Kompleksowe zrozumienie zmian chodu wywołanych bezczynnością u gryzoni
6 lipca 2022
Obecny protokół opisuje trójwymiarowe śledzenie/ocenę ruchu, aby zobrazować zmianę ruchu szczurów po ekspozycji na symulowane środowisko nieużywania.
Nasz protokół zapewnia kompleksową procedurę określania parametrów do analizy ruchu wspólnego. Analizy ruchu stawów są często skomplikowane ze względu na brak kompleksowego zdefiniowania parametrów. Pokazujemy standardowe schematy definicji parametrów, które mają uniwersalne zastosowanie w powiązanych dziedzinach.
Aby rozpocząć, otwórz aplikację MotionRecorder. Umieść szczura na pasie bieżni. Zwiększ prędkość taśmy do 20 centymetrów na sekundę.
Gdy szczur zacznie chodzić normalnie z żądaną prędkością, kliknij ikonę nagrywania, aby rozpocząć przechwytywanie wideo. Po uzyskaniu od 5 do 10 kolejnych kroków zatrzymaj przechwytywanie, klikając ikonę Rekord. Otwórz aplikację 3DCalculator i plik wideo, który chcesz przeanalizować.
Przytnij wideo, dostosowując poziomy suwak u góry, aby zawierał wystarczającą liczbę kolejnych kroków. Aby przechwycić znaczniki, przeciągnij legendy znaczników na modelu obrazu przyklejenia do odpowiedniego znacznika na przechwyconym filmie i zwolnij przycisk. Kliknij ikonę automatycznego śledzenia.
Jeśli system nie śledzi dokładnie znaczników lub proces śledzenia zatrzymuje się z powodu utraty znacznika, przełącz się na tryb ręczny, klikając ikonę Ręcznie. Kliknij brakującą legendę znacznika na obrazie drążka i odpowiadający mu znacznik na filmie. Otwórz aplikację KineAnalyzer i załaduj plik.
Przejdź do Widok i kliknij menu Edytuj Mistrz Znacznika. Otworzy się okno edycji Marker master. Kliknij żądaną etykietę lub punkt orientacyjny na znaczniku"kartę, a następnie kliknij żądany kolor.
Ten proces przypisuje każdy znacznik do określonego punktu orientacyjnego. Następnie na link"zakładkę, utwórz linie, które odpowiadają każdej kończynie, klikając kolejno dwa znaczniki. Przypisz kolory do utworzonych linii, wybierając żądany kolor z kolumny Kolor.
Zdefiniuj kąty na karcie kąt. Po nazwaniu kąta przypisz wektor A jako linię odniesienia, a wektor B jako linię ruchomą, klikając znaczniki odpowiadające każdemu punktowi orientacyjnemu. Następnie zdefiniuj kierunek kąta za pomocą wartości w sekcji operacjonalnej" w tej samej karcie.
Następnie na karcie "odległość" zdefiniuj parametr odległości. Wybierz dwa odpowiednie znaczniki w sekcji Ustawienie odległości. Sześć zwierząt zostało losowo przydzielonych albo do grupy rozładunkowej, w której tylne kończyny zwierzęcia były rozładowywane za ogon przez dwa tygodnie, albo do grupy kontrolnej, w której zwierzęta pozostawiono wolne.
Znormalizowane trajektorie stawów kolana i kostki podczas fazy podporu wykazały, że grupa nieobciążona wykazywała dalsze wyprosty w kolanie i kostce niż grupa kontrolna. Dwa tygodnie po rozładunku pomiary ilościowe, takie jak kąt kolana w środkowej części postawy i kąt kostki w grupie nieobciążonej, były znacznie większe niż w grupie kontrolnej. Odległość śródstopia od biodra, która jest praktycznie równa wysokości stawu biodrowego w połowie postawy, była również znacznie wyższa w grupie nieobciążonej.
Metoda ta dała naukowcom podstawy określania parametrów ruchu stawów. W ten sposób mogą oni ustalić konkretne ramy, aby odpowiedzieć na własne pytania badawcze.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie opisuje protokół trójwymiarowego śledzenia ruchu w celu analizy zmian w chodu szczurów po symulowanym środowisku nieużywania. Protokół ten umożliwia kompleksową analizę ruchu stawów, dostarczając jasnych definicji parametrów, które można zastosować w różnych dziedzinach badawczych. W szczególności badano wpływ odciążenia kończyn tylnych na ruchy kolan i kostek podczas lokomocji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Analiza behawioralna
- Biomechanika
Wstęp
- Analiza ruchu stawów jest często utrudniona przez niedookreślone parametry.
- Zrozumienie dysfunkcji chodu po odciążeniu może wyjaśnić skutki nieużywania narządu.
- Wykorzystuje kontrolowane środowisko do symulacji efektów nieużywania w lokomocji szczurów.
- Wykorzystuje zaawansowane oprogramowanie do analizy ruchu w celu przeprowadzenia precyzyjnych ocen.
Cel badania
- Opracowanie protokołu śledzenia ruchu stawów w przestrzeni trójwymiarowej.
- Ocena wpływu odciążenia kończyn tylnych na mechanikę chodu.
- Zapewnienie znormalizowanych definicji parametrów w celu zapewnienia szerokiej aplikowalności.
Zastosowane metody
- Główna platforma wykorzystywana do śledzenia ruchu obejmuje zestaw z bieżnią sprzężoną z aplikacją MotionRecorder.
- Model biologiczny składa się ze szczurów poddanych odciążeniu kończyn tylnych przez dwa tygodnie, w porównaniu z grupą kontrolną.
- Nie wspomniano o żadnych przepływach pracy multiomicznych; nacisk położono na analizę biomechaniczną.
- Kluczowe etapy obejmują rejestrację wideo lokomocji, śledzenie markerów oraz analizę danych za pomocą programu KineAnalyzer.
- Normalizacja trajektorii stawów pozwala uzyskać wgląd w wpływ odciążenia na kąty stawowe.
Główne wyniki
- Wyniki wskazują, że grupa nieobciążona wykazywała większą rozciągliwość kątów w stawie kolanowym i skokowym podczas fazy podporu.
- Pomiary ilościowe wykazały istotne zwiększenie kątów w stawie kolanowym i skokowym w porównaniu z grupą kontrolną.
- Odległość między śródstopiem a biodrem uległa istotnemu zwiększeniu w grupie nieobciążonej, co wskazuje na zmienioną biomechanikę wynikającą z nieużywania.
- Metoda ta umożliwia precyzyjne określenie parametrów ruchu stawów na potrzeby pokrewnych pytań badawczych.
Wnioski
- Niniejsze badanie przedstawia solidną metodę ilościowej analizy ruchu stawów w odpowiedzi na warunki nieużywania.
- Wyniki mają znaczenie dla zrozumienia adaptacji biomechanicznych i deficytów występujących po unieruchomieniu.
- Metoda ta stanowi podstawę do dalszych badań nad zmianami w chodu oraz strategiami rehabilitacyjnymi.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa trójwymiarowa analiza chodu w modelach gryzoni umożliwia obiektywną ocenę zmian nerwowo-mięśniowych i biomechanicznych wywołanych brakiem aktywności, wspierając wczesne odkrycia oraz badania translacyjne. Podejście to dostarcza ustandaryzowanych, powtarzalnych parametrów ruchu stawów, które są kluczowe dla merytorycznej redukcji ryzyka i zwiększenia pewności prognostycznej przy wyborze modeli przedklinicznych. Metoda ta usprawnia proces podejmowania decyzji w zakresie portfela badań poprzez wyjaśnienie wpływu nieużywania na funkcje lokomocyjne oraz wspieranie dostosowanego do ryzyka rozwoju hipotez terapeutycznych ukierunkowanych na schorzenia nerwowo-mięśniowe.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia ilościową analizę funkcji nerwowo-mięśniowej po nieużywaniu w modelach gryzoni istotnych dla badanych chorób.
- Wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka, dostarczając obiektywnych parametrów ruchu stawów w celu walidacji celu terapeutycznego.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej w powiązaniu celów neurologicznych lub mięśniowo-szkieletowych z efektami funkcjonalnymi.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Ustanawia zwalidowane, powtarzalne parametry chodu do późniejszego przesiewowego badania potencjalnych interwencji.
- Standaryzuje wyniki analizy ruchu, wspierając opracowywanie testów oraz porównywalność między badaniami.
- Umożliwia wyodrębnienie wielu parametrów ilościowych z jednego zestawu danych, zwiększając wszechstronność analizy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Koreluje przedkliniczne wskaźniki chodu z translacyjnymi punktami końcowymi istotnymi dla badań nad układem nerwowym, mięśniami oraz rehabilitacją.
- Wspiera ciągłość procesu od wczesnych odkryć po walidację przedkliniczną, umożliwiając uzyskanie obiektywnych, ilościowych wyników.
- Stanowi podstawę do podejmowania decyzji o dalszym rozwoju projektu w oparciu o analizę ryzyka i zgodność z funkcjonalnymi biomarkerami.
Integracja procesów i przepływu pracy
Ta metoda analizy ruchu 3D integruje się z kontinuum od etapu odkryć do badań przedklinicznych, umożliwiając weryfikację hipotez, standaryzację testów oraz dopasowanie translacyjnych punktów końcowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zmian nerwowo-mięśniowych wywołanych brakiem aktywności oraz wyjaśnianie szlaków sygnałowych.
- Przesiewy: Dostarcza powtarzalne, ilościowe parametry chodu do oceny związków chemicznych lub interwencji.
- Analityka: Umożliwia pomiary kątów w stawach i odległości w celu przeprowadzenia rzetelnego porównania statystycznego między grupami eksperymentalnymi.
- Badania translacyjne: Łączy wyniki przedkliniczne z klinicznymi punktami końcowymi oceny chodu w badaniach nad układem nerwowo-mięśniowym.
- Zastosowania korporacyjne: Oferuje powtarzalny, standaryzowany schemat postępowania dla różnorodnych badań chodu gryzoni w różnych obszarach terapeutycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów neuromięśniowych.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność procesów analizy chodu.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez dostarczenie obiektywnych odczytów funkcjonalnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację programów terapeutycznych skierowanych przeciwko dysfunkcjom wynikającym z nieużywania mięśni lub zaburzeniom neuromięśniowym, z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w zakresie przechwytywania ruchu (motion capture), rozmieszczenia markerów oraz obsługi oprogramowania do rekonstrukcji 3D.
- Wymaga dostępu do wielokamerowych systemów rejestracji wideo oraz specjalistycznych aplikacji analitycznych.
- Konieczna jest międzyzespołowa standaryzacja definicji parametrów oraz schematów przetwarzania danych.
- Adaptacja do innych modeli gryzoni lub kontekstów chorobowych może wymagać optymalizacji protokołu.
- W przypadku błędów w automatycznym śledzeniu markerów może być konieczna interwencja ręczna, co wpływa na przepustowość analizy.
