Rastreamento Síncrono Multiarticular Baseado em Deep Learning para Quantificação Objetiva da Cinemática Locomotrica do Membro Posterior em Ratos

Desenvolvemos uma esteira movida por IA para acompanhar os movimentos dos ratos, ajudando-nos a avaliar com precisão a recuperação de lesão medular. Diferente dos métodos tradicionais de pegada, que significam economia articular complexa, nosso sistema simulado de IA rastreia diretamente movimentos multiarticulares. Para começar, ligue o computador industrial e lance o software de aquisição e análise de vídeo.

Posicione a lente da câmera perpendicular ao eixo longitudinal da esteira para obter uma visão estritamente lateral, mantendo uma distância horizontal de trabalho de 15 centímetros a partir do plano da correia. Em seguida, registre o peso corporal de cada rato com uma balança eletrônica. Inclua apenas ratos com peso corporal igualado para minimizar os efeitos no tamanho do corpo.

Coloque luvas e segure o rato com cuidado. Passe a tira elástica do peito ao redor da axila frontal e prenda-a ao trilho ajustável. Depois, ajuste a alça para que um dedo possa ser inserido sem restringir a respiração.

Na tela de controle sensível ao toque, ajuste a velocidade para 150 milímetros por segundo e a inclinação para zero graus. Realize uma sessão de aclimatação de 10 minutos para adaptar o rato ao nível de suporte com o peso corporal, enquanto monitora o rato em busca de sinais de estresse e exaustão, como relutância em se mover e defecação prolongada. Confirme a aclimatação bem-sucedida quando o rato mantém uma passada contínua e uniforme por pelo menos 60 segundos, sem arrastar a pata, e com a cauda naturalmente pendurada.

Exclua animais que não atendam a esses critérios após o período máximo de aclimatação. Insira os parâmetros para o experimento formal na tela sensível ao toque. Insira sequencialmente a velocidade e inclinação desejadas, depois selecione a direção da correia da esteira.

Após a estabilização, selecione Iniciar Gravação para iniciar a aquisição de dados. Capture continuamente pelo menos cinco ciclos completos de marcha. Ao final de cada tentativa, reduza a velocidade para zero milímetros por segundo.

Desprenda a tira peitoral e coloque o rato de volta na gaiola correspondente. Extraia segmentos de vídeo de aproximadamente 10 segundos que contenham a marcha alvo com pelo menos 10 ciclos estáveis de marcha. Registre as informações sobre os ratos, incluindo número de identificação, grupo e condições experimentais.

Importe o arquivo MOV para o software de análise. Normalize cada ciclo de marcha de zero a 100% para padronizar o comprimento do ciclo. Gere imagens representativas para ilustrar a dinâmica da marcha.

Exporte as coordenadas de posição espacial de cada articulação ao longo do tempo como um arquivo csv para análise posterior. Após concluir a modelagem animal, implante o dispositivo de registro eletrofisiológico. Para o registro de sinais cerebrais, coloque eletrodos na superfície do crânio, no espaço epidural ou no córtex cerebral para registrar os sinais cerebrais.

Para o registro da medula espinhal, insira eletrodos de gravação no espaço epidural do forame intervertebral. Para gravação eletromiografia, enterre fios de prata bipolares nos músculos-alvo para registrar a atividade elétrica muscular. Permita que o animal se recupere por cinco a sete dias após a implantação.

Verifique a ferida e a marcha diariamente para garantir que não haja sinais de infecção ou dor antes do teste na esteira. Prepare o equipamento e o animal antes do experimento sincronizado. Depois, sincronize a aquisição de dados eletrofisiológicos com o vídeo de movimento para garantir que ambos compartilhem o mesmo carimbo de tempo.

Alinhe os sinais neurais com os quadros de vídeo correspondentes durante a análise para visualizar padrões eletrofisiológicos em diferentes fases da marcha. Os ratos com lesão medular apresentaram perda significativa de oscilação e curvas irregulares de deslocamento ilíaco. Ratos com lesão medular apresentaram flutuações maiores do ângulo articular em comparação com ratos saudáveis.

O mapa de calor da amplitude de movimento das articulações mostrou uma diminuição generalizada na escala de cores em ratos com lesão medular em comparação com ratos saudáveis, enquanto o mapa de atividade da trajetória revelou uma redução significativa na amplitude de movimento de cada articulação, além de continuidade de movimento prejudicada. Para ratos com lesão medular, o mapa de nuvens pontuais, mostrou maior dispersão e um deslocamento do centro de massa para a esquerda. O gráfico de cascata de altura mostra uma distribuição bimodal ao longo do eixo x entre grupos, com uma queda geral de diferença no meio do movimento.

Para o eixo y, observa-se uma queda de diferença no início do movimento. A distribuição geral das diferenças é caótica, indicando fases anormais de movimento em ratos com lesão medular em comparação com ratos saudáveis. A distribuição vertical dos picos de altura dos dedos foi deslocada para a direita em ratos com lesão medular.

O gráfico de intervalo de velocidades mostrou que a faixa combinada de velocidades em cada quadro foi reduzida no grupo de lesão. Além disso, os ratos com lesão medular também apresentaram redução na área do plano de fase, no índice estimado de força máxima de propulsão e nos indicadores de suavidade do movimento. Nosso sistema permite que pesquisadores meçam com precisão as trajetórias multiarticulares, a distribuição de forças e a suavidade do movimento em tempo real.

Uma consideração importante é aclimatar completamente o rato ao sistema da esteira para garantir estabilidade e analisar os padrões de marcha. Podemos sincronizar o sistema com EMG ou EEG para decodificar os sinais dos mecanismos por trás desse movimento.