Análise de marcha cinemática 3D para estudos pré-clínicos em roedores

Aqui apresentamos um protocolo para coleta e análise da cinemática tridimensional da locomoção quadrupedal em roedores para estudos pré-clínicos.

A cinemática 3D de movimento e locomoção estão sendo cada vez mais utilizadas. Mas a complexidade da maioria dos sistemas limita seu uso em pesquisas pré-clínicas. O que estamos fazendo neste trabalho é fornecer um método detalhado e simples de coletar dados 3D durante a locomoção quadruplicada em ratos adultos.

O sistema descrito fornece uma análise de dados qualitativa e quantitativa aprofundada, sem a necessidade de algoritmos complexos. Minha parte favorita do sistema é sua versatilidade de uso. Temos sido capazes de usá-lo para locomoção, bem como alcançar e agarrar a função.

Aqui, vou demonstrar seu uso para andar na esteira. Monte seis câmeras na parede, a dois metros da esteira, usando cabeças finamente ajustáveis. Ligeiramente ângulo abaixo do horizonte para cobertura máxima de marcadores.

Equipar cada câmera com uma luz de anel para a visualização de marcadores retro-reflexivos. Defina os marcadores desejados para o experimento. Use marcadores tanto para os membros dianteiros quanto para os obstáculos para avaliar a locomoção quadrúpede bilateral.

Aqui, usamos 22 marcadores. No entanto, isso pode ser ajustado de acordo com o design experimental. Calibrar o sistema de captura de movimento usando o sistema de varinha, que consiste no quadro L e na varinha.

Coloque o quadro L ortogonalmente na esteira com a perna longa do quadro L apontando para a direção em que o rato estará entrando. Abra o software de captura de movimento. Selecione Gravar"para capturar o vídeo de calibração.

Mova o quadro de calibração da varinha por toda a área da esteira no espaço, de modo a cobrir todas as áreas em que o rato estará entrando. Registo pelo menos um minuto de filmagem para garantir que pontos de dados adequados da varinha estejam presentes para uma calibração precisa. Salve os vídeos como um arquivo de calibração 3D.

Clique com o botão direito do mouse no grupo da câmera e selecione o rastreamento 3D"após a gravação dos vídeos de calibração. Selecione vídeos de calibração 3D"e selecione Todas as câmeras de calibração"Rastreie os marcadores de quadro L em todos os seis vídeos usando a função de ponto fixo. Defina todos os pontos e selecione o botão Pesquisar automaticamente".

Após o rastreamento, saia da janela e selecione O rastreamento automático de varinha 3D "Selecionar opções" e desmarcar detectar quadro L"Comece a rastrear. Depois que o software terminar de rastrear, clique em Atribuir marcadores"Atribuir marcadores wand curto"wand mid" e wand long"marcadores para todas as seis câmeras. Depois que a varinha e o quadro L tiverem sido rastreados, clique com o botão direito do mouse no Camera Calibration Group" e selecione New Wand Calibration Group"Select All Cameras" e segure a tecla de controle enquanto seleciona OK"Alterar o comprimento da varinha, a altura do quadro L e o número de câmeras de acordo com o que foi usado durante a calibração.

Aceite calibrações com um desvio padrão de comprimento de varinha inferior a três milímetros e um residual de calibração de 0,004 ou menos. Este sistema está comercialmente disponível. E neste relatório, fornecemos um guia minucioso para a pesquisa aqui e efetivamente usá-la.

O que eu mais gosto neste protocolo em particular e no sistema em si, é que há uma variedade de mais resultados e pode-se selecionar resultados predefinidos de interesse que são específicos para a condição. Aclimatar ratos na esteira por 5 minutos antes de cada sessão de treinamento. Treine os ratos para andar com peso total sobre seus membros em várias velocidades.

Treine todos os ratos até que eles sejam capazes de andar consistentemente na esteira. Antes da coleta de dados, raspe os ratos nas regiões onde os marcadores serão colocados. Palpa a pele para o marco ósseo para colocar com precisão marcadores.

Use marcadores de caneta para articulações distais no cotovelo e no joelho. Selecione o botão da câmera vermelha na barra superior do software de captura de movimento para gravar um teste. Deixe o rato andar por aproximadamente 30 segundos ou um mínimo de 10 passos contínuos.

Crie um novo grupo de câmeras para cada teste depois de salvar o vídeo gravado. O software apresentado neste protocolo pode ser utilizado por estudantes, funcionários e pesquisadores sem a necessidade de conhecimento técnico. Este processo é fácil de usar e pode ser facilmente dominado com pouca prática.

Este protocolo pode ser implementado em aproximadamente 45 minutos a uma hora, dependendo da quantidade de dados desejados. Clique com o botão direito do mouse no grupo da câmera para rastreamento de movimento. Selecione rastreamento 2D "Selecione sete a 10 melhores etapas contínuas e consistentes para rastreamento.

Clique com o botão direito do mouse no marcador de interesse e selecione Rastreamento Automático", que detectará pontos circulares brilhantes criados por marcadores retro-reflexivos. Alternativamente, rastreie marcadores usando correspondência de padrões, que usará um algoritmo incorporado no software para rastrear marcadores com base no tamanho e cor. Rastreie marcadores pretos usando processamento avançado de imagem invertendo marcadores pretos em pontos brilhantes para rastreamento automático.

Rastreie manualmente e corrija marcadores ou erros indetectáveis no rastreamento. Fases com o botão direito do mouse "Fase"E selecione Editar modelo de fase"Personalize as fases do ciclo de marcha para cada membro de acordo com os déficits que se escolhe estudar. Atribuir fases do ciclo de marcha para cada membro dentro do software usando o botão Adicionar fase "ou a tecla de atalho F11.

Realize cálculos 3D depois de rastrear todas as seis câmeras. Clique com o botão direito do mouse no grupo da câmera e selecione Novos cálculos 3D"Uma nova pasta aparecerá. Gerar dados de interesse, como diagramas de altura articular ou velocidade com pontos de dados, arrastando marcador de interesse para visualizar lado a lado com as fases de marcha atribuídas.

Clique no diagrama 3D para gerar uma figura tridimensional do ensaio. Esta figura mostra o perfil do ângulo do cotovelo em um rato saudável representativo andando na esteira. Observe que as taxas saudáveis são capazes de passos contínuos por durações mais longas.

Os picos únicos suaves representam ciclos de marcha com total amplitude de movimento. A fase de postura alternada e as durações da fase de oscilação, com tempo consistente em cada etapa, é indicativa da coordenação intralimb normal. Em contraste, a pisia contínua é menos comum após uma lesão.

O perfil do ângulo do cotovelo de um rato ferido cored espinhal representativo demonstra múltiplos picos distorcidos, que são menos consistentes e de menor amplitude de movimento. Além disso, a fase de postura alongada e as durações da fase de oscilação reduzidas sugerem deficiência na coordenação intralimb para o membro dianteiro direito. Esta figura mostra dados representativos traçados para coordenação intralimb entre dois pares de membros.

O rato saudável representativo demonstra uma coordenação rítmica alternada bem definida, que é vista como um padrão em forma de L em uma trama de linha de dispersão. Em contraste, o rato lesado da medula espinhal cervical representativo demonstra má coordenação não alternada e não rítmica entre os dois membros dianteiros. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento sobre como configurar e calibrar um sistema de captura de movimento multi-câmera, como preparar um rato para captura de movimento, como gravar a locomoção da esteira e como obter e analisar os dados cinemáticos 3D produzidos.

O objetivo final para os pesquisadores, então, é empregar essas ferramentas de avaliação motora altamente padronizadas e fazer nossa pesquisa de rotina para decifrar efeitos de intervenções na recuperação motora após o neurotrauma.