3D Kinematic Analyse voor de functionele evaluatie in het Rattenmodel van Sciatische Zenuwbrekerletsel
12 februari 2020
We introduceren een kinematische analysemethode die gebruik maakt van een driedimensionaal bewegingsopnameapparaat met vier camera's en gegevensverwerkingssoftware voor het uitvoeren van functionele evaluaties tijdens fundamenteel onderzoek met knaagdiermodellen.
Wij bieden een nauwkeurige en DiCharacter methode voor functionele evaluaties van proefdieren. Het is gevoelig en betrouwbaar en verstoken van tekortkomingen toegeschreven aan andere methoden voor functionele evaluaties. Bijvoorbeeld de sciatische functionele index.
Om te beginnen, het opzetten van twee transparante plastic platen aan beide zijden van de loopband om een 12 weken oude mannelijke LEWIS rat lopen in een rechte richting naar voren te laten lopen, zet dan op de elektrische schok raster. Laat elke rat op de loopband lopen. Versnel de loopband geleidelijk tot de gewenste snelheid van 20 centimeter per seconde en laat de rat vijf minuten normaal lopen met deze snelheid.
Zorg na elke wandelsessie voor een rustpauze van één tot twee minuten. Herhaal dit proces drie keer per dag vijf dagen per week gedurende een week. Terwijl de rat wordt ontvangen stabiele anesthesie door het verdovingsmasker, scheer een gebied van de onderrug naar de bilaterale malleoli met behulp van een elektrisch scheerapparaat.
Plaats de rat in de gevoelige positie. Gebruik een zwarte marker pen om de bot oriëntatiepunten op de geschoren huid, een lijn door de spinous processen van de lendenen tot sacrale wervels markeren. Gebruik bovendien een zwarte marker om de voorste/superieure iliacale stekels, de grotere trochanters, de kniegewrichten, de laterale malleoli, de vijfde middenvoetsbeentjesfalangeale gewrichten en het puntje van de vierde teen te markeren.
Gebruik vervolgens een vloeibare lijm om hemisferische markers te bevestigen aan deze bot oriëntatiepunten, behalve voor de lijn door de spineuze processen van de lendenen aan de sacrale wervels en het puntje van de vierde teen. Na het plaatsen van alle markers, zet de rat terug in de kooi. Zet de rat niet op de loopband totdat hij volledig herstelt van anesthesie.
Plaats twee transparante kunststof platen aan beide zijden van de loopband en plaats de kalibratiebox in het midden van de loopband. Open de opnamesoftware en klik vervolgens op het pictogram van de kalibratieafbeelding op het display. Klik op het opnamepictogram om één tot twee seconden video op te nemen vanuit vier richtingen met behulp van 120 hertz CCD-camera's.
Klik nogmaals op het opnamepictogram om de opname te stoppen. Open de videobestanden in de berekeningssoftware. Klik en sleep de kenmerkende punten van de 3D-modellen van het kalibratievak rechtsonder van het scherm naar de bijbehorende markeringen op de vier afbeeldingen die automatisch worden getransformeerd van de video in het kalibratiepatroon.
Klik vervolgens op het pictogram opslaan. Haal nu de kalibratiebox uit de loopband, zet het elektrische schokrooster aan en plaats de volledig wakkere rat op de loopband. Open de opnamesoftware en voer de basisinformatie over de rat in, inclusief het serienummer, de loopsnelheid en de naam van de hoofdoperator.
Zet de loopband aan en stel de snelheid in op 20 centimeter per seconde. Nadat de rat zich aanpast aan de snelheid en normaal kan lopen, klikt u op het opnamepictogram op het display om de wandelende rat met de vier camera's op te nemen. Zodra meer dan 10 stappen zijn opgenomen, klikt u nogmaals op het pictogram om de opname te stoppen en de loopband uit te schakelen.
Zet de rat terug in de anesthesie inductiekamer voor verdoving. Terwijl de rat is onder continue anesthesie via de verdoving masker, verwijder de hemisferische markers. Open de berekeningssoftware en open het videobestand op de interface.
Klik en sleep de bilaterale controlebalk op de voortgangsbalk van de video om ervoor te zorgen dat alleen een looprecord in 10 stappen wordt weergegeven. Klik en sleep elk kenmerkpunt van het 3D-model in de rechterbenedenhoek van het scherm naar de bijbehorende markering op elk van de vier eerste foto's van de video's die door de camera's zijn gemaakt. Klik vervolgens op het pictogram automatisch traceren om het automatische markeringstraceringsproces te starten.
Als het systeem een markering niet nauwkeurig traceert, klikt u op het handmatig digitaliseren van het pictogram om over te schakelen naar de handmatige traceringsmodus, klikt u op het kenmerkpunt voor overtrek in het 3D-model en vervolgens op de reagerende markering in de afbeelding. Zodra op de markering is geklikt, moet u ervoor zorgen dat de afbeelding overschakelt naar het volgende frame van de video. Klik nu continu op de markering totdat het markeringstraceringsproces is voltooid.
Klik op het pictogram opslaan als u klaar bent. Open de analysesoftware en open vervolgens het verwerkte videobestand op de interface. Klik op het instellingspictogram en selecteer en voeg aangewezen parameters toe, zoals de enkelhoek, teenhoek en bekkenverschuiving naar de weergavelijst in het pop-upvenster aan de rechterkant.
Klik op OK, zodat de curven die de waardewijzigingen in de parameters weergeven, op de interface worden weergegeven. Klik op het meetpictogram en selecteer vloeiende verwerking in het pull down-menu. Voer 20 hertz in het pop-upvenster in om frequenties van meer dan 20 hertz binnen de curven te verwijderen.
Door middel van 3D kinematische analyse werd de gemiddelde verhouding van de houding of swingfase in de 10-stappencyclus automatisch berekend en vertegenwoordigd op de interface. Elke bilaterale houding en swing fase in 10-stappen cyclus periodes voor de controlegroep, een week na de operatie, drie weken na de operatie, en zes weken na de operatie groepen worden hier getoond. Het normale zwaartepunt baan vorm lijkt op de oneindigheid teken.
Het zwaartepunt baan vorm niet terug te keren naar een normale vorm tot zes weken na de operatie. De gemiddelde waarde van de enkel of teen hoek in de teen uit fase suggereerde dat ze verbeterd in een opwaartse richting na de operatie. Het lokaliseren van de bot oriëntatiepunten op geschoren huid zo zorgvuldig en correct mogelijk is het belangrijkste ding.
analyse op de heupzenuw kan worden uitgevoerd en het zal de relatie tussen functionele en histologische veranderingen onthullen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie introduceert een kinematische analysemethode met behulp van een 3D-bewegingsregistratiesysteem met vier camera's om de voortbeweging van knaagdieren te evalueren. De benadering heeft tot doel betrouwbare functionele evaluaties te bieden die bestaande methoden verbeteren.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Dierlijke voortbeweging
- Kinematica
Achtergrond
- Functionele evaluaties van laboratoriumdieren kunnen een uitdaging zijn.
- Huidige methoden kunnen verschillende tekortkomingen hebben.
- De behoefte aan gevoeligere en betrouwbaardere detectie in studies.
- Rodentmodellen worden vaak gebruikt in dergelijke functionele beoordelingen.
Doel van het onderzoek
- Om een nieuwe methode te ontwikkelen voor het evalueren van de voortbeweging van laboratoriumdieren.
- Om de gevoeligheid en betrouwbaarheid bij het vastleggen van functionele gegevens te verbeteren.
- Om de beperkingen van bestaande evaluatietechnieken aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een 3D-bewegingsregistratieapparaat en dataverwerkingssoftware.
- Gebruik van 12 weken oude mannelijke LEWIS-ratten voor het evaluatieprotocol.
- Stap-voor-stap kinematische analyse van het lopen van ratten, met duidelijke instructies voor opstelling en uitvoering.
- Opname- en analysemethoden die meerdere videoperspectieven en kalibratie omvatten.
Belangrijkste resultaten
- De methode maakt nauwkeurige tracking en analyse van voortbewegingsfasen mogelijk.
- Opmerkelijke veranderingen waargenomen in de enkel- en teenhoeken na verloop van tijd na de operatie.
- De gegevens ondersteunen inzichten in functioneel herstel na interventie.
- Het traject van het zwaartepunt vertoonde tekenen van normaliteit die pas na zes weken terugkeerden.
Conclusies
- Deze studie toont een effectieve methode voor gedetailleerde kinematische analyse van de voortbeweging van knaagdieren.
- Verbeteringen in de betrouwbaarheid van de methodologie kunnen de functionele evaluatie in onderzoek aanzienlijk verbeteren.
- De bevindingen kunnen de begrip van mechanismen van locomotieverherstel in diermodellen bevorderen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Kinematic analysis using 3D motion capture provides a more sensitive and reliable functional evaluation method than traditional indices like SFI for rodent models of nerve injury. This approach supports target validation by enabling precise quantification of locomotor recovery, which is critical for de-risking mechanistic hypotheses in preclinical neuroscience programs. The method enhances predictive confidence in early discovery by delivering quantitative, reproducible data on neuromuscular function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise measurement of stance/swing phase ratios and joint kinematics in nerve injury models.
- Operational Value: Reduces mechanistic ambiguity by providing high-resolution temporal and spatial locomotor data not accessible via endpoint functional indices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variables such as ankle angle, toe angle, and center of gravity trajectory for assay standardization.
- Operational Value: Supports screening readiness through automated calculation of stance/swing phase means across multiple post-injury timepoints.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between functional recovery and histological changes, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by tracking recovery trajectories over six weeks post-surgery.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early biology to preclinical validation by delivering functional readouts that inform target confidence and pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via measurement of locomotor parameters that reflect sciatic nerve function.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs including pelvic shift and joint angles for compound evaluation.
- Analytics: Provides smooth-processed kinematic curves at 20 Hz cutoff for reliable inter-group comparison.
- Translational Research: Connects functional data to structural outcomes, enabling mechanistic de-risking before preclinical advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable locomotor phenotyping platform applicable across trauma and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through sensitive detection of functional deficits and recovery.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via calibrated 3D motion capture and software-based marker tracing.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing false negatives in functional assessment.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on longitudinal locomotor recovery profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture systems, marker placement, and kinematic data processing.
- Dependent on 3D motion capture apparatus with multi-camera synchronization and calibration tools.
- Necessitates cross-team standardization for marker placement protocols and software workflows.
- Involves adaptation considerations for different rodent strains and injury models due to skin shifting artifacts.
- Limited by high equipment cost, operational complexity, and potential data deviation from soft tissue movement.
