Analiza odcisków łap w nagraniach ze wzmocnieniem kontrastowym (PrAnCER): tani, zautomatyzowany system analizy chodu o otwartym dostępie do oceny deficytów motorycznych

Prezentujemy nowy system analizy chodu, który jest przyjazną dla użytkownika, niedrogą i dokładną alternatywą dla komercyjnych systemów chodu. Zastosowanie półprzezroczystej podłogi przy odpowiednim oświetleniu tworzy odciski łap o wysokim kontraście, jednocześnie zasłaniając ciało zwierzęcia. Nasz system może być używany do oceny funkcji motorycznych w szerokim zakresie modeli urazów i chorób, takich jak uszkodzenie rdzenia kręgowego lub nerwów, choroby neurodegeneracyjne i zaburzenia nerwowo-mięśniowe.

Zarówno nasz przyrząd do chodu, jak i zautomatyzowany program PrAnCER można łatwo dostosować do różnych konfiguracji lub modeli zwierząt. Aby ustawić chodnik do analizy chodu, umieść przezroczysty chodnik z pleksiglasu na przezroczystej podłodze z pleksiglasu i przykryj podłogę kawałkiem 16-funtowego welinu kreślarskiego przyciętego na tę samą szerokość co chodnik. Następnie umieść kamerę z co najmniej 30 klatkami na sekundę bezpośrednio pod chodnikiem, aby uchwycić środek toru i zabezpiecz pasek 12-woltowych diod elektroluminescencyjnych z 18 diodami elektroluminescencyjnymi na stopę w odległości około dwóch cali od podłogi chodnika i jeden cal nad nią, aby wyeliminować tor.

Aby przyzwyczaić zwierzęta do chodnika, umieść klatkę domową dla szczurów na poziomie powierzchni na końcu chodnika chodu, aby służyła jako skrzynka na bramkę i pozwól szczurowi przejść od ręki w dół chodnika do klatki domowej. Szczury często zatrzymują się na końcu chodnika, aby się rozejrzeć, zanim zeskoczą do klatki domowej. Jeśli szczur potrzebuje więcej niż minutę, aby opuścić chodnik, zachęć zwierzę do wejścia do klatki domowej delikatnym pchnięciem.

Jeśli szczur się odwróci, użyj małego kawałka pleksi, aby zablokować początkowy koniec chodnika. Gdy szczury czują się komfortowo, przechodząc przez chodnik w stałym tempie bez zamarzania, dostosuj ustawienia w oprogramowaniu kamery internetowej, aby uzyskać jak najwyraźniejszy obraz odcisków łap i rejestruj każdy bieg osobno, oznaczając biegi odpowiednio do użytku z programem do automatycznej analizy. Po upewnieniu się, że na welinie nie ma plam ani zanieczyszczeń, rozpocznij nagrywanie na kilka sekund przed wejściem szczura na chodnik i zatrzymaj się, gdy szczur opuści chodnik i wejdzie do klatki domowej.

Ważne jest, aby upewnić się, że nagrane filmy rejestrują co najmniej cztery kolejne kroki, które następują bez przerwy lub przyspieszenia, aby dokładnie odzwierciedlić funkcje motoryczne zwierzęcia. Przetrzyj chodnik etanolem po każdym szczurze, wymieniając welin w razie potrzeby. Aby przeanalizować nagrania chodu, umieść wszystkie filmy do analizy w jednym folderze i uruchom analizę odcisku łapy nagrań ze wzmocnionym kontrastem lub skrypt PrAnCER w języku Python.

W menu podręcznym kliknij wybierz folder, aby wybrać folder z filmami i wybrać odpowiednie opcje niestandardowe dla analizy zgodnie z potrzebami. Kliknij przycisk Kontynuuj po zakończeniu. Aby zdefiniować obszar zainteresowania na obrazie chodnika, kliknij lewym przyciskiem myszy, aby zdefiniować górną krawędź, a kliknij prawym przyciskiem myszy, aby zdefiniować dolną krawędź.

Jeśli wyświetlone okno jest poprawne, naciśnij N, aby kontynuować. Program uruchomi się automatycznie. Po zakończeniu PrAnCER kliknij enter w terminalu, aby zakończyć program.

Następnie ręcznie przejrzyj obrazy wyjściowe przez PrAnCER, uruchamiając skrypt Pythona, graficzny interfejs użytkownika edytora chodu i wybierając odpowiedni plik MP4 dla każdego filmu. W razie potrzeby popraw wszelkie błędnie zidentyfikowane lub scalone wydruki. Aby wyodrębnić parametry chodu przestrzennego i czasowego, uruchom narzędzie Analizator parametrów skryptu języka Python i wybierz liczbę odcisków tylnych do analizy oraz folder filmów do przeanalizowania.

Następnie kliknij przycisk Kontynuuj, aby wyświetlić plik csv dla każdego filmu zawierający szereg typowych parametrów chodu. Chociaż nie jest identyczny z ręcznym punktacją, PrAnCER działa z dużą dokładnością i generuje wiarygodne pomiary chodu. Wyniki z grupy filmów kontrolnych są pokazane tutaj dla porównania.

Analiza długości kroku przeprowadzona metodą PrAnCER nie różniła się istotnie od punktacji manualnej, ale zaobserwowano istotną różnicę w pomiarze podstawy podparcia. Jest to prawdopodobnie spowodowane różnicami w wyborze centrowania, a nie błędami wykrywania. U zwierząt leczonych haloperidolem w dużych dawkach obserwuje się znaczny wzrost długości kroku i maksymalnej powierzchni kontaktu.

Zwierzęta, którym podawano haloperidol w małych dawkach, wykazują również znaczne wydłużenie czasu trwania postawy i maksymalnej powierzchni kontaktu. Dodatkowo istnieje znacząca różnica między warunkami wysokiej i niskiej dawki haloperidolu w podstawie podparcia, maksymalnej powierzchni kontaktu i parametrach chodu na odległość międzykończynową. Podczas gdy PrAnCER analizuje już wiele typowych parametrów chodu czasoprzestrzennego, kod może być modyfikowany w celu oceny wszelkich dodatkowych cech chodu, których pragnie użytkownik.

Mamy nadzieję, że nasz system sprawi, że analiza chodu stanie się bardziej dostępna dla badaczy, którzy chcieliby prostego i niedrogiego sposobu pomiaru funkcji motorycznych.