De MouseWalker gebruiken om locomotorische disfunctie te kwantificeren in een muismodel van dwarslaesie

Summary

Een experimentele pijplijn om het bewegingspatroon van vrij lopende muizen kwantitatief te beschrijven met behulp van de MouseWalker (MW) toolbox wordt geleverd, variërend van initiële video-opnames en tracking tot post-kwantificeringsanalyse. Een dwarslaesiemodel bij muizen wordt gebruikt om het nut van het MW-systeem aan te tonen.

Abstract

De uitvoering van complexe en sterk gecoördineerde motorische programma's, zoals lopen en hardlopen, is afhankelijk van de ritmische activering van spinale en supra-spinale circuits. Na een thoracale dwarslaesie is de communicatie met stroomopwaartse circuits verstoord. Dit leidt op zijn beurt tot een verlies van coördinatie, met een beperkt herstelpotentieel. Om de mate van herstel na toediening van geneesmiddelen of therapieën beter te evalueren, is er dus behoefte aan nieuwe, meer gedetailleerde en nauwkeurige hulpmiddelen om gang, ledemaatcoördinatie en andere fijne aspecten van locomotorisch gedrag in diermodellen van ruggenmergletsel te kwantificeren. In de loop der jaren zijn verschillende testen ontwikkeld om het vrijloopgedrag bij knaagdieren kwantitatief te beoordelen; Ze missen echter meestal directe metingen met betrekking tot staploopstrategieën, voetafdrukpatronen en coördinatie. Om deze tekortkomingen aan te pakken, wordt een bijgewerkte versie van de MouseWalker geleverd, die een gefrustreerde totale interne reflectie (fTIR) loopbrug combineert met tracking- en kwantificeringssoftware. Dit open-source systeem is aangepast om verschillende grafische outputs en kinematische parameters te extraheren, en een set post-kwantificeringstools kan zijn om de verstrekte outputgegevens te analyseren. Dit manuscript laat ook zien hoe deze methode, in combinatie met reeds gevestigde gedragstests, motorische tekorten na een dwarslaesie kwantitatief beschrijft.

Introduction

De effectieve coördinatie van vier ledematen is niet uniek voor viervoetige dieren. De coördinatie van de voorpoot en de achterpoot bij de mens blijft belangrijk om verschillende taken uit te voeren, zoals zwemmen en veranderingen in snelheid tijdens het lopen¹. Verschillende ledemaat^{kinematisch 2} en motorisch programma ^1,3,4, evenals proprioceptieve feedbackcircuits⁵, worden bewaard tussen mensen en andere zoogdieren en moeten worden overwogen bij het analyseren van therapeutische opties voor motorische aandoeningen, zoals dwarslaesie (SCI)

Protocol

Alle behandelings-, chirurgische en postoperatieve zorgprocedures werden goedgekeurd door het Moleculair Intern Comité (ORBEA) van het Instituto de Medicina en het Portugese Comité voor Dierethiek (DGAV) in overeenstemming met de richtlijnen van de Europese Gemeenschap (Richtlijn 2010/63/EU) en de Portugese wet op de verzorging van dieren (DL 113/2013) onder de licentie 0421/000/000/2022. Vrouwelijke C57Bl/6J muizen van 9 weken oud werden gebruikt voor deze studie. Alles werd in het werk gesteld om het aantal dieren tot een minimum te beperken en het lijden van de in het onderzoek gebruikte dieren te verminderen. Het MATLAB-script en de zelfstandige versie van de MW-s....

Results

Het standaard BMS-systeem beschrijft de bruto motorische tekorten na SCI¹⁴. Vanwege het subjectieve karakter worden over het algemeen naast het BMS andere kwantitatieve tests uitgevoerd om een meer gedetailleerde en fijne beoordeling van de voortbeweging te produceren. Deze tests tonen echter geen specifieke informatie over stapcycli, stappatronen en coördinatie van de voorpoten-achterpoten, wat uiterst belangrijk is om te begrijpen hoe het spinale circuit de functie behoudt en zich aanpast aan ee.......

Discussion

Hier wordt het potentieel van de MouseWalker-methode aangetoond door het locomotorisch gedrag na dwarslaesie te analyseren. Het biedt nieuwe inzichten in specifieke veranderingen in stap-, voetafdruk- en looppatronen die anders zouden worden gemist door andere standaardtests. Naast het leveren van een bijgewerkte versie van het MW-pakket, worden ook data-analysetools beschreven met behulp van de meegeleverde Python-scripts (zie stap 5).

Omdat de MW een grote dataset en een verzameling kinemati.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
45º Mirror
2 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 16 cm height, 1 on each side	Misumi
2 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 23 cm, @ 45° , 1 on each side	Misumi
1 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 83 cm long	Misumi
87 x 23 cm mirror	General glass supplier
black cardboard filler	General stationery supplier		We used 2, one with 69 x 6 cm and another with 69 x 3cm to limit the reflection on the mirror
Background backlight
109 x 23 cm plexiglass (0.9525 cm thick)	General hardware supplier
2 lateral aluminum extrusion (4 x 4 cm), 20 cm long, 1 on each side	Misumi
multicolor LED strip	General hardware supplier
white opaque paper to cover the plexyglass	General stationery supplier
fTIR Support base and posts
2 aluminum extrusion (4 x 4 cm), 100 cm height	Misumi
60 x 30 cm metric breadboard	Edmund Optics	#54-641
M6 12 mm screws	Edmund Optics
M6 hex nuts and wahers	Edmund Optics
fTIR Walkway
109 x 8.5 cm plexyglass (1.2 cm thick)	General hardware supplier		109 x 8.5 cm plexyglass (1.2 cm thick)
109 cm long Base-U-channel aluminum with 1.6 cm height x 1.9 cm depth thick folds (to hold the plexyglass)	General hardware supplier
2 lateral aluminum extrusion (4 x 4 cm) 20 cm length, 1 on each side	Misumi
black cardboard filler	General stationery supplier		we used 2 fillers on each side to cover the limits of the plexyglass, avoiding bright edges
M6 12 mm screws	Edmund Optics
High speed camera (on a tripod)
Blackfly S USB3	FLIR	#BFS-U3-32S4M-C	This is a reccomendation. The requirement is to record at least 100 frames per second
Infinite Horizon Impactor
Infinite Horizon Impactor	Precision Systems and Instrumentation, LLC.	#0400
Lens
Nikon AF Zoom-Nikkor 24-85mm	Nikon	#1929	This lens is reccomended, however other lens can be used. Make sure it contains a large aperture (i.e., smaller F-stop values), to capture fTIR signals
Software
MATLAB R2022b	MathWorks
Python 3.9.13	Python Software Foundation
Anaconda Navigator 2.1.4	Anaconda, Inc.
Spyder 5.1.5	Spyder Project Contributors
Walkway wall
2 large rectagular acrilics with 100 x 15 cm	Any bricolage convenience store
2 Trapezian acrilic laterals with 6-10 length x 15 cm height	Any bricolage convenience store
GitHub Materials
Folder name	URL
Boxplots	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Boxplots		Script to create Boxplots
Docs	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docs		Additional documents
Heatmap	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Heatmaps		Script to create heatmap
Matlat script	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20Script		MouseWalker matlab script
PCA	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plots		Script to perform Principal Component Analysis
Raw data Plots	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plots		Script to create Raw data plots
Residual Analysis	https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysis		Code to compute residuals from Raw data