Name: Zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-13T14:35:00.000+00:00
Duration: 5 min 39 s
Description: Naucz się analizy zachowań motorycznych u szczurów TgF344-AD z wykorzystaniem uczenia maszynowego i śledzenia części ciała. Ta metoda pozwala wykrywać deficyty ruchowe w modelach neurodegeneracyjnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Prace te były wspierane przez Institute for Mental Health Research, Institute for Social Science Research, Arizona Department of Health Sciences [ADHS14-052688], US Department of Health and Human Services, National Institutes of Health [P30AG019610], Arizona Alzheimer's Research Center REC Fellows Program, Arizona Alzheimer's Consortium oraz Nancy Eisenberg Junior Faculty Scholar Award. Figurki tworzono przy użyciu Biorender.com. Chcielibyśmy podziękować Nelsonowi Yamadzie, Akashowi Kuppravalli i Jeanne Kamau za pomoc w projektowaniu.

Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.

Zadania sięgania u gryzoni są zazwyczaj ograniczone do pojedynczych pelletów i nie zawierają przeszkód ani cech samouszkodliwiających, co jest częstym problemem u pacjentów z patologią neurodegeneracyjną. Przedstawiona tutaj metoda, wykorzystująca zarówno przemyślane zadanie sięgania po pelety, jak i uczenie maszynowe, może wykrywać zarówno koordynację, jak i strategię poprzez analizę cech pozycji i przejść, a także ruchy pojedynczych palców. Zadanie motoryczne uzyskane tutaj wykrywało koordynację i strategię poprzez ana...

Wykazano, że funkcje motoryczne są upośledzone u osób z demencją z powodu choroby Alzheimera (AD) lub innych podtypów (np. demencji z ciałami Lewy'ego). Siła chwytu i szybkość chodu pozwalają rozróżnić starszych dorosłych z zaburzeniami poznawczymi i bez nich 1,2, ale nie mogą koniecznie rozróżniać różnych podtypów otępień (tj. niskiej swoistości)1,2. W związku z tym nadal istnieje potrzeba nowych narzędzi diagnostycznych dla wczesnej demencji, być może w połączeniu z uczeniem maszynowym, do oceny złożonych wzorców i zależności między zachowaniem a stanem choroby 3,4. Modele zwierzęce są cenne do badania postępu chorób neurodegeneracyjnych, dostarczając wglądu w wczesny początek choroby, korelaty behawioralne oraz integrację uczenia maszynowego w pipeline'ach analitycznych, aby rozróżnić nasilenie od objawów 5,6,7.
Nowe metody behawioralne u ludzi zidentyfikowały zadania wymagające precyzyjnej motoryki wraz z przetwarzaniem poznawczym, takie jak zdolności wizualnoprzestrzenne i funkcje wykonawcze 8,9,10. Na przykład funkcjonalne zadanie kończyny górnej może śledzić wzorce neurodegeneracji i odróżniać łagodne zaburzenia poznawcze (MCI) od AD. W tym zadaniu ludzie przenoszą surowe fasolki nerkowe (po dwie naraz) z centralnego kubeczka domowego do kubka docelowego za pomocą łyżki. Faza zadania, w której fasola jest pozyskiwana łyżką, wykazuje silniejsze powiązania z poznaniem (konkretnie pamięcią wzrokowo-przestrzenną) niż faza, w której ziarna są transportowane do docelowej filiżanki11,12. Gdy łyżka wchodzi do filiżanki, może zakłócać fasolę w filiżance, co oznacza, że ruchy uczestnika mogą utrudnić zadanie. Ponadto, w miarę postępu próby i malejącej liczby ziaren w domowej filiżance, zadanie staje się trudniejsze (czyli czas na zdobycie fasoli łyżką rośnie)13. Wykazano, że to zadanie koreluje z patologią specyficzną dla AD (amyloid)9,14 oraz neurodegeneracją (zanik hipokampa)10,15, co sugeruje, że jego wydajność może zależeć od obwodów nerwowych i procesów behawioralnych, które są dotknięte we wczesnym stadium choroby. Wiadomo, że inicjacja, planowanie, wykonanie i korekcja ruchu są kontrolowane przez różnorodną sieć przebiegającą przez mózg, w tym korę ruchową, przy czym ciała komórek górnych neuronów ruchowych zlokalizowane w korze mózgowej synapsują na dolnych neuronach ruchowychrdzenia kręgowego. Te dolne neurony ruchowe bezpośrednio komunikują się z mięśniami, kontrolując ruch na styku nerwowo-mięśniowym. Drogi wznoszące się przenoszą informacje sensoryczne z obwodów do rdzenia kręgowego, podczas gdy drogi schodzące w mózgu przekazują kierunkowe informacje dotyczące tego, jak i gdzie wrócić do mięśni17,18. Zrozumienie, jak te szlaki są selektywnie wpływane przez patologię AD, jest kluczowe dla zrozumienia postępu choroby, zwłaszcza że genetyczne modele zwierzęce, w tym mysz 3xTg-AD i szczur TgF344-AD, były wcześniej wykorzystywane do badania, jak geny AD wpływają na lokomocję, koordynację i inne zaburzenia ruchowe 19,20,21. Zazwyczaj zadania te koncentrują się na dużych zaburzeniach ruchowych związanych z ruchem całego ciała, ale deficyty ruchowe u ludzi są znacznie bardziej zmienne, co u gryzoni może być trudne do zidentyfikowania22. Dlatego potrzebne są nowe zadania, aby zbudować most między modelami ludzkimi a zwierzęcymi i uchwycić tę zmienność.
Jednym z obszarów mózgu, który często kojarzy się z zaburzeniami motorycznymi i drżeniami, jest móżdżek23. Móżdżek jest istotnym regulatorem precyzyjnych i skoordynowanych ruchów oraz pełni funkcję procesora informacji sensorycznej, dostarczając sprzężenia zwrotnego poprzez ścieżki opadające, korygując i adaptując ten dobrowolny ruch24,25. Ważne jest, aby zauważyć, że zanik móżdżku został wykryty u osób z AD, ale w przeciwieństwie do innych regionów, takich jak hipokamp, zwiększone odkładanie się amyloidu w móżdżku nie koreluje ze zwiększonym zanikiem26. Chociaż postęp patologii AD jest inny w móżdżku, istnieją wielosynaptyczne dwukierunkowe połączenia między móżdżkiem a hipokampem, które prawdopodobnie zostaną zakłócone wlatach 27, 28, 29 n.e. Warto zauważyć, że istnieją funkcjonalne powiązania między móżdżkiem a hipokampem, ponieważ udokumentowano deficyty pamięci po resekcji guza móżdżku30,31,32,33,34,35,36,37. U gryzoni komórki hipokampa są zakłócane przez zaburzenia mózgu38. Te nakładające się deficyty w pamięci, towarzyskości i kontroli motorycznej podkreślają znaczenie odkrywania potencjalnych wczesnych zmian w szlakach ruchowych, które zachodzą przed spadkiem funkcji poznawczych 30,31,38,39. Dzięki wdrożeniu zadań motoryki drobnej we wczesnych badaniach nad AD możemy zacząć przekształcać tradycyjne rozumienie AD jako jedynie zaburzenia poznawczego i skierować wysiłki diagnostyczne na wczesne zmiany ruchowe, które mogą przewidywać postęp choroby i być bardziej rozróżnialne między osobami z zaburzeniami poznawczymi i nieupośledzonymi w starzejącym się.
Aby zrozumieć, jak zachowania motoryczne mogą wskazywać na zmiany w strukturze mózgu, stworzono i przetestowano gryzonią wersję opisanego wcześniej zadania ludzkiego. To zadanie dla gryzoni nazwano KINEMAT (KINEmatic Motor Ability Task) i różni się od wcześniejszych zadań sięgających wymagających pobrania pojedynczej kulki z piedestału lub schodów oraz prostszego oceniania dzięki konsekwentnemu rozmieszczeniu pelletów na wszystkich etapach zadania40,41,42,43,44,45,46, 47,48. To zadanie precyzyjnej motoryki obejmuje nowe metody punktacji, miski o różnych trudnościach oraz samonapędzające się funkcje naśladujące ludzkiego przeciwnika, z ruchem kulek i późniejszymi zmianami strategii zawodnika kluczowymi elementami projektu. Zadanie to wykorzystuje narzędzia uczenia maszynowego: Social LEAP Estimates Animal Poses (SLEAP) oraz keypoint-MoSeq49,50, umożliwiając obiektywne i ilościowe pomiary zdolności motoryki drobnej oraz zachowań sięgających. Chociaż opracowano inne znaczące modele obliczeniowe dla profesjonalnych zadań sięgających u gryzoni44, 45, 51, keypoint-MoSeq eliminuje szumy, umożliwiając precyzyjne określenie ruchu i chwytanie pozycji50. Wydajność zadań i strategia uczenia się motorycznego zostały zrekonstruowane za pomocą wysokowydajnej kamery do widzenia maszynowego u typowych i zakłóconych przez silnik szczurów przy użyciu Harmaline52. Harmalina hiperaktywuje dolne jądro oliwkowe i zakłóca funkcję móżdżku poprzez włókna glutamatergiczne wspinającesię 53,54. Ponadto u podgrupy szczurów TgF344-AD zbadano zdolności motoryczne precyzyjne. Dlatego oczekiwano, że zadanie motoryczne precyzyjne wykryje mierzalne upośledzenia u szczurów leczonych Harmaliną i TgF344-AD w porównaniu do ich typowych odpowiedników jako dowód koncepcji. Protokół ten opisuje konstruowanie zadania motorycznego do precyzyjnej motoryki, szkolenie i testowanie zwierząt oraz ilościowe określenie zachowań osiągających za pomocą SLEAP i MoSeq z kluczowymi punktami.

<table><tbody><tr><td>Materiały do druku 3D</td><td>Amazon (Uwertura)</td><td>B07PGY2JP1</td><td>Filament PLA 1,75 mm PLA Filament do drukarek 3D, dokładność wymiarowa +/- 0,03 mm</td></tr><tr><td>Kamera</td><td>Edmond Optics</td><td>BFS-U3-13Y3M-C</td><td>1.3 MP, Mono, 170 FPS, ON Semi PYTHON 1300 x2</td></tr><tr><td>Kable kamerowe</td><td>Edmond Optics</td><td>ACC-01-2300</td><td>USB 3.1, 3 m, kabel Type-A do Micro-B (blokujący)</td></tr><tr><td>Obiektyw aparatu</td><td>Laboratoria Thora</td><td>MVL5WA</td><td>Obiektyw do widzenia maszynowego 4,5 mm EFL, F/1.4, format 1/2"</td></tr><tr><td>Połączenie kamery z statywem</td><td>Edmond Optics</td><td>88-210</td><td>Połączenie kamery ze statywem</td></tr><tr><td>Chusteczki czyszczące</td><td>Amazon (Sani-Cloth)</td><td>B00KMZ7KMO</td><td>AF3 Surface Disinfect Cleaner Chusteczka Delikatny zapach 160 Ct P13872</td></tr><tr><td>Komputer</td><td>Dell</td><td>Precyzja</td><td>Intel Core i7-13700 @ 2,1 GHz, NVIDIA T1000 8 GB, RAM 16 GB</td></tr><tr><td>Światło IR</td><td>Amazon (Serlium)</td><td>B0BJFDBT44</td><td>Kamera IR Light, 48 LED IR Illuminatory, Światła wodoodporne, podczerwień Night Visionss Light for Security CCTV Camera &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;</td></tr><tr><td>Klej panelowy</td><td>Amazon (Sdintar)</td><td>B0B1DLRPNZ</td><td>Klej do szkła</td></tr><tr><td>Plexi</td><td>Amazon (TOOLINHAND&nbsp; USA)</td><td>B0BRJ1L8TR</td><td>12 & razy; Przezroczyste arkusze akrylowo-pleksiglasowe 12" – przezroczyste 1/8" Gruba (3 mm) &nbsp;</td></tr><tr><td>Python</td><td>&nbsp; Python Software Foundation</td><td>Python 3.7</td><td></td></tr><tr><td>Spinview</td><td>Teledyne Technologies</td><td>Wersja 3.1.0.79&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Granulki cukrowe (45 mg)</td><td>Bioserv</td><td>F0023</td><td>45 mg, bez smaku 50 000/pudełko; Składniki: sacharoza, dekstroza, stearynian magnezu, krzemian wapnia, olej mineralny</td></tr><tr><td>Trójnóg</td><td>Amazon (YOUYI)</td><td>B086PYJF9D</td><td>Statyw Amazon Flexible Desk Webcam</td></tr><tr><td>Pęseta</td><td>Narzędzia Nauki Ścisłej</td><td>11064-07</td><td>Kleszcze Iris</td></tr><tr><td>Wosk</td><td>Amazon (ortomechanika)</td><td>B00FKDC0UU</td><td>Genuine Orthowax&nbsp;</td></tr></tbody></table>

zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych

A Fine Motor Task to Study Joint Kinematics in a Preclinical Model of Neurodegenerative Disease

Dysfunkcja ruchowa jest kluczowym, choć często niedocenianym składnikiem chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera (AD) i powiązane demencji. Nowe badania wykazały, że zadania związane z zachowaniem motorycznym w zakresie drobnej motoryki, zdolności wzrokowo-przestrzennych i funkcji wykonawczych u ludzi mogą mieć potencjał we wczesnym wykrywaniu chorób. Jednak niewiele wiadomo o dokładnych mechanizmach, dzięki którym te zadania przewidują spadek funkcji poznawczych i funkcjonalnych związany z AD. W obecnej metodzie stworzono zadanie motoryczne Kinematic Motor Ability Task (KINEMAT), aby zbadać zmiany zdolności motorycznych w przebiegu choroby w przedklinicznych modelach AD w porównaniu do innych chorób neurodegeneracyjnych i normalnego starzenia się, wykorzystując darmowe, otwartoźródłowe oprogramowanie uczenia maszynowego. W tym miejscu dowód koncepcji został ustanowiony poprzez projektowanie, testowanie i wdrożenie zadania motoryki drobnej w pilotażowym badaniu szczurów Fisher 344 CDF z i bez zaburzeń motorycznych wywołanych przez harmalinę. Dodatkowa walidacja, z modelem szczura z chorobą Alzheimera (TgF344-AD), dodatkowo wykazała wykonalność modelu i czułość na zadania. Szczury były szkolone, by sięgać przez mały szczelinę z przodu komory, by z różnym trudem wyciągnąć granulkę cukrową z jednej z trzech misek. Odzyskiwanie pelletów oceniano według jednej z trzech klasyfikacji: sukces (pomyślne złapanie i zjedzenie granulki cukrowej), drop (chwyta, ale upuszcza smakołyk po uścisku) lub niepowodzenie (zasięg, w którym nie zostaje zebrany pellet lub granulki są wypadające z miski podczas próby chwycenia). Zaobserwowano istotne różnice w zdolnościach motorycznych między szczurami kontrolnymi a poddanymi harmalinie, co potwierdza zmniejszenie całkowitych zasięgów i zwiększona zmienność pozycji łapy. Szczury TgF344-AD również wykazywały zmniejszony zasięg oraz mniejsze sukcesy we wszystkich bowlach. Potwierdzając to jako zadanie motoryczne u gryzoni, ma potencjał do badania prawidłowego starzenia się i przedklinicznych modeli chorób neurodegeneracyjnych, w tym AD, w miarę jak patologia i objawy będą się ujawniać z czasem.

Po osiągnięciu ograniczenia karmy do 90% masy ciała, szczury były przyzwyczajone do komory przez 2 dni, a następnie poddawane zabiegom formowania przez 1-2 tygodnie. Liczba udanych, porzuconych i nieudanych osiągnięć była oceniana przez wykwalifikowanego obserwatora, który nie znał żadnego warunku. W ciągu 9 dni (Baseline) szczury były testowane pod kątem drobnej motoryki w 3 różnych konfiguracjach misek (Plain, Less i Plinko). Następnie te same szczury (n = 5 na grupę, 1 usunięty po treningowym kształtowaniu misy z powo...

Obecne badanie opisuje test zachowania motorycznego do analizy deficytów motorycznych w modelach gryzoni, w tym szczura TgF344-AD, z wykorzystaniem uczenia maszynowego.

Zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych

Motor dysfunction is a critical, yet often underappreciated, component of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease (AD) and related ...

Nasze badania koncentrują się na zdolnościach motorycznych w modelach neurodegeneracji. Konkretnie, chcemy wykorzystać nasze nowe zadanie jako nowy biomarker dla zaburzeń ruchowych. Algorytmy uczenia maszynowego mają zaawansowane systemy neurobiologii, zapewniając bezstronny i automatyczny sposób analizy skupionych ruchów zwierząt w zachowaniach, których zazwyczaj ludzkie oko nie jest w stanie rozszyfrować.Łącząc śledzenie części ciała z metodami klastrowania komputerowego, jesteśmy w stanie niezawodnie wykrywać, klasyfikować i przewidywać przejścia między ruchami zwierząt w naszym nowym zadaniu motoryki drobnej. Aby rozpocząć 10-dniową fazę kształtowania, najpierw włącz światło podczerwone, aparat i komputer. Przenieś klatki z szczurami do pomieszczenia testowego i pozwól im się przyzwyczaić przez pięć minut.Używając miski treningowej, podaj od jednego do pięciu kulek wzdłuż przedłużenia, a przedłużenie umieszcza się całkowicie wewnątrz urządzenia pierwszego dnia. Przeprowadź 10-minutowe sesje treningowe z każdym zwierzęciem. W kolejne dni umieść granulki na końcu miski najbliżej gryzonia i stopniowo odsuwaj je dalej, aby zachęcić do sięgania.Gdy gryzonie zabiorą granulki z krawęd

a-fine-motor-task-to-study-joint-kinematics-preclinical-model

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Paradygmat jest prezentowany w celu analizy nabywania u szczurów umiejętności sięgania kończynami przednimi do bardzo precyzyjnego dosięgnięcia.

Zdobycie wysoce precyzyjnego zadania dosięgania kończyn przednich u szczurów

Aby zbadać współistniejącą chorobę Alzheimera (AD) i stan udaru w nowym modelu, opisano trzy zadania behawioralne, które oceniają zarówno kontrolę motoryczną, jak i zachowania poznawcze. Zadania te obejmują zadanie chodzenia po belce, zadanie cylindra i labirynt wodny Morrisa.

Uczenie się przestrzenne zależne od motoryki i hipokampa oraz ocena pamięci referencyjnej w transgenicznym szczurzym modelu choroby Alzheimera z udarem mózgu

Analiza chodu kinematycznego w płaszczyźnie strzałkowej dostarcza bardzo precyzyjnych informacji o tym, jak wykonywany jest ruch. Opisujemy zastosowanie tych technik do identyfikacji deficytów chodu u myszy poddanych demielinizacji o podłożu autoimmunologicznym. Metody te mogą być również wykorzystane do scharakteryzowania deficytów chodu dla innych modeli myszy z upośledzoną lokomocją.

Analiza kinematyczna chodu w płaszczyźnie strzałkowej u myszy C57BL/6 poddanych eksperymentalnemu autoimmunologicznemu zapaleniu mózgu i rdzenia wywołanemu MOG35-55

Ten manuskrypt opisuje półautomatyczne zadanie, które kwantyfikuje supinację u szczurów. Szczury sięgają, chwytają i supinują kuliste manipulandum. Szczur jest nagradzany śrutem, jeśli kąt skrętu przekroczy kryterium ustawione przez użytkownika. To zadanie zwiększa przepustowość, wrażliwość na urazy i obiektywizm w porównaniu z tradycyjnymi zadaniami.

Zadanie supinacji gałki: półautomatyczna metoda oceny funkcji kończyn przednich u szczurów

Pomiar przewodnictwa nerwowego jest użytecznym narzędziem do oceny mysich modeli neurodegeneracji, ale często jest stosowany tylko do stymulacji nerwu kulszowego w kończynach tylnych. W tym miejscu opisujemy technikę pomiaru złożonego potencjału czynnościowego mięśni (CMAP) in vivo w mięśniach kończyn przednich myszy unerwionych przez splot ramienny.

In vivo (in vivo) Elektrofizjologiczny pomiar złożonego potencjału czynnościowego mięśni z kończyn przednich w mysich modelach zwyrodnienia neuronów ruchowych

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).

Analiza chodu zależnych od wieku zaburzeń motorycznych u myszy z neurodegeneracją

Prezentowany tutaj jest protokół do zbierania i analizy trójwymiarowej kinematyki poruszania się czworonożnych u gryzoni do badań przedklinicznych.

Analiza kinematyczna chodu 3D do badań przedklinicznych na gryzoniach

Umiejętne sięganie gryzoni jest powszechnie używane do nauki zręczności, ale wymaga znacznego czasu i wysiłku do wykonania zadania i przeanalizowania zachowania. Opisujemy zautomatyzowaną wersję umiejętnego docierania ze śledzeniem ruchu i trójwymiarową rekonstrukcją trajektorii zasięgu.

Zautomatyzowane sięganie pojedynczych śruin szczura z 3-wymiarową rekonstrukcją trajektorii łap i palców

Ten protokół ma na celu zbadanie wpływu warunków zadania na strategie ruchowe u osób, które przeżyły przewlekły udar. Co więcej, protokół ten można wykorzystać do zbadania, czy ograniczenie wyprostu łokcia wywołane stymulacją elektryczną nerwowo-mięśniową powoduje kompensację tułowia podczas sięgania ramion ukierunkowanych na cel u osób dorosłych bez niepełnosprawności.

Wpływ warunków wykonywania zadań motorycznych na kinematykę zasięgu ramienia ukierunkowanego na cel i kompensację tułowia u osób po przewlekłym udarze mózgu

Obecny protokół opisuje, jak korzystać z bezprzewodowej optogenetyki w połączeniu z szybką wideografią w jednym zadaniu typu "sięgnij do uchwytu" w celu scharakteryzowania obwodów neuronowych zaangażowanych w realizację umiejętnego zachowania motorycznego u swobodnie poruszających się myszy.

In vivo (in vivo) Bezprzewodowa kontrola optogenetyczna wykwalifikowanych zachowań motorycznych

Protokół ten ustanawia pipeline oceny kinematyki tylnej kończyny szczura za pomocą testu na bieżni bez markerów z automatycznym oznaczaniem trajektorii wielostawowych opartym na głębokim uczeniu, co umożliwia powtarzalną ilościową ilościową identyfikację ruchu.

Wielostawowe synchroniczne śledzenie oparte na uczeniu głębokim do obiektywnej ilościowej kinematyki ruchowej kończyn tylnych u szczurów

Naucz się analizy zachowań motorycznych u szczurów TgF344-AD z wykorzystaniem uczenia maszynowego i śledzenia części ciała. Ta metoda pozwala wykrywać deficyty ruchowe w modelach neurodegeneracyjnych.

Zadanie motoryczne w celu badania kinematyki stawów w przedklinicznym modelu chorób neurodegeneracyjnych

Przeglądaj więcej filmów