals of Biomedical Engineering. 45 (3), 711-725 (2017).</li>
<li>Pereira, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+analysis+of+hindlimb+kinematics+during+overground+and+treadmill+locomotion+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">A comparison analysis of hindlimb kinematics during overground and treadmill locomotion in rats.</a> Behavioural Brain Research. 172 (2), 212-218 (2006).</li>
<li>Nakamura, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+three-dimensional+gait+analysis+system+for+mice+with+an+infrared+depth+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Research%22%5BJournal%5D)">Low-cost three-dimensional gait analysis system for mice with an infrared depth sensor.</a> Neuroscience Research. 100, 55-62 (2015).</li>
<li>Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+quantitative+gait+analysis+during+overground+locomotion+in+the+rat%3A+its+application+to+spinal+cord+contusion+and+transection+injuries%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries.</a> Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).</li>
<li>Mendes, C. S., Bartos, I., Márka, Z., Akay, T., Márka, S., Mann, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+gait+parameters+in+freely+walking+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Biology%22%5BJournal%5D)">Quantification of gait parameters in freely walking rodents.</a> BMC Biology. 13 (50), (2015).</li>
<li>Machado, A. S., Darmohray, D. M., Fayad, J., Marques, H. G., Carey, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+framework+for+whole-body+coordination+reveals+specific+deficits+in+freely+walking+ataxic+mice%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">A quantitative framework for whole-body coordination reveals specific deficits in freely walking ataxic mice.</a> eLife. 4, (2015).</li>
<li>Duty, S., Jenner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Animal+models+of+Parkinson%E2%80%99s+disease%3A+a+source+of+novel+treatments+and+clues+to+the+cause+of+the+disease%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Pharmacology%22%5BJournal%5D)">Animal models of Parkinson’s disease: a source of novel treatments and clues to the cause of the disease.</a> British Journal of Pharmacology. 164 (4), 1357-1391 (2011).</li>
<li>Kulkarni, S. K., Bishnoi, M., Chopra, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+microdialysis+studies+of+striatal+level+of+neurotransmitters+after+haloperidol+and+chlorpromazine+administration%5BTitle%5D)+AND+%22Indian+Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">In vivo microdialysis studies of striatal level of neurotransmitters after haloperidol and chlorpromazine administration.</a> Indian Journal of Experimental Biology. 47 (2), 91-97 (2009).</li>
<li>Jain, N. S., Tandi, L., Verma, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contribution+of+the+central+histaminergic+transmission+in+the+cataleptic+and+neuroleptic+effects+of+haloperidol%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacology+Biochemistry+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">Contribution of the central histaminergic transmission in the cataleptic and neuroleptic effects of haloperidol.</a> Pharmacology Biochemistry and Behavior. 139 (Part A), 59-66 (2015).</li>
<li>Steinpreis, R. E., Anders, K. A., Branda, E. M., Kruschel, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effects+of+Atypical+Antipsychotics+and+Phencyclidine+%28PCP%29+on+Rotorod+Performance%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacology+Biochemistry+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">The Effects of Atypical Antipsychotics and Phencyclidine (PCP) on Rotorod Performance.</a> Pharmacology Biochemistry and Behavior. 63 (3), 387-394 (1999).</li>
<li>Baptista, P. P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+exercise+down-regulated+locomotor+side+effects+induced+by+haloperidol+treatment+in+Wistar+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacology%2C+Biochemistry%2C+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">Physical exercise down-regulated locomotor side effects induced by haloperidol treatment in Wistar rats.</a> Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 104, 113-118 (2013).</li>
<li>Chuang, C. S., Su, H. L., Cheng, F. C., Hsu, S., Chuang, C. F., Liu, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+motor+function+before+and+after+engraftment+of+dopaminergic+neurons+in+a+rat+model+of+Parkinson%E2%80%99s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Science%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of motor function before and after engraftment of dopaminergic neurons in a rat model of Parkinson’s disease.</a> Journal of Biomedical Science. 17 (9), (2010).</li>
<li>Bugalho, P., Alves, L., Miguel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gait+dysfunction+in+Parkinson%E2%80%99s+disease+and+normal+pressure+hydrocephalus%3A+a+comparative+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Transmission%22%5BJournal%5D)">Gait dysfunction in Parkinson’s disease and normal pressure hydrocephalus: a comparative study.</a> Journal of Neural Transmission. 120 (8), 1201-1207 (2013).</li>
<li>Bradski, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBradski%2C+G+%22The+OpenCV+Library%22">The OpenCV Library</a>. , (2000).</li>
<li>Chen, H., Du, J., Zhang, Y., Barnes, K., Jia, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Establishing+a+Reliable+Gait+Evaluation+Method+for+Rodent+Studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Establishing a Reliable Gait Evaluation Method for Rodent Studies.</a> Journal of Neuroscience Methods. 283, 92-100 (2017).</li>
<li>De Ryck, M., Hruska, R. E., Silbergeld, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estrogen+and+haloperidol-induced+versus+handling-related+catalepsy+in+male+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacology%2C+Biochemistry%2C+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">Estrogen and haloperidol-induced versus handling-related catalepsy in male rats.</a> Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 17 (5), 1027-1035 (1982).</li>
<li>Bellardita, C., Kiehn, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phenotypic+Characterization+of+Speed-Associated+Gait+Changes+in+Mice+Reveals+Modular+Organization+of+Locomotor+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Biology%22%5BJournal%5D)">Phenotypic Characterization of Speed-Associated Gait Changes in Mice Reveals Modular Organization of Locomotor Networks.</a> Current Biology. 25 (11), 1426-1436 (2015).</li>
<li>De Ryck, M., Schallert, T., Teitelbaum, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphine+versus+haloperidol+catalepsy+in+the+rat%3A+a+behavioral+analysis+of+postural+support+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Morphine versus haloperidol catalepsy in the rat: a behavioral analysis of postural support mechanisms.</a> Brain Research. 201 (1), 143-172 (1980).</li>
</ol>

著者は、開示する利益相反を持っていません。

本研究では、半透明の床を使用して生成されたコントラスト強化されたビデオを利用して動物の体を覆い隠し、簡単な自動検出のために明確に定義された足のプリントを得る新しい自動歩行解析システムPrAnCERをテストしました。PrAnCERは足の指紋を正確に識別し、モーター機能の変化に敏感である。PRAnCERを用い、PDの急性ハロペリドールモデルにおける歩行変化を評価した。ハロペリドールは、堅牢なPDモデルの予想される運動障害を誘発しませんでしたが、それでもPrAnCERが歩行パターンの変化を正確に検出できることを実証することができました。最後に、PrAnCERの精度を定量化し、キー歩行パラメータの測定が手動スコアリングの測定に匹敵することを実証しました。
ハロペリドール処理条件の両方で、凍結挙動(アキネシア)の高い発生率を観察し、その後、前方走行または境界のエスケープ応答が続いた。アキネシアは、いくつかの研究で同様の用量(0.25 mg/kg)で観察されているが、この境界行動は典型的なパーキンソニアン症状3、14、19と一致しない、 24.興味深いことに、高用量ハロペリドール治療は、ストライド長が有意に増加した結果であることがわかった。PDの他のハロペリドールモデルがストライド長3、19の減少を示しているので、この発見は最初は驚くべきことでした。しかし、De Ryck et al.(1980)が述べた「ブレーシングエスケープ」行動パターンに照らして、ラットはアキネティック期間の後に逃げ出し、ランニングやバウンディングなどの高速歩行が増加したストライドに関連していると報告した。長さ4、25(図8C)。高用量治療はまた、後肢の最大接触領域を有意に増加させた。低用量ハロペリドール治療は、スタンス持続時間および最大接触面積の有意な増加を含む、より特徴的なPD歩行変化をもたらした(図8A-B)。これらの結果は、ハロペリドール誘発アキネシアに関連する筋肉剛性の反映でありうっていう。
異常なブレースエスケープ動作にもかかわらず、PrAnCERが実際に歩行の変化を検出できることを実証することができました。我々は、正しい照明条件で、半透明の床が足の非常に対照的で詳細な画像を生成できることを示しました。本研究では、ベラムで覆うことで透明な床を半透明にした。同じ効果は、透明な床の上にMylarのような別の半透明のカバーを置くことによって達成することができる。あるいは、床自体は、例えば、曇ったプレキシガラスを使用して半透明にすることができる。半透明の床とシンプルなプレキシガラスの歩道は安価であり、午後に構築することができます。当社のエッジ検出ベースの解析システムは、装置の多くのバリエーションに対して弾力性があり、マウスなどの異なるセットアップ、疾患モデル、または小動物にシステムを適応させる調整可能なしきい値を提供します。
歩行パラメータ解析の一部は、歩道の側面のために従来の式から変更されました。たとえば、速度を計算する方法は、他の歩行研究とは異なります。LED照明と組み合わせた半透明の床は、ボディのビューを不明瞭にするので、通常のように速度を計算するために体の位置を追跡することは不可能です。本研究では、同じ足の2つの接触間を移動する距離を、第1接触から第2の接触までの時間で割ることによって速度を算出した。もちろん、他の式も使用できます。たとえば、全体的な速度の尺度が必要な場合は、実行の開始時と終了時のフォアポー位置の平均距離を実行の継続時間で除算できます。
当社の分析は、手動スコアリングと同じではありませんが、当社の自動化システムが高精度で動作し、歩行の信頼性の高い測定を生成することを確認します。ここで説明する装置は、モータ機能の簡便で低コストな分析のために最適化された。ただし、PrAnCER の有用性を拡張するいくつかの変更が行われる可能性があります。私たちのシステムの1つの制限は、半透明の床は、優れた足の検出を可能にしながら、動物の体軸を不明瞭にすることです。我々はそれが必要であることが見つかりませんでしたが、これはシステムにオーバーヘッドカメラを追加することによって対処することができます。もう一つの改善は、より高いフレームレートを持つビデオカメラの使用であろう。時間パラメータの一貫した推定値を得ることができましたが、これらのメジャーの精度は 100 fps8未満のフレーム レートで損なわれます。高速ビデオカメラを追加すると、時間的な測定の精度と精度を高めながら、分析ソフトウェアを変更する必要はありません。さらに、他のいくつかの歩行システムは、同時にラット2、8、13の横および腹部のビューを記録するためにミラーを使用する。この機能を装置に追加することで、速度をより正確に定量し、走行中の挙動をより良く観察することができます。
本研究では、半透明の床を用いることで、歩道床に接触しない物体の視認性を遮断することで、足のプリントを効果的に分離することを示した。このコントラストの高い足のプリントを利用して足を正確に識別する自動採点システムを開発しました。我々は、このシステム、PrAnCER、商業システムに匹敵する精度で歩行パラメータを定量化することを示した。ハロペリドールの高用量の投与は、生理生理に比べてストライド長および最大接触面積を増加させたと判断した。この変化は我々が期待したものとは正反対であるが、既存の文献のさらなるレビューは、ハロペリドールの急性投与に応じて観察された脱出行動の一部である可能性が高いことを示している。低用量ハロペリドール治療は、スタンス持続時間の増加および最大接触面積などのより典型的なPD症状をもたらした。我々は、急性高用量ハロペリドール投与はPDに関連する歩行障害を研究する貧弱なモデルであるが、我々の研究は、それにもかかわらず、運動機能の変化を正確に検出するPrAnCERの能力を実証したと結論付けた。将来的には、他の疾患モデルにおける運動運動の変化を研究することで、PrAnCERのさらなる検証を行いたいと考えています。

げっ歯類は、関節炎1、パーキンソン病(PD)2、3、神経筋障害4、5、水頭症6を含む広範囲の疾患や傷害を研究するためのモデルとして一般的に使用されています。、および脊髄損傷7.これらの条件では、痛み、バランス、運動機能などの症状は、動物の歩行パターンを研究することによって測定することができます。これらのパターンは、足のプリントの位置とタイミング、および地面上の足の接触領域を要約する一連の時空間歩行パラメータを使用して定量化されます。
歩行分析には多くのオプションがありますが、現在のシステムにはいくつかの欠点があります。従来のインクと紙のテストでは、動物の足は白い紙のシートを横切る前にインクでコーティングされています(図1A)。結果として得られる足のプリントは、ストライドの長さとスタンス幅を測定できますが、速度やステップの持続時間などの主要な時間歩行パラメータは評価できません。最新のビデオベースのシステムはより信頼性が高いですが、適切な自動化システムを使用しない限り、ビデオ分析には手間のかかるフレームバイフレームスコアリングが必要です 8.現在、多くの商用自動採点システムが利用可能ですが、これらのシステムは非常に高価になる可能性があります。さらに、これらのシステムは、明確な床や場合によっては、トレッドミルに依存し、どちらも自然な動きを変えます。トレッドミルは、一部の疾患モデル9において運動障害をマスクすることが示されているが、クリアフローリング(図1B)は、マウスが開いているフィールドの周囲により多くの時間を費やす原因となり、不安10の増加を示す。理想的には、歩行分析装置はどちらにも依存せず、動物に対するストレスが最も少ない最も自然な運動パターンを作り出す。
利用可能なオープンソースと商用オプションは、さまざまな方法を使用して、さまざまな照明条件、動物の色、および印刷形状にもかかわらず、動物の体から足跡を分離する難しさを克服します。いくつかは圧力7、11、12に応答して光を放出する表面を使用して足に接触するコントラストを高めるが、これらは高価で技術的に構築が困難である。他のシステムは、全身のコーディネーション8、13の観察を可能にする複数の視野角を利用する。これらのオプションは、歩行を超えて追加のモータパラメータを測定するための利点を提供しますが、単純な歩行解析では不必要に複雑です。さらに、これらの技術のすべては、自然な行動を変更する明確な床に依存しています。
PrAnCERは、照明と半透明の床を組み合わせてプリントの検出を強化するコントラスト拡張録音と呼ばれるものに基づいています。下から見ると、表面(動物の体)に接触しない物体の視界を隠しながら、コントラストの高い画像(足のプリント)が作成されます(図1D)。上から見ると、床は不透明に見えます。この方法の足の結果の顕著な顕著な特徴は私たちの新しく開発された自動化されたシステムによっていろいろな歩行およびロコモーターの特徴の正確な識別を可能にする。本研究では、装置、歩行解析プロトコル、および自動採点システムPrAnCERについて述べた。私たちの装置は容易に組み立てられ、PrAnCERは病気および傷害モデルの広い範囲のモーターの欠陥を査定するために使用することができる。
PrAnCERが異常な歩行パターンを検出するために使用できることを実証するために、PDのハロペリドールモデル、ロコモータ変化14の一過性誘導のための単純なモデルを使用した。ハロペリドールは、抗精神病薬1として広く使用されているドーパミン受容体拮抗薬である。これは、基底神経節14における運動経路の重要な構成要素である線条体におけるドーパミンシグナル伝達を変化させることによって運動システムに影響を与える。ハロペリドールの単回投与でも急速に線条体の細胞外ドーパミンレベルを減少させ、パーキンソニアン様運動排便15を引き起こす。行動効果は、筋肉の剛性、アキネシア、およびカタレプシーであり、異常な位置11、16に置かれた後に正常な姿勢に戻ることができないと定義される。ハロペリドールの急性用量は、運動機能17のロタロッド試験で識別可能なロコ運動欠損を引き起こす。我々は、ハロペリドール媒介性の運動障害は、自動歩行分析にアクセス可能な多くの特性においても明らかであると推論した。
ハロペリドールに対する応答は研究によって大きく異なりますが、ハロペリドールのカタレプティック効果は0.5mg/kg以上の用量で出現し、応答性の低下と運動障害は低用量(0.1 - 0.3 mg/kg)で検出可能です16、 17.ハロペリドールのカタレプティック効果を避けるために, 我々はハロペリドールの2つの用量をテストすることを決めました: 高用量 (0.30 mg/kg) と低用量 (0.15 mg/kg).表1に示すように、実験1は高用量ハロペリドールの効果を調べ、実験2は低用量ハロペリドールの効果を試験した。我々は、すべてのラットが高用量、低用量、および制御(生理)条件で試験された被験者内設計を使用した。条件の順序はラット間で相殺された。ハロペリドールの急性投与は、速度の低下、ストライド長の減少、スタンス期間3、14、18などのPDの他のモデルと同様の歩行障害を引き起こすと予測しました。 、19.両方の用量でハロペリドール投与後のアキネシアを含む行動変化を観察した.低用量状態では、ラットは予想通り、スタンス持続時間と後足接触領域を有意に増加させた。これらの歩行変化は、PD患者2、20の間で一般的な遅い、シャッフルステップに匹敵する。しかし、高用量条件では、歩幅の長さの増加と足の接触面積の増加が見られました。ストライドの長さの増加は予想外であったが、文献のさらなるレビューは、ハロペリドール誘発ブレースエスケープ応答の一部である可能性が高いことを示した。PrAnCERは、神経レプティクスの使用と一致するげっ歯類の歩行におけるパーキンソン病様変化を検出することができると結論付ける。

<table><tbody><tr><td>歩行歩道装置</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1/4 "透明なプレキシガラス</td><td>RISD 3Dストア、プロビデンス、ロードアイランド</td><td></td><td>州おおよその価格:$ 50 3 1/2 "W x 36 "Lにカット1個;4 1/2 "W x 36 "Lにカット2個 注: 私たちは、家にあった既存のプレキシガラスのテーブルに基づいて歩道を36インチの長さにしましたが、必要に応じて簡単に長くすることができます。</td></tr><tr><td>1/4 "クリアプレキシガラス</td><td>RISD 3Dストア、プロビデンス、ロードアイランド</td><td></td><td>おおよその価格:$ 10 4個、1 "W×4"Lにカット これらは、トンネルを所定の位置に保つために使用されます</td></tr><tr><td>10シリーズ80/20フレーミングピース、1 "×1" Tスロットプロファイル</td><td>80/20 Inc.</td><td>1010-S</td><td>おおよその価格:$ 16 2個を36インチL</td></tr> <tr><td>12VにカットしますフレキシブルLEDストリップライト、16.4ft / 5m LEDライトストリップ、デイライトホワイト</td><td>アマゾン</td><td></td><td>おおよその価格:$ 10</td></tr><tr><td>Bostik Blu-Tack接着剤</td><td>アマゾン</td><td></td><td>おおよその価格:$ 8</td></tr><tr><td>Clearprint 1000H製図ベラム、16 LB綿繊維</td><td>ディックブリック画材</td><td>11101-1046</td><td>おおよその価格:$ 50 4 "W x 36" L にカット注:この特定のベラムはロールとして来ます。ロールに残して4インチW. にカットしました ベラムの代わりにマイラーやつや消しプレキシガラスを使用することもできますが、カメラソフトウェアの検出設定を調整する必要があります。</td></tr><tr><td>Logitech HD Pro Webcam C920、1080p</td><td>Amazon</td><td></td><td>おおよその価格: $50</td></tr><tr><td>モバイル ラップトップ コンピューター デスク カート 高さ調節可能な</td><td>Amazon</td><td></td><td>おおよその価格: $40 動物の家のケージを歩道の端に置くための小さなテーブル。</td></tr><tr><td>プラスチックランプ</td>ペット<td>倉庫</td><td></td>概<td>算価格:$ 6 オプション:動物がホームケージに降りるのを支援するためのランプ</td></tr><tr><td>RetiCAM卓上三脚と3ウェイパン/チルトヘッド</td><td>Amazon</td><td></td><td>概算価格:$ 30</td></tr><tr><td>SCIGRIP#16アクリル用溶剤セメント-クリア、ミディアムボディ</td><td>Amazon</td><td></td><td>概算価格:$ 8</td></tr><tr><td>プレキシガラステーブル</td><td></td><td></td><td>おおよその価格:15ドル</td></tr><tr><td>シリーズ80/20フレーミングピース、1.5 "x 1.5" Tスロットプロファイル</td><td>80/20 Inc.</td><td>1515</td><td>およその価格:$ 110 6個を36インチLにカット、2個を12インチにカットし、両端を標準の5 / 16-18スレッドでタップ プレキシガラステーブルトップとテーブル脚のフレーミング</td></tr><tr><td>15シリーズ3ウェイ-ライトスクエアコーナーコネクタ</td><td>80/20 Inc.</td><td>14177お</td><td>よその価格:$ 24 4コネクタ テーブルトップと脚を接続するには</td></tr><tr><td>1/4 "クリアプレキシガラスシート</td><td>RISD 3Dストア、プロビデンス、ロードアイランド</td><td></td><td>おおよその価格:$ 50 15 "W x 39" L </td></tr><tr><td>5 / 16-18 x 1 "ボタンヘッドソケットキャップネジ</td><td>80/20 Inc.</td><td>3118</td><td>およその価格:$ 5 数量= 12</td></tr><tr><td>デラックスレベリングフィート、5 / 16-18 x 2 "</td><td>80/20 Inc.</td><td>2194</td><td>おおよその価格:$ 50 数量= 4 テーブル脚用</td></tr><tr><td>」T&rdquo;ハンドルボールエンド六角レンチ 3/16"</td><td>80/20 Inc.</td><td>6000</td><td>おおよその価格: $5</td></tr></tbody></table>

コントラスト強化録音(prancer)の足プリント解析:運動不足を評価するための低コストでオープンアクセスの自動歩行解析システム

Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings (PrAnCER): A Low-Cost, Open-Access Automated Gait Analysis System for Assessing Motor Deficits

歩行分析は、疾患の多くのげっ歯類モデルにおける運動機能の変化を定量するために使用される。研究の多くの分野で歩行と運動機能を評価することの重要性にもかかわらず、利用可能な商用オプションには、高コストやアクセス可能なオープンコードの欠如など、いくつかの制限があります。これらの問題に対処するため、歩行の自動定量化のために、コントラスト強化録音のPaw-Print解析PrAnCERを開発しました。コントラスト強化された録音は、表面に接触していない物体を隠す半透明の床を使用して生成され、ラットの足のプリントを歩きながら効果的に分離します。これらのビデオを使用して、私たちのシンプルなソフトウェアプログラムは、確実に様々な時空間歩行パラメータを測定します。PrAnCERが運動機能の変化を正確に検出できることを実証するために、パーキンソン病(PD)のハロペリドールモデルを採用しました。私たちは、ハロペリドールの2つの用量でラットをテストしました: 高用量 (0.30 mg/kg) と低用量 (0.15 mg/kg).ハロペリドールは、PDモデルで予想されるように、低用量状態でのスタンス持続時間および後足接触領域を有意に増加させた。高用量条件では、接触面積の同様の増加だけでなく、ストライド長の予想外の増加を発見しました。さらなる研究により、この増加したストライド長さは、ハロペリドールの高用量で一般的に観察されるブレースエスケープ現象と一致することがわかった。これにより、PrAnCERはげっ歯類の歩行パターンの予期せぬ変化と予期しない変化の両方を検出することができました。さらに、歩行パラメータの手動スコアリングと比較してPrAnCERが一貫性があり、正確であることを確認しました。

新しい半透明床を利用したラットの歩行特性を定量化するオープンアクセス自動化システム「コントラスト強化記録の足印解析(PrAnCER)」について説明します。歩行を定量化します。このシステムは、パーキンソン病のハロペリドールモデルを用いて検証された。

コントラスト強化録音(PrAnCER)の足プリント解析:運動不足を評価するための低コストでオープンアクセスの自動歩行解析システム

Gait analysis is used to quantify changes in motor function in many rodent models of disease. Despite the importance of assessing gait and motor function ...

私たちは、商用歩行システムにユーザーフレンドリーで手頃な価格で正確な代替手段である新しい歩行分析システムを発表しています。正しい照明で半透明の床を使用すると、動物の体を隠しながら、ハイコントラストの足のプリントを作成します。当社のシステムは、脊髄や神経損傷、神経変性疾患、神経筋疾患など、幅広い損傷および疾患モデルの運動機能を評価するために使用できます。当社の歩行装置と自動プログラムPrAnCERの両方が、異なる設定や動物モデルに合わせて簡単に適応させることができます。歩行解析の歩道を設置するには、透明なプレキシガラスの床に透明なプレキシガラスで囲まれた歩道を置き、歩道と同じ幅にカットされた16ポンドの製図ベラムで床を覆います。次に、少なくとも30フレーム/秒のフレームレートを持つカメラを歩道の真ん中に捉え、1フィートあたり約2インチ離れた場所に18個の発光ダイオードを備えた12ボルトの発光ダイオードライトのストリップを確保し、歩道の床から1インチ上にトラックを排除します。動物を歩道に慣らすには、歩行歩道の端の表面レベルにラットホームケージを置いてゴールボックスとして機能し、ラットが歩道の長さを手から歩いて家のケージまで歩くようにします。ネズミは、多くの場合、ホームケージに飛び降りる前に周りを見て回るために歩道の端に停止します。ネズミが歩道を出るのに1分以上かかる場合は、動物に優しいプッシュでホームケージに入るように促します。ネズミが振り向いたら、小さなプレキシガラスを使って歩道の始端を塞ぐ。ラットが凍結することなく安定したペースで歩道を横断するのが快適な場合は、ウェブカメラソフトウェアの設定を調整して足のプリントの最も明確な画像を達成し、各実行を別々に記録し、自動分析プログラムで使用するために適切なランにラベルを付けます。ベラムに斑点や破片がないことを確認した後、ラットが歩道に入る数秒前に記録を開始し、ラットが歩道を出てホームケージに入ると停止します。記録されたビデオは、動物の運動機能を正確に反映するために、一時停止または加速なしで発生する少なくとも4つの連続したステップをキャプチャすることを確認することが重要です。各ラットの後にエタノールで歩道を拭き取り、必要に応じてベラムを交換します。歩行記録の分析のために、分析するすべてのビデオを1つのフォルダに入れ、コントラスト強化された録音の足の印刷分析、またはPrAnCER、Pythonスクリプトを実行します。ポップアップメニューで、ビデオのフォルダを選択するフォルダをクリックし、必要に応じて分析に適したカスタムオプションを選択します。完了したら[続行]をクリックします。歩道のイメージ上で対象領域を定義するには、左クリックで上端を定義し、右クリックして下端を定義します。表示されるボックスが正しい場合は、N キーを押して続行します。プログラムは自動的に実行されます。PrAnCER が完了したら、端末で Enter をクリックしてプログラムを終了します。次に、Python スクリプト、Gait エディタ グラフィック ユーザー インターフェイスを実行し、各ビデオに適した MP4 ファイルを選択して、PrAnCER によって出力されるイメージを手動で確認します。誤認された印刷またはマージされた印刷物を必要に応じて修正します。空間的および時間的な歩行パラメータを抽出するには、Python スクリプトパラメータアナライザを実行し、解析するヒンドプリントの数と分析するビデオのフォルダを選択します。次に、[続行] をクリックして、いくつかの共通の歩行パラメータを含む各ビデオの csv ファイルを出力します。手動採点と同一ではありませんが、PrAnCERは高い精度で実行し、歩行の信頼性の高い尺度を生成します。比較のために、コントロールビデオのグループからの結果をここに示します。ストライド長さのPrAnCER分析は手動採点と有意に異ならなかったが、支持体測定の基盤に有意な差が認められた。これは、検出誤差ではなく、センタリング選択の差異が原因である可能性があります。高用量ハロペリドールで治療された動物では、ストライド長および最大接触面積の有意な増加が観察される。低用量ハロペリドールを与えられた動物はまた、スタンス持続時間および最大接触面積の有意な増加を示す。さらに、支持の基部における高用量および低用量のハロペリドール条件、最大接触面積および四肢間距離歩行パラメータとの間には有意な差がある。PrAnCER はすでに多くの一般的な時空間的足取りパラメータを分析していますが、コードを変更して、ユーザーが望む追加の歩行特性を評価することができます。私たちのシステムは、運動機能を測定するための簡単で手頃な方法を望む研究者が歩行分析をより利用しやすくすることを願っています。

paw-print-analysis-contrast-enhanced-recordings-prancer-low-cost-open

Research

JoVE Journal

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コントラスト強化録音(PrAnCER)の足プリント解析:運動不足を評価するための低コストでオープンアクセスの自動歩行解析システム

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