Deep-learning gebaseerde multi-joint synchrone tracking voor objectieve kwantificering van de achterpoot-lokomotorkinematica bij ratten

Summary

Dit protocol stelt een ratten-achterledemaat-kinematische evaluatiepijplijn op met behulp van een markerloze loopbandtest met deep learning-gedreven multi-joint traject auto-labeling, wat reproduceerbare bewegingskwantificatie mogelijk maakt.

Abstract

Nauwkeurige en objectieve beoordeling van rattengang is essentieel voor neurowetenschappelijke en kinesiologische onderzoeksvelden. Conventionele systemen vertrouwen vaak op footprint imaging voor indirecte loopinferentie, wat de kinematica van achterpoot met meerdere gewrichten niet volledig kan vastleggen. Deze studie stelt een markerloos loopsysteem, gebaseerd op loopband voor knaagdieren op, waarbij aangepaste deep learning-algoritmen worden geïntegreerd met een programmeerbare loopband met gewichtondersteuning, zodat meerdere onderledematen in realtime gevolgd kunnen worden en multidimensionale kinematische kwantificering worden toegepast. Het systeem extraheert automatisch gangcyclusparameters, gewrichtstrajecten, krachtverdelingspatronen en soepele bewegingen onder gemoduleerde snelheid (0-300 mm/s), helling (±30° gradiënt) en graded weight support (0-500 g) condities, wat een objectief beoordelingsinstrument biedt voor neuromusculair gedragsonderzoek. Met behulp van ruggenmergletsels (SCI)-modellen tonen de resultaten de gevoeligheid van het systeem aan bij het detecteren van multidimensionale verschillen in gewrichtsbewegingsbereik, trajectcontinuïteit, voortstuwingskracht en soepele beweging tussen gezonde en gewonde knaagdieren, waarmee de ziektediscriminatie en gradatiecapaciteiten worden bevestigd. In vergelijking met traditionele subjectieve scores of footprint-methoden elimineert dit platform persoonlijke bias en beperkingen op laag-dimensionale data, terwijl het een door deep learning gedreven architectuur en voordelen van dataverzameling met hoge doorvoersnelheid combineert. Het is toepasbaar op onderzoek naar centrale of perifere zenuwletsel, neurodegeneratieve ziekten, musculoskeletale aandoeningen en verouderingsprocessen. Door synchroon integreren van de neuro-elektrofysiologiemodules maakt het systeem de temporele koppeling van gang- en neurale signalen verder mogelijk, waardoor een methodologisch kader wordt gecreëerd voor het ontleden van centrale-perifere controlemechanismen en het ontwikkelen van neuromodulerende strategieën.

Introduction

In de hedendaagse neurowetenschap en locomotorisch onderzoek is objectieve kwantificatie van gangpaden nu essentieel om neurale-musculaire functies te ontleden, ziektemechanismen te verduidelijken en revalidatiestrategieën te evalueren¹. De hoge ruimtelijke resolutie maakt het mogelijk subtiele variaties in synergieën tussen neurale commando's, spieractivatieprofielen en skeletmechanica vast te leggen, waarmee een empirische basis wordt gelegd voor het onderzoeken van de coördinatie van supraspinale paden, perifere feedback en mechanische contexten. Reproducerbare kinematische metrieken verbeteren de detectiege....

Protocol

Alle dierprocedures zijn goedgekeurd door de Commissie voor Institutionele Dierenverzorging en -gebruik van het Beijing Institute for Brain Research en voldeden aan de richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren. Er werden geen proceduregerelateerde bijwerkingen waargenomen.

1. Voorbereiding van apparatuur

1. Zet de voeding van het loopbandsysteem aan en selecteer de Speed Control-knop op het touchscreen.
2. Laat de band 30 seconden op lage snelheid draaien om te observeren of de loopbandband afwijkt.
3. Selecteer de Incline ....

Results

Het schematische diagram en de daadwerkelijke foto van de structuur van het loopbandsysteem zijn respectievelijk te zien in Figuur 1A,B. Het apparaat is in staat om hoogcontrast laterale beelden te verkrijgen zonder markers. De loopband ondersteunt aanpassingen voor snelheid, helling, richting en gewichtsvermindering, en is uitgerust met een numeriek bedieningspaneel. De bijbehorende software-interface bevat een realtime monitoring- en acqui.......

Discussion

Dit protocol definieert een loopanalysesysteem op loopband voor ratten en de bijbehorende operationele procedures, en biedt een multidimensionaal en objectief beoordelingsinstrument voor neuromusculair gedragsonderzoek. Zoals aangetoond in de intergroepvergelijkingen van gangparameters tussen SCI en gezonde ratten binnen de voorbeeldstudie, verkrijgt het systeem ruwe ruimtelijke bewegingscoördinaten van de onderbenen van proefpersonen via continue hoge framerate gangvideografie en een AI.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gait AI Annotation & Acquisition Software	Shanghai ClinAITrial Technology Co., Ltd.	MouseAI	MouseAI is the integrated analysis software for the MOVEMETRICS treadmill, unifying video recording, metadata logging, and automated gait analysis into a single workflow.
Mechanical impact	RWD Life Science, Shenzhen, China
Multi-channel electrophysio logical recording system	Kedou (suzhou) brain- computer Technology Co. ,	KedouBC RHD128A	KedouBC RHD128A is a compact, 128-channel in vivo electrophysiology acquisition system engineered for high-resolution neural recording in small to large laboratory animals. Integrating lightweight, plug-and-play headstages (≤ 1.3 g), 16-bit A/D conversion and programmable amplifiers, it captures EEG, ECoG, LFP, spikes, EMG and ECG signals from 0.1 Hz to 30 kHz with ≤ 2.4 µV system noise and > 10 GΩ input impedance. RHD128A delivers robust, user- scalable neural data to accelerate studies in brain-machine interfaces, neurodegeneration and rehabilitation.
Treadmill	Shanghai ClinAITrial Technology Co., Ltd.	MOVEMETRICS	MOVEMETRICS is a high-precision instrumented treadmill for advanced rodent gait analysis.