Analiza chodu zależnych od wieku zaburzeń motorycznych u myszy z neurodegeneracją
18 czerwca 2018
W tym badaniu demonstrujemy wykorzystanie kinematycznej analizy chodu opartej na obrazowaniu w płaszczyźnie brzusznej do monitorowania subtelnych zmian w koordynacji ruchowej, jak również postępu neurodegeneracji wraz z wiekiem w modelach mysich (np. linie myszy z mutacją endofiliny).
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w badaniach nad starzeniem się i neurodegeneracją, takie jak początek i progresja zaburzeń chodu i motoryki wraz z wiekiem, a w szczególności w mysich modelach chorób neurodegeneracyjnych. Wynik takiego stanu można przełożyć na znacznie lepsze zrozumienie zaburzeń motorycznych u pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi, na przykład chorobą Parkinsona czy ataksją. Główną zaletą korzystania z analizy chodu opartej na wideo jest to, że umożliwia ona badanie zarówno subtelnych, jak i poważnych zaburzeń motorycznych w mysich modelach neurodegeneracji.
Zacznij od określenia stanu zdrowia każdego zwierzęcia, dokładnie je badając i ważąc na wadze. Delikatnie nałóż czerwoną farbę palcami na łapy zwierzęcia za pomocą pędzla. Umieść zwierzę w zapasowej, czystej klatce, aż farba wyschnie.
Następnie ustaw prędkość bieżni w prawym górnym panelu urządzenia. Następnie umieść zwierzę w komorze testowej i przykryj je ciemną szmatką, aby każde zwierzę mogło się przystosować przez jedną do dwóch minut. Włącz światło w komorze testowej, przekręcając przełącznik obrotowy światła bieżni do pozycji włączonej.
Uchyl nieco pokrywę, aby móc obserwować zwierzę podczas wykonywania zadania. Uruchom bieżnię na około pół sekundy, aby ostrzec zwierzę, że zadanie ma się rozpocząć. Przekręć przełącznik obrotowy bieżni do przodu, aby uruchomić bieżnię.
Następnie kliknij przycisk Nagraj w oprogramowaniu imagera. Gdy zwierzę biegnie w stabilny sposób, nagrywaj przez co najmniej pięć sekund przed zatrzymaniem bieżni. Zatrzymaj nagrywanie, klikając Stop w oprogramowaniu imagera i przekręć przełącznik obrotowy bieżni z powrotem do pozycji wyłączonej.
Następnie kliknij przycisk Edytuj w oprogramowaniu imagera, aby otworzyć menu, w którym można ustawić punkt początkowy i końcowy sekcji wideo. Poruszaj się po filmie za pomocą suwaka u dołu ekranu. Aby wybrać bieżący punkt czasu jako punkt początkowy lub końcowy, kliknij odpowiednio Od numeru klatki i Do.
Upewnij się, że sekcja zawiera co najmniej siedem kroków na łapę lub łącznie czternaście kroków, w których zwierzę biegnie stabilnie ze stałą prędkością. Na koniec wprowadź dane identyfikacyjne zwierzęcia, datę urodzenia, wagę i płeć. Zapisz dane w wybranej lokalizacji na komputerze lub serwerze.
Zasada analizy chodu opartej na wideo polega na pomiarze powierzchni stykającej się z powierzchnią w czasie dla każdej pojedynczej łapy. Z nagranych filmów można wyodrębnić wiele parametrów dynamiki chodu i postawy, na przykład czas wymachu, czas i szerokość postawy, długość kroku i częstotliwość. Inne cechy chodu, takie jak współczynnik ataksji lub zmienność kąta kroku, można następnie obliczyć na podstawie pomiarów podstawowych.
Rozpocznij analizę wideo, uruchamiając oprogramowanie do analizy i klikając Wybierz folder badania, aby wybrać folder z nagranymi filmami. Wybierz jeden film i kliknij przycisk Przejdź.Użyj funkcji ponownego rysowania, aby wybrać obszar, w którym działa mysz. Uwaga, ta sekcja powinna zawierać tylko mysz i białe tło.
Następnie wprowadź wartości w polach długości i szerokości, aby zmienić maskę, która wyklucza czerwony obszar wokół pyska zwierzęcia do analizy. Dostosuj suwaki, filtruj szumy i filtruj futro i ciemne plamy, aby zoptymalizować czarno-biały odcisk łapy. Ustaw suwak szumu filtru na 800 do 950 dla zwierząt czarnych i na 700 do 800 dla zwierząt brązowych lub białych, w zależności od dokładnego koloru futra zwierzęcia, a następnie wybierz opcję W porządku.
Następnie wybierz film, który przeszedł pierwszą korektę i wybierz funkcję Go, aby rozpocząć analizę wideo. Następnie wybierz analizowane wideo i kliknij przycisk Go.Zauważ, że obszar odcisku łapy stykający się z paskiem w czasie dla każdej oddzielnej łapy może być teraz widoczny. Aby porównać oryginalny film i obliczony odcisk łapy dla wybranego obszaru, wybierz funkcję Odtwórz wideo.
Aby poprawić drobne błędy, użyj opcji Popraw, Połącz lub Usuń. Użyj opcji Popraw, aby usunąć nieprawidłowy sygnał. Kliknij raz, aby powiększyć odpowiedni obszar i zaznacz lewą krawędź obiektu do usunięcia drugim kliknięciem, a prawą krawędź trzecim kliknięciem.
Użyj opcji Połącz, aby połączyć dwa sygnały. Kliknij raz, aby powiększyć odpowiedni obszar i kliknij dwukrotnie w środku dwóch obiektów, które chcesz połączyć. Użyj opcji Usuń, aby całkowicie usunąć punkty czasowe z analizy.
Kliknij raz, aby powiększyć odpowiedni obszar i zaznacz lewą granicę obszaru do usunięcia drugim kliknięciem, a prawą krawędź trzecim kliknięciem. Następnie wybierz Następna kończyna, aby przejść przez cztery kończyny. Uwaga, po kliknięciu Next Limb po ostatniej łapie, oprogramowanie kończy analizę i wyświetla wyniki dla zwierzęcia na czterech ekranach.
Na koniec, po przeanalizowaniu wszystkich filmów z jednego eksperymentu, zaznacz wszystkie filmy i kliknij Zmień wyniki, aby wyeksportować wyniki. W wyeksportowanym pliku obliczanych i wymienianych jest około 50 parametrów chodu. Posortuj wynik według grupy, wieku i prędkości biegu i analizuj wszystkie te warunki niezależnie.
W analizie chodu u myszy typu dzikiego z zaawansowanym wiekiem wyniki wykazały, że postawa ze znormalizowaną szerokością zwierzęcia nie zmienia się wraz z wiekiem. Jednak podwójne podparcie kończyn tylnych i obciążenie kończyn wzrasta wraz z wiekiem u zwierząt typu dzikiego. Co więcej, podczas gdy wszystkie badane zwierzęta mogą biegać z prędkością 30 metrów na sekundę w ciągu jednego miesiąca, mutanty endofiliny rozwijają deficyty biegowe wraz z wiekiem.
Dodatkowo rytm chodu jest upośledzony u mutantów endofilinowych. Na przykład czas napędzania mutantów endofiliny skraca się wraz z wiekiem myszy. Próbując wykonać procedurę, należy pamiętać, że najważniejszym krokiem jest nagranie oryginalnego filmu.
Cała dalsza analiza zależy od dobrej jakości filmów. Analiza chodu jest przydatną metodą kategoryzacji chodu i zachowań motorycznych w mysich modelach neurodegeneracji. Jednak niektóre aspekty zachowań motorycznych, na przykład siła mięśni, nie są odpowiednio oceniane tą metodą.
Ale dlatego polecenie uzupełnia analizę chodu opartą na wideo z baterią innych testów zachowań motorycznych, takich jak siła chwytu i chodzenie na belce. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przeprowadzać analizę chodu w modelach mysich, u których wraz z wiekiem rozwija się upośledzenie motoryczne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie demonstruje zastosowanie kinematycznej analizy chodu opartej na obrazowaniu w płaszczyźnie brzusznej do monitorowania subtelnych zmian w koordynacji ruchowej oraz postępu neurodegeneracji w modelach mysich. Metoda ta pomaga w zrozumieniu zaburzeń motorycznych w chorobach neurodegeneracyjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Neurodegeneracja
- Koordynacja ruchowa
Wstęp
- Analiza chodu jest kluczowa dla badania nieprawidłowości motorycznych.
- Modele mysie są powszechnie wykorzystywane w badaniach nad chorobami neurodegeneracyjnymi.
- Zrozumienie zaburzeń motorycznych może pomóc w opracowaniu strategii terapeutycznych.
- Analiza oparta na wideo pozwala na szczególną obserwację funkcji motorycznych.
Cel badania
- Monitorowanie zmian w koordynacji ruchowej wraz z wiekiem.
- Ocena postępu neurodegeneracji w modelach mysich.
- Poprawa zrozumienia zaburzeń ruchowych w chorobach takich jak choroba Parkinsona.
Zastosowane metody
- Kinematyczna analiza chodu z wykorzystaniem obrazowania w płaszczyźnie brzusznej.
- Ocena stanu zdrowia poprzez dokładne badanie i ważenie.
- Nakładanie farby na łapy zwierząt w celu śledzenia ruchu.
- Wykorzystanie analizy wideo do obserwacji zaburzeń motorycznych.
Główne wyniki
- Identyfikacja subtelnych i ciężkich zaburzeń motorycznych.
- Korelacja między wiekiem a zmianami w koordynacji ruchowej.
- Wgląd w początki nieprawidłowości chodu w procesach neurodegeneracyjnych.
- Potencjalne zastosowania w rozumieniu zaburzeń motorycznych u pacjentów.
Wnioski
- Kinematyczna analiza chodu jest skuteczną metodą monitorowania neurodegeneracji.
- Wyniki mogą pogłębić zrozumienie dysfunkcji motorycznych w przebiegu chorób.
- Metoda ta może przyczynić się do opracowania lepszych strategii terapeutycznych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Kinematyczna analiza chodu z wykorzystaniem obrazowania w płaszczyźnie brzusznej umożliwia ilościową ocenę zależnych od wieku zaburzeń motorycznych w neurodegeneracyjnych modelach mysich, co bezpośrednio wspiera przełożenie wyników na fenotypy chorób u ludzi. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną modeli przedklinicznych poprzez wychwytywanie subtelnych i postępujących deficytów motorycznych istotnych w przypadku choroby Parkinsona, ALS oraz schorzeń pokrewnych. Integracja rzetelnych parametrów chodu z wczesnymi etapami odkrywania leków oraz procesami przedklinicznymi pozwala na podejmowanie decyzji portfelowych skorygowanych o ryzyko oraz mechanistyczną redukcję ryzyka w programach badawczych nad neurodegeneracją.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Ilościowe wskaźniki chodu pozwalają wyjaśnić wpływ funkcjonalny zaburzeń genetycznych lub farmakologicznych w modelach istotnych dla przebiegu choroby.
- Podłużne monitorowanie deficytów motorycznych wspiera proces ograniczania ryzyka biologicznego i funkcjonalną walidację celu.
- Obiektywny pomiar progresji fenotypu zapewnia pewność prognostyczną w zakresie zaangażowania celu i analizy szlaków sygnałowych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Ustandaryzowane protokoły oparte na wideo ułatwiają powtarzalną ocenę fenotypów motorycznych w różnych kohortach i punktach czasowych.
- Zautomatyzowana ekstrakcja parametrów chodu wspiera skalowalny screening potencjalnych interwencji in vivo.
- Zwalidowane punkty końcowe analizy chodu umożliwiają wiarygodne porównanie skuteczności związków w modelach chorób.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dopasowanie fenotypów chodu myszy do ludzkich zaburzeń ruchowych wzmacnia strategie opracowywania biomarkerów translacyjnych.
- Ciągłość procesu od wczesnego etapu odkryć po walidację przedkliniczną jest wspierana przez solidne, ilościowe punkty końcowe behawioralne.
- Decyzje o dalszym rozwoju projektu, skorygowane o poziom ryzyka, opierają się na obiektywnych, istotnych dla choroby odczytach funkcjonalnych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Analiza chodu oparta na obrazowaniu w płaszczyźnie brzusznej wpisuje się w kontinuum od etapu odkryć do badań przedklinicznych, dostarczając zestandaryzowanych, ilościowych punktów końcowych behawioralnych dla modeli neurodegeneracji.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących wystąpienia i progresji deficytów motorycznych u myszy modyfikowanych genetycznie.
- Przesiewy: Dostarcza powtarzalne, ilościowe parametry chodu do oceny efektów interwencji.
- Analityka: Zapewnia wieloparametryczne wyniki (np. długość kroku, czas podparcia, współczynnik ataksji) dla rzetelnego porównania statystycznego.
- Badania translacyjne: Wspiera dostosowanie wyników przedklinicznych do klinicznych fenotypów motorycznych w chorobach neurodegeneracyjnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy skalowalną, wielokrotnego użytku platformę do fenotypowania funkcjonalnego w ramach procesów badania neurodegeneracji.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad neurodegeneracją.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje fenotypowanie behawioralne i zwiększa powtarzalność badań pomiędzy różnymi ośrodkami i projektami.
- Wartość strategiczna: Wspiera decyzje typu go/no-go i optymalizuje alokację zasobów poprzez dostarczenie obiektywnych punktów końcowych istotnych dla przebiegu choroby.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów i interwencji z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o wyniki funkcjonalne.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie obsługi zwierząt, analizy behawioralnej oraz interpretacji danych wideo.
- Wymagany jest dostęp do systemów obrazowania płaszczyzny brzusznej oraz kompatybilnego oprogramowania analitycznego.
- Niezbędna jest standaryzacja protokołów i praktyk zarządzania danymi pomiędzy zespołami.
- Możliwa może być konieczność adaptacji metody dla różnych szczepów myszy lub modeli neurodegeneracyjnych.
- Metoda nie ocenia wszystkich aspektów funkcji motorycznych (np. siły mięśniowej), dlatego mogą być wymagane uzupełniające testy.
