Method Article

MouseWalker를 사용하여 척수 손상 마우스 모델에서 운동 기능 장애 정량화

DOI:

10.3791/65207

⸱

March 24th, 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Instituto de Medicina Molecular João Lobo Antunes, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa, 2iNOVA4Health, NOVA Medical School|Faculdade de Ciências Médicas, NMS|FCM, Universidade Nova de Lisboa, 3Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

마우스워커(MW) 툴박스를 사용하여 자유롭게 걷는 쥐의 운동 패턴을 정량적으로 설명하는 실험 파이프라인이 제공되며, 초기 비디오 녹화 및 추적에서 정량화 후 분석에 이르기까지 다양합니다. 생쥐의 척수 타박상 손상 모델은 MW 시스템의 유용성을 입증하기 위해 사용됩니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

걷기 및 달리기와 같은 복잡하고 고도로 조정 된 운동 프로그램의 실행은 척추 및 척추 상 회로의 리드미컬 한 활성화에 달려 있습니다. 흉부 척수 손상 후 업스트림 회로와의 통신이 손상됩니다. 이는 결국 조정 상실로 이어지고 회복 가능성이 제한됩니다. 따라서 약물이나 치료법 투여 후 회복 정도를 더 잘 평가하기 위해서는 척수 손상 동물 모델에서 보행, 사지 협응 및 기타 운동 행동의 미세한 측면을 정량화할 수 있는 새롭고 보다 상세하며 정확한 도구가 필요합니다. 설치류의 자유 보행 행동을 정량적으로 평가하기 위해 수년에 걸쳐 여러 분석법이 개발되었습니다. 그러나 일반적으로 보행 전략, 발자국 패턴 및 조정과 관련된 직접적인 측정이 부족합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 fTIR(Frustrated Total Internal Reflection) 통로와 추적 및 정량화 소프트웨어를 결합한 업데이트된 버전의 MouseWalker가 제공됩니다. 이 오픈 소스 시스템은 여러 그래픽 출력과 운동학적 매개변수를 추출하도록 조정되었으며 정량화 후 도구 세트는 제공된 출력 데이터를 분석할 수 있습니다. 이 원고는 또한 이미 확립된 행동 테스트와 결합된 이 방법이 척수 손상 후 운동 결손을 정량적으로 설명하는 방법을 보여줍니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

네 팔다리의 효과적인 조정은 네 발 달린 동물에만 국한된 것이 아닙니다. 인간의 앞다리-뒷다리 협응력은 수영 및 걷는 동안 속도 변경과 같은 여러 작업을 수행하는 데 여전히 중요합니다1. 고유 수용성 피드백 회로(proprioceptive feedback circuit)5 뿐만 아니라, 다양한 사지 운동학(limb kinematic)2 및운동 프로그램(motor program)1,3,4은 인간과 다른 포유류 사이에서 보존되며, 척수 손상(SCI)6,7,8 과 같은 운동 장애에 대한 치료 옵션을 분석할 때 고려되어야 한다.

걷기 위해서는 앞다리와 뒷다리의 여러 척추 연결이 적절하게 연결되고 리드미컬하게 활성화되어야 하며, 이를 위해서는 뇌의 입력과 체성 감각 시스템의 피드백이 필요합니다....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

모든 취급, 수술 및 수술 후 관리 절차는 라이선스 0421/000/000/2022에 따라 유럽 공동체 지침(지침 2010/63/EU) 및 동물 관리에 관한 포르투갈 법률(DL 113/2013)에 따라 Instituto de Medicina 분자 내부 위원회(ORBEA) 및 포르투갈 동물 윤리 위원회(DGAV)의 승인을 받았습니다. 9주령의 암컷 C57Bl/6J 마우스를 본 연구에 사용하였다. 동물의 수를 최소화하고 연구에 사용된 동물의 고통을 줄이기 위해 모든 노력을 기울였습니다. MATLAB 스크립트와 MW 소프트웨어의 독립 실행형 버전은 오픈 소스이며 GitHub에서 사용할 수 있습니다.
리포지토리(https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker). MW 소프트웨어는 MATLAB R2012b에서 개발되었지만 MATLAB R2022b에서 실행되도록 조정되었습니다. 그림 1 은 MW의 분석 워크플로를 보여줍니다.

1. 마우스워커(MW) 장치 설정

  1. 앞서 설명한 대로 MW 장치를 조....

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

표준 BMS 시스템은 SCI14 이후의 총 모터 결함을 설명합니다. 주관적인 특성으로 인해 일반적으로 BMS와 함께 다른 정량적 분석을 수행하여 운동에 대한 보다 상세하고 정밀한 평가를 생성합니다. 그러나 이러한 검사는 척추 회로가 기능을 유지하고 불완전한 SCI에 적응하는 방법을 이해하는 데 매우 중요한 단계 주기, 계단 패턴 및 앞다리-뒷다리 협응에 대한 특정 정보를 보여주지 못합니다. 이 섹션에서는 MW 툴박스가 SCI 후 운동 기능 회복을 모니터링하고 보행 행동에 대한 관련 정보를 추가하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다.

연구 샘플은 9주령의 암컷 C57Bl/6J 마우스의 두 그룹으로 나뉩니다: SCI 실험 그룹(n = 11), 동물은 추궁 절제술을 받은 후 T9/T10 수준에서 중등도에서 중증의 타박상 손상을 입었습니다. 및 가짜 손상 대조군(n = 10)에서 동일한 컬럼 수준에서 추궁 절제술.......

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서 MouseWalker 방법의 잠재력은 SCI 후 운동 행동을 분석하여 입증됩니다. 다른 표준 테스트에서는 놓칠 수 있는 걸음 걸기, 발자국 및 보행 패턴의 특정 변경에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. MW 패키지의 업데이트된 버전을 제공하는 것 외에도 제공된 Python 스크립트를 사용하여 데이터 분석 도구에 대해 설명합니다(5단계 참조).

MW가 대규모 데이터 세트와 고차원 운동 과정을 반영하는 운동학적 매개변수 모음을 생성함에 따라 PCA가 사용되었습니다. 실제로 PCA는 27,35,36과 유사한 다른 운동학적 데이터 세트에서 널리 사용되었습니다(그림 3). 이 차원 축소 기법은 최소한의 가정을 가진 간단하고 강력한 방법으로, 운동학적 프로파일을 .......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 경쟁하는 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 Laura Tucker와 Natasa Loncarevic에게 원고에 대한 의견과 Instituto de Medicina Molecular João Lobo Antunes의 설치류 시설에서 제공 한 지원에 감사드립니다. 저자는 Prémios Santa Casa Neurociências - 척수 손상 연구 상 Melo e Castro(MC-36/2020)가 LS 및 CSM에 대한 재정 지원을 인정하고자 합니다. 이 작업은 Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) (PTDC/BIA-COM/0151/2020), iNOVA4Health (UIDB/04462/2020 및 UIDP/04462/2020) 및 LS4FUTURE (LA/P/0087/2020)에서 C.S.M. L.S.는 CEEC Individual Principal Investigator 계약(2021.02253.CEECIND)에 의해 지원되었습니다. AFI는 FCT (2020.08168.BD)의 박사 학위의 지원을 받았습니다. AMM은 FCT의 박사 과정 (PD / BD / 128445 / 2017)의 지원을 받았습니다. IM은 FCT(SFRH/BPD/118051/2016)의 박사후 연구원의 지원을 받았습니다. DNS는 FCT(SFRH/BD/138636/2018)의 박사 펠로우십의 지원을 받았습니....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<강한>45º 거울 
2 알루미늄 압출 (2 x 2 cm), 높이 16 cm, 각 측면에 1Misumi
2 알루미늄 압출 (2 x 2 cm), 23 cm, @ 45°C; , 각 측면에 1Misumi
1 알루미늄 압출 (2 x 2 cm), 길이 83 cm Misumi
87 x 23 cm 거울일반 유리 공급 업체 
검은 판지 필러 일반 문구 공급업체 거울에 반사를 제한하기 위해 69 x 6cm와 69 x 3cm의 2 개를 사용했습니다
background backlight< / strong>
109 x 23cm 플렉시 글라스 (두께 0.9525cm)일반 하드웨어 공급
업체 2 측면 알루미늄 압출 (4 x 4cm), 길이 20cm, 양쪽에 1 개Misumi
다채로운 LED 스트립일반 하드웨어 공급
업체 흰색 불투명 종이로 플렉시 유리를 덮습니다.일반 문구 공급 업체
fTIR 지원 베이스 및 포스트
2 알루미늄 압출 (4 x 4 cm), 높이 100 cmMisumi
60 x 30 cm 메트릭 브레드보드Edmund Optics #54-641
M6 12mm 나사Edmund Optics 
M6 육각 너트 및 웨이퍼Edmund Optics 
fTIR 산책로 
109 x 8.5cm 플렉시 유리(1.2cm 두께)일반 하드웨어 공급업체109 x 8.5cm 플렉시 유리(1.2cm 두께)
109cm 길이 높이 1.6cm x 깊이 1.9cm 두께의 Base-U 채널 알루미늄(플렉시 유리를 고정하기 위해)일반 하드웨어 공급업체
측면 알루미늄 압출 2개(4 x 4cm) 길이 20cm, 양쪽 1Misumi
검은 판지 필러 일반 문구 공급 업체우리는 플렉시 유리의 한계를 커버하기 위해 각 측면에 2개의 충전재를 사용하였으며, 밝은 가장자리를 피
M6 12mm 나사Edmund Optics 
High 스피드 카메라(삼각대에)
Blackfly S USB3FLIR#BFS-U3-32S4M-C추천합니다. 요구 사항은 초당 최소 100프레임을 기록하는 것입니다
Infinite Horizon Impactor 
인피니트 호라이즌 임팩터 정밀 시스템 및 계측, LLC.#0400
Lens
Nikon AF Zoom-Nikkor 24-85mmNikon#1929이 렌즈는 권장되지만 다른 렌즈를 사용할 수 있습니다. fTIR 신호를 캡처하려면 큰 조리개(즉, 더 작은 F-스톱 값)가 포함되어 있는지 확인하십시오
Software
MATLAB R2022bMathWorks
Python 3.9.13 파이썬 소프트웨어 파운데이
션 아나콘다 네비게이터 2.1.4Anaconda, Inc.
스파이더 5.1.5 Spyder 프로젝트 컨트리뷰터
Walkway wall 
100 x 15cm의 대형 rectagular acrilics 2모든 bricolage 편의점
길이 6-10 x 높이 15cm의 Trapezian acrilic 측면 2모든 bricolage 편의점
GitHub Materials
Folder name<strong>URL
Boxplotshttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/BoxplotsBoxplots를 만드는 스크립트
Docshttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docs추가 문서
Heatmaphttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/HeatmapsHeatmap을 만드는 스크립트
Matlat 스크립트https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20ScriptMouseWalker matlab 스크립트
PCAhttps://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plots주성분 분석을 수행하는 스크립트
원시 데이터 플롯https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plots원시 데이터 플롯을 생성하는 스크립트
, 잔차 분석https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysis원시 데이터의 잔차를 계산하는 코드
개 개 개 하였습니다. , 개 개

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Frigon, A. The neural control of interlimb coordination during mammalian locomotion. Journal of Neurophysiology. 117 (6), 2224-2241 (2017).
  2. Grillner, S. Biological pattern generation: The cellular and computational logic of networks in motion.

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