Procedura z użyciem haloperidolu
Opracowaliśmy ten system analizy chodu w celu porównania parametrów chodu u szczurów kontrolnych z parametrami u szczurów eksperymentalnych, u których oczekiwano wystąpienia różnych zaburzeń lokomocyjnych, chodu i równowagi. Zastosowaliśmy schemat badawczy wewnątrzobiektowy, w którym każdy szczur był badany w warunkach podania soli fizjologicznej, wysokiej dawki haloperidolu oraz niskiej dawki haloperidolu. Szczury podzielono na dwie grupy (A i B), aby umożliwić zastosowanie kontrbalansowania; testy chodu były kontrbalansowane pod kątem pory dnia oraz kolejności warunków. Każdy test był oddzielony odstępem 48 h. Szczury poddano lekkiej anestezji izofluranem przed wykonaniem dokanałowych (IP) wstrzyknięć soli fizjologicznej lub haloperidolu. Chód badano 1 h po wstrzyknięciu, kiedy stężenie haloperidolu powinno osiągnąć poziom szczytowy15,16,17.
Wyniki behawioralne
Zaobserwowaliśmy wyraźne zmiany w zachowaniu zwierząt leczonych haloperidolem. W warunkach stosowania wysokiej dawki u pięciu z ośmiu szczurów wystąpiły okresy znieruchomienia na początku ścieżki, podczas których zwierzęta nie reagowały na dotyk eksperymentatora i stawiały opór przy próbach przemieszczenia. W niektórych przypadkach stan ten utrzymywał się przez kilka minut, aż do momentu usunięcia szczura ze ścieżki. W innych przypadkach znieruchomiały szczur nagle zaczynał szybko się poruszać lub „skakać” wzdłuż ścieżki, po czym powracał do stanu znieruchomienia pod jej koniec. W warunkach stosowania niskiej dawki u 3 z 8 szczurów wystąpiły podobne okresy znieruchomienia. Przy tej dawce odnotowano tylko jeden przypadek zachowania polegającego na skakaniu. Nie zaobserwowano żadnych skoków u zwierząt leczonych solą fizjologiczną.
Przeanalizowano wpływ haloperidolu na następujące parametry chodu: szerokość podparcia, długość kroku, prędkość kroku, czas trwania fazy podparcia, stosunek fazy podparcia do fazy przeniesienia, maksymalną powierzchnię kontaktu oraz odległość między kończynami. Ponieważ wiele parametrów chodu dla kończyn przednich i tylnych jest identycznych, a haloperidol zazwyczaj wywiera jednolity wpływ na wszystkie kończyny, obliczono parametry tylko dla kończyn tylnych i nie rozdzielono danych dla kończyn lewej i prawej. Dla każdego szczura obliczono średnią wartość każdego parametru chodu ze wszystkich użytecznych przebiegów z każdego dnia testowego. Wszystkie parametry (z wyjątkiem zmienności prędkości) obliczono jako średnią dla pierwszych 4 użytecznych kroków w przebiegu. Aby ocenić, czy każda dawka haloperidolu istotnie wpłynęła na chód, zastosowano test t dla prób zależnych. W Eksperymencie 1 odnotowano istotny wzrost długości kroku (Rycina 6A; t(7) = -2,962, p = 0,021) oraz maksymalnej powierzchni kontaktu (Rycina 6A; t(7) = -2,51, p = 0,04) u zwierząt leczonych wysoką dawką haloperidolu. Szerokość podparcia, prędkość, czas trwania fazy podparcia oraz stosunek fazy podparcia do fazy przeniesienia nie wykazały istotnych zmian. W Eksperymencie 2 zwierzęta otrzymujące niską dawkę haloperidolu wykazały istotny wzrost czasu trwania fazy podparcia (Rycina 6B; t(7) = -2,4, p = 0,044) oraz maksymalnej powierzchni kontaktu (Rycina 6B; t(7) = -3,085, p = 0,018) w porównaniu do stanu kontrolnego z solą fizjologiczną. Żadne inne parametry chodu nie były istotne. Dodatkowo stwierdzono istotną różnicę między grupą z wysoką a niską dawką haloperidolu w odniesieniu do szerokości podparcia (Rycina 6C; t(7) = 2,651, p = 0,033), maksymalnej powierzchni kontaktu (Rycina 6C; t(7) = 4,635, p = 0,002) oraz odległości między kończynami (Rycina 6C; t(7) = 3,098, p = 0,017).
Dokładność lokalizacji i błędy w systemie zautomatyzowanym
Aby ocenić dokładność PrAnCER, porównaliśmy jego zautomatyzowaną analizę z manualną oceną 21 losowo wybranych filmów z oddzielnej grupy 6 szczurów kontrolnych. Na potrzeby oceny ręcznej filmy przekształcono w sekwencje obrazów, które następnie wykorzystano do ręcznego zaznaczania lokalizacji odcisków. W celu zwiększenia wydajności analizę ograniczyliśmy do danych przestrzennych mierzonych wyłącznie z odcisków tylnych łap. Wyznaczyliśmy średnią długość kroku oraz BOS dla każdego filmu i porównaliśmy je z wartościami uzyskanymi automatycznie. Podczas gdy średnia długość kroku nie różniła się istotnie między oceną manualną a analizą PrAnCER (Rysunek 7B; t(20) = -0,01, p = 0,9), wartość BOS była istotna (Rysunek 7A; t(20) = -2,21, p = 0,038). Chociaż ocena automatyczna i manualna były ogólnie dobrze skorelowane, system zautomatyzowany wykazał średnio o 5% większą wartość BOS. Różnica ta może wynikać z wariancji w wyborze centroidu, a nie z błędów detekcji. W ocenie manualnej lokalizację odcisku zaznaczano poprzez rysowanie owalu wokół podstawy każdego odcisku tylnej łapy, ponieważ ręczne odtworzenie metody szacowania środka masy stosowanej przez PrAnCER byłoby trudne. Wyraźną tendencją było zawyżanie BOS przez PrAnCER, co może wynikać z faktu, że niektóre zwierzęta mogą rozstawiać palce w sposób asymetryczny, co powoduje, że PrAnCER rejestruje bardziej ekstremalne centroidy niż w ocenie manualnej. Inne systemy również odnotowały istotne zwiększenie BOS pomiędzy oceną manualną a zautomatyzowaną, mimo spójnych pomiarów długości kroku17. Biorąc pod uwagę zaobserwowane niewielkie różnice oraz zgodność z innymi systemami, stwierdzamy, że PrAnCER jest wiarygodnym narzędziem do pomiaru parametrów chodu.
Ważne jest, aby zaznaczyć, że wszystkie analizy dokładności przeprowadzono po manualnej korekcie wyników automatycznych za pomocą interfejsu graficznego (GUI) programu PrAnCER. Podobnie jak w istniejących systemach komercyjnych, krok ten jest niezbędny zarówno do poprawiania błędów w punktacji, jak i do eliminowania serii, które nie spełniają kryteriów22. PrAnCER został skonfigurowany tak, aby dopuszczać więcej wyników fałszywie dodatnich, ponieważ są one łatwiejsze do skorygowania post hoc. Podczas manualnej korekty ponad 50 filmów nigdy nie zaobserwowano, aby PrAnCER nie wykrył rzeczywistego odcisku stopy. Odnotowano jednak inne rodzaje błędów. Dzieliły się one na 3 kategorie: fałszywe wykrycia (wykrycie obiektu niebędącego odciskiem jako odcisku), błędne klasyfikacje (przypisanie odcisku do niewłaściwej kończyny przedniej/tylnej lub lewej/prawej) oraz błędne połączenia (nieprawidłowe scalenie dwóch odcisków). Błędy te są łatwo korygowane w dołączonym GUI i zazwyczaj występują w niewielkim odsetku filmów nagranych w normalnych warunkach. Nawet przy zastosowaniu takich korekt, PrAnCER znacznie zmniejsza nakład pracy ręcznej związanej z analizą chodu. Szacujemy, że w przypadku każdego filmu uruchomienie programu PrAnCER i korekta ewentualnych błędów zajmuje około 3 min, podczas gdy manualne punktowanie i analiza tego samego filmu trwałyby prawie 10 min.

Rysunek 1. Porównanie metod analizy chodu. (A) Tradycyjna metoda z użyciem tuszu i papieru pozwala na uzyskanie niedokładnych odciśnięć kształtu i położenia łap. (B) Nagranie wideo z przezroczystą podłogą zapewnia szczegółowy widok odcisków łap, lecz zawiera wiele wyróżniających się cech ciała szczura, co komplikuje automatyczną ocenę. (C) Umieszczenie lekkiego papieru nad przezrozystą podstawą powoduje powstawanie szumów w obrazie i utratę szczegółów. (D) Zastosowanie pergaminu do stworzenia półprzezroczystego podłoża pozwala na uzyskanie bardzo szczegółowych odbitek przy jednoczesnym wizualnym wyeliminowaniu ciała. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2. Schematyczny rysunek urządzenia do analizy chodu oraz rejestracji wideo. (A) Szczur przechodzi przez przejrzysty korytarz z półprzezroczystą podłogą do klatki docelowej, będąc w tym czasie rejestrowanym z poziomu dołu. W tym przypadku podłogę przezroczystą pokryto welinem, aby uczynić ją półprzezroczystą. Korytarz jest oświetlony taśmami LED umieszczonymi wzdłuż jego długości na poziomie między stopami a ciałem zwierzęcia. (B) Zrzut ekranu z nagrania wideo demonstrujący działanie półprzezroczystej podłogi. Wyraźnie widoczne są dwie łapy, natomiast ciało szczura jest w zasadzie niewidoczne. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 3. Proces detekcji jednej klatki odcisku łapy. (A) Oryginalny obraz zostaje poddany odszumianiu, a następnie odejmowaniu tła (B). (C) Zastosowano algorytm wykrywania krawędzi, a wyniki przekształcono w serię współrzędnych X, Y nazywanych konturami (D). (E) Kontury są grupowane według bliskości, a następnie wyznacza się otoczkę wypukłą (ramkę ograniczającą) grupy, aby uzyskać pojedynczy kontur obejmujący wydruk. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rycina 4. Konwersja poszczególnych detekcji w sklasyfikowany odcisk. (A) W pierwszej kolejności odciski łap są identyfikowane w zestawie klatek. (B) Poszczególnym wykrytym obiektom przypisuje się numer identyfikujący je jako odcisk, reprezentujący pojedyncze postawienie jednej łapy (C). (D) Na koniec są one klasyfikowane jako lewe lub prawe na podstawie ich położenia względem linii środkowej ścieżki zwierzęcia oraz jako przednie lub tylne na podstawie ich położenia względem poprzednich odcisków łap. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 5. Ilustracja analizowanych parametrów chodu. (A) Przykład wyniku przedstawiający identyfikację i lokalizację odcisków łap. Pierwotnie wykryte krawędzie zaznaczono kolorem czarnym. Końcowe wykryte łapy oraz przybliżony obszar zaznaczono kolorami wskazującymi klasyfikację łap. Na tej ilustracji kolor żółty oznacza przednią lewą, zielony: tylną lewą, cyjanowy: przednią prawą, a magenta: tylną prawą. Kolory te można jednak zmienić w skrypcie Python zgodnie z preferencjami użytkownika. (B) Wykres ilustrujący dwa główne parametry czasowe: czas kontaktu każdej łapy z podłożem (faza podparcia) oraz czas przebywania w powietrzu (faza przeniesienia). Kolorowe bloki oznaczają fazę podparcia, a białe przestrzenie oznaczają fazę przeniesienia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 6. Wpływ haloperidolu na chód. (A) Wyniki eksperymentu 1: wysoka dawka haloperidolu (HalH) istotnie zwiększoną długość kroku oraz maksymalną powierzchnię kontaktu w porównaniu z grupą kontrolną otrzymującą sól fizjologiczną (Sal). (B) Eksperyment 2 przyniósł bardziej typowe objawy parkinsonowskie; mała dawka haloperidolu (HalL) znacząco zwiększono czas trwania fazy podparcia oraz maksymalną powierzchnię kontaktu. (C) Porównując warunki z zastosowaniem haloperidolu w obu eksperymentach, stwierdzono, że wysoka dawka haloperidolu zwiększyła powierzchnię podparcia, maksymalną powierzchnię kontaktu oraz odległość między kończynami w porównaniu z warunkiem niskiej dawki. Dane przedstawiono jako średnie ± SEM, n = 8. Różnice w teście t dla par próbek były następujące: # p < 0,05, ## p < 0.01. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 7. Dokładność analizy automatycznej. (A) System zautomatyzowany znacząco różni się od oceny manualnej podczas pomiaru BOS, choć może to wynikać z różnic w manualnym wyborze centroidów, a nie z błędów detekcji. (B) System zautomatyzowany nie wykazuje istotnych różnic w porównaniu z oceną manualną w zakresie długości kroku. Wyniki dokładności są zgodne z wynikami uzyskanymi przy użyciu innych dostępnych systemów. Dane przedstawiono jako średnie ± SEM, n = 21. Różnice w teście t dla próbek sparowanych były następujące: # p < 0.05. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 8. Porównanie parametrów czasowych. Temporalne wzorce chodu u zwierzęcia traktowanego solą fizjologiczną (A) oraz niska dawka haloperydolu (B). (C) Ilustracja reakcji ucieczkowej z usztywnieniem mięśni u szczura po podaniu wysokiej dawki haloperidolu. Tak jak w Rycina 5kolorowe bloki wskazują momenty, w których łapa była w kontakcie z podłożem (faza podparcia), a białe przestrzenie wskazują momenty, w których łapa znajdowała się w powietrzu (faza przeniesienia). Skróty: FL, przód lewo; HL, lewa tylna; FR, przód prawa strona; HR, prawa tylna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Doświadczenie 1 | Doświadczenie 2 |
| Test 1 | Test 2 | Test 3 | Test 4 | Test 5 | Test 6 | Test 7 | Test 8 |
| Grupa A | HalH | Sal | HalH | Sal | Sal | HalL | Sal | HalL |
| Grupa B | Sal | HalH | Sal | HalH | HalL | Sal | HalL | Sal |
Tabela 1. Plan eksperymentalny. Tabela ta przedstawia plan eksperymentalny zastosowany w niniejszym badaniu. Zastosowano schemat wewnątrzgrupowy, w którym każda szczur była badana w warunkach podania wysokiej dawki haloperidolu (HalH), niskiej dawki haloperidolu (HalL) oraz soli fizjologicznej (Sal). Szczury podzielono na dwie grupy; badania zrównoważono pod kątem pory dnia oraz kolejności warunków.
| Parametr | Definicja |
| Długość kroku | Odległość między kolejnymi kontaktami tej samej łapy |
| Długość kroku | Odległość między kolejnymi kontaktami przeciwstawnych przednich lub tylnych łap wzdłuż osi kierunku ruchu |
| Podstawa podparcia (BOS) | Odległość między kolejnymi przeciwstawnymi przednimi lub tylnymi łapami prostopadła do osi kierunku ruchu |
| Maksymalna powierzchnia styku | Maksymalna wykryta powierzchnia odcisku tylnej łapy |
| Odległość między kończynami | Odległość między ipsylateralną przednią a tylną łapą |
| Czas trwania fazy podparcia | Czas kontaktu łapy z podłożem |
| Czas trwania ruchu wahadłowego | Czas, w którym łapa nie stykała się z podłożem |
| Stosunek szerokości stania do rozgnięcia (SSR) | Czas trwania fazy podporowej/czas trwania fazy przenoszenia |
| Prędkość dyskretna | Długość kroku/(czas trwania fazy podparcia + czas trwania fazy przenoszenia) dla łapy |
| Prędkość średnia | Średnia z prędkości dyskretnych w okresie wykorzystanym w analizie |
| Zmienność prędkości | Procentowa zmiana dyskretnych prędkości podczas biegu |
| Prędkość przebiegu | Czas przejścia przez tunel/długość tunelu |
Tabela 2. Opis parametrów chodu.Tabela ta opisuje najczęściej stosowane parametry chodu; te wykorzystane w niniejszym badaniu zaznaczono pogrubieniem.