Analiza kinematyczna 3D do oceny funkcjonalnej w szczurzym modelu uszkodzenia nerwu kulszowego
February 12th, 2020
Wprowadzamy metodę analizy kinematycznej, która wykorzystuje trójwymiarowy aparat do przechwytywania ruchu zawierający cztery kamery i oprogramowanie do przetwarzania danych do przeprowadzania ocen funkcjonalnych podczas podstawowych badań z udziałem modeli gryzoni.
Zapewniamy precyzyjną i DiCharacter metodę oceny funkcjonalnej zwierząt laboratoryjnych. Jest ona wrażliwa i wiarygodna oraz pozbawiona wad przypisywanych innym metodom oceny funkcjonalnej. Na przykład wskaźnik czynnościowy rwy kulszowej.
Aby rozpocząć, ustaw dwa przezroczyste plastikowe arkusze po obu stronach bieżni, aby 12-tygodniowy samiec szczura LEWIS mógł chodzić prosto do przodu, a następnie włącz siatkę do porażenia prądem. Niech każdy szczur chodzi po bieżni. Stopniowo przyspieszaj bieżnię do pożądanej prędkości 20 centymetrów na sekundę i pozwól szczurowi normalnie chodzić z tą prędkością przez pięć minut.
Po każdej sesji marszu zapewnij sobie od jednej do dwóch minut przerwy na odpoczynek. Powtarzaj ten proces trzy razy dziennie, pięć dni w tygodniu przez tydzień. Podczas gdy szczur otrzymuje stabilne znieczulenie przez maskę znieczulającą, ogol obszar od dolnej części pleców do obustronnych kostki za pomocą golarki elektrycznej.
Ułóż szczura w pozycji leżącej. Użyj czarnego markera, aby zaznaczyć punkty orientacyjne kości na ogolonej skórze, linię przechodzącą przez wyrostki kolczyste od kręgów lędźwiowych do krzyżowych. Dodatkowo użyj czarnego markera, aby zaznaczyć kolce biodrowe przednie/górne, krętarze większe, stawy kolanowe, kostki boczne, stawy paliczkowe piątej kości śródstopia i czubek czwartego palca.
Następnie użyj płynnego kleju, aby przymocować półkuliste markery do tych punktów orientacyjnych kości, z wyjątkiem linii przechodzącej przez wyrostki kolczyste od kręgów lędźwiowych do krzyżowych i czubka czwartego palca. Po umieszczeniu wszystkich znaczników włóż szczura z powrotem do klatki. Nie kładź szczura na bieżni, dopóki w pełni nie wyzdrowieje ze znieczulenia.
Ustaw dwa przezroczyste plastikowe arkusze po obu stronach bieżni i umieść pudełko kalibracyjne na środku bieżni. Otwórz oprogramowanie do nagrywania, a następnie kliknij ikonę obrazu kalibracji na wyświetlaczu. Kliknij ikonę nagrywania, aby nagrać od jednej do dwóch sekund wideo z czterech kierunków za pomocą kamer CCD 120 Hz.
Kliknij ponownie ikonę nagrywania, aby zatrzymać nagrywanie. Otwórz pliki wideo w oprogramowaniu obliczeniowym. Kliknij i przeciągnij charakterystyczne punkty modeli 3D pola kalibracji w prawym dolnym rogu ekranu do odpowiednich znaczników na czterech obrazach, które są automatycznie przekształcane z wideo we wzorzec kalibracji.
Następnie kliknij ikonę zapisywania. Teraz wyjmij pudełko kalibracyjne z bieżni, włącz siatkę porażenia prądem i umieść w pełni przytomnego szczura na bieżni. Otwórz oprogramowanie rejestrujące i wprowadź podstawowe informacje o szczurze, w tym jego numer seryjny, prędkość chodzenia i nazwisko głównego operatora.
Włącz bieżnię i ustaw prędkość na 20 centymetrów na sekundę. Po tym, jak szczur dostosuje się do prędkości i będzie w stanie normalnie chodzić, kliknij ikonę nagrywania na wyświetlaczu, aby nagrać chodzącego szczura za pomocą czterech kamer. Po nagraniu ponad 10 kroków ponownie kliknij ikonę, aby zatrzymać nagrywanie i wyłączyć bieżnię.
Włóż szczura z powrotem do komory indukcyjnej znieczulenia w celu znieczulenia. Podczas gdy szczur jest pod ciągłym znieczuleniem za pomocą maski znieczulającej, usuń markery półkulowe. Otwórz oprogramowanie obliczeniowe i otwórz plik wideo w interfejsie.
Kliknij i przeciągnij obustronny pasek kontrolny na pasku postępu filmu, aby upewnić się, że wyświetlany jest tylko 10-krokowy zapis chodu na bieżni. Kliknij i przeciągnij każdy charakterystyczny punkt z modelu 3D w prawym dolnym rogu ekranu do odpowiedniego znacznika na każdym z czterech początkowych zdjęć filmów, które zostały nagrane przez kamery. Następnie kliknij ikonę automatycznego śledzenia, aby rozpocząć proces automatycznego śledzenia znaczników.
Jeśli system nie śledzi dokładnie znacznika, kliknij ikonę ręcznej digitalizacji, aby przejść do trybu ręcznego śledzenia, kliknij punkt charakterystyczny śledzenia w modelu 3D, a następnie odpowiadający znacznik na obrazie. Po kliknięciu znacznika upewnij się, że obraz przełączy się do następnej klatki wideo. Teraz w sposób ciągły klikaj znacznik, aż proces śledzenia znacznika zostanie zakończony.
Po zakończeniu kliknij ikonę zapisywania. Otwórz oprogramowanie analityczne, a następnie otwórz przetworzony plik wideo w interfejsie. Kliknij ikonę ustawienia, a następnie wybierz i dodaj wyznaczone parametry, takie jak kąt kostki, kąt palców i przesunięcie miednicy do listy wyświetlania w wyskakującym okienku po prawej stronie.
Kliknij OK, aby w interfejsie pojawiły się krzywe reprezentujące zmiany wartości parametrów. Kliknij ikonę pomiaru i wybierz płynne przetwarzanie z menu rozwijanego. Wprowadź 20 herców w wyskakującym okienku, aby usunąć częstotliwości większe niż 20 Hz w krzywych.
Za pomocą analizy kinematycznej 3D automatycznie obliczono średni stosunek fazy podparcia lub wychylenia w cyklu 10-krokowym i przedstawiono go na interfejsie. Pokazano tutaj każdą obustronną fazę postawy i wymachu w 10-etapowych okresach cyklu dla grupy kontrolnej, tydzień po operacji, trzy tygodnie po operacji i sześć tygodni po operacji. Normalny kształt trajektorii środka ciężkości przypomina znak nieskończoności.
Kształt trajektorii środka ciężkości nie powrócił do normalnego kształtu aż do sześciu tygodni po operacji. Średnia wartość kąta kostki lub palca w fazie zejścia z palcami sugerowała, że po operacji poprawiły się one w kierunku górnym. Najważniejsze jest jak najdokładniejsze i jak najdokładniejsze zlokalizowanie punktów orientacyjnych kości na ogolonej skórze.
Można przeprowadzić analizę nerwu kulszowego, która ujawni związek między zmianami funkcjonalnymi i histologicznymi.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie wprowadza metodę analizy kinematycznej z wykorzystaniem systemu 3D do rejestracji ruchu z czterema kamerami w celu oceny lokomocji gryzoni. Podejście ma na celu zapewnienie wiarygodnych ocen funkcjonalnych, które poprawiają istniejące metody.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Lokomocja zwierząt
- Kinematyka
Tło
- Oceny funkcjonalne zwierząt laboratoryjnych mogą być wyzwaniem.
- Obecne metody mogą mieć różne niedociągnięcia.
- Potrzeba bardziej wrażliwej i wiarygodnej detekcji w badaniach.
- Modele gryzoni są często używane w takich ocenach funkcjonalnych.
Cel badania
- Opracowanie nowej metody oceny lokomocji zwierząt laboratoryjnych.
- Zwiększenie wrażliwości i wiarygodności w rejestracji danych funkcjonalnych.
- Rozwiązanie ograniczeń istniejących technik oceny.
Stosowane metody
- Wykorzystanie urządzenia do rejestracji 3D ruchu i oprogramowania do przetwarzania danych.
- Zastosowanie 12-tygodkowych samców szczurów LEWIS w protokole oceny.
- Krok po kroku analizy kinematycznej chodu szczurów, z jasnymi instrukcjami ustawienia i wykonania.
- Metody rejestracji i analizy, które uwzględniają wiele perspektyw wideo i kalibracje.
Główne wyniki
- Metoda pozwala na precyzyjne śledzenie i analizę faz lokomocji.
- Zauważalne zmiany w kątach kostki i palców stóp w czasie po operacji.
- Dane wspierają wnioski dotyczące funkcjonalnego powrotu po interwencji.
- Ścieżka środka ciężkości wykazywała oznaki normalizacji dopiero po sześciu tygodniach.
Wnioski
- To badanie pokazuje skuteczną metodę do szczegółowej analizy kinematycznej lokomocji gryzoni.
- Ulepszenia wiarygodności metodologicznej mogą znacząco poprawić ocenę funkcjonalną w badaniach.
- Wyniki mogą poszerzyć zrozumienie mechanizmów odzyskiwania lokomocji w modelach zwierzęcych.
Często zadawane pytania
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.
