Præsenteret her er en protokol til at indsamle og analysere tredimensionelle kinematik af firpedal bevægelse i gnavere for prækliniske studier.
Nytten af tredimensionale (3D) kinematiske motion analysesystemer er begrænset i gnavere. En del af årsagen til denne utilstrækkelighed er brugen af komplekse algoritmer og matematiske modellering, der ledsager 3D dataindsamling og analyseprocedurer. Dette arbejde giver en enkel, brugervenlig, trin-for-trin detaljeret metode til 3D kinematisk gangart analyse underløbe bånd Locomotion i raske og Neuro traumatiske rotter ved hjælp af en seks-kamera bevægelse Capture System. Også givet er detaljer om 1) kalibrering af systemet i en eksperimentel set-up tilpasset til firpedal bevægelse, 2) dataindsamling for løbebånd Locomotion i voksne rotter ved hjælp af markører placeret på alle fire lemmer, 3) muligheder for video tracking og behandling, og 4) grundlæggende 3D kinematisk dataproduktion og visualisering og kvantificering af data ved hjælp af den indbyggede dataindsamling software. Endelig, det foreslås, at nytten af denne bevægelse Capture System udvides til at studere en række motoriske adfærd før og efter neurotrauma.
I gnavere vurderes forbimb-og baglemmer-underskud efter neurologiske lidelser almindeligvis ved hjælp af subjektive scorings systemer1. Automatiserede systemer2,3,4,5 er blevet vedtaget for gangart-analyse, men lider af ulemper, fordi de primære resultater er baseret på footprint analyse og undlader at fange afgørende segmental og fælles kinematiske variabler, der ellers kan afsløre sande kinematik af lemmer bevægelser2. Da de fleste gangart parametre er korreleret, en samling af gangart parametre er nødvendig for at forstå kompensationer vedtaget af rotter til helt at vurdere motoriske underskud.
I det seneste årti er flere 3D-bevægelses analysesystemer6 blevet udviklet til biomedicinsk forskning i mennesker. Disse systemer har været en succes og vist sig at være effektive til at fange underskud i bevægelse i raske voksne samt ændret kinematik af Walking6,7. I gnavere, i øjeblikket tilgængelige 3D kinematiske motion systemer vedtage komplekse algoritmer og modellering for bevægelsen adfærd og udnytte sofistikerede dataanalyse teknikker8,9,10,11 , som i sidste ende begrænser deres alsidighed. Desuden er de metoder, der anvendes til indsamling af data med de fleste 3D-bevægelses optagelses systemer, ikke tilstrækkeligt forklaret i litteraturen. Detaljerne om dataindsamling og analyseprocedurer, begrænsninger og teknikker, der er involveret i effektivt at bruge systemet mangler.
Derfor er en af de fælles begreber blandt forskerne, at 3D motion tracking kinematiske vurderinger er temmelig krævende og tidsrøvende procedurer, der har brug for teknisk ekspertise og udarbejde dataanalyse. Hensigten med dette arbejde er at nedbryde dataindsamlings-og analyse protokollerne og beskrive metoden gennem en trinvis proces, så den er objektiv, let at lære og systematisk kan kontaktes. I dag er der en ny vægt på at vurdere funktionel motorisk adfærd på en mere omfattende og systematisk måde efter Neurologiske skader og indgreb i prækliniske undersøgelser.
I realm af firpedal bevægelse, præsenteret her er brugen af en 3D motion tracking system, der kan give yderligere oplysninger såsom kropsholdning, pote rotation med hensyn til krops akser, Inter-relationer af leddene, og mere præcise oplysninger med hensyn til koordination, mens samtidig visualisere hele dyret fra alle fly. Dette, til gengæld, kan afsløre kritiske forskelle i motorisk adfærd inden for og mellem raske og sårede rotter gennem flere resultater. Med en mere raffineret kinematisk analyse, der er nøjagtig og objektiv, minimeres risikoen for, at en intervention fejlagtigt udleder virkninger. De genererede data fra denne motion capture software er visualiseret frame-by-frame for kvaliteten af bevægelsen og kan spores automatisk, og dataindsamling eller kvantificering kræver ikke nogen yderligere algoritmer eller modellering. Formålet med dette arbejde er at tilvejebringe metodologiske detaljer og overvejelser i forbindelse med dataindsamling og analyse af 3D-gangart kinematik under løbebånds bevægelse i raske og rygmarvs skadede rotter. Denne protokol er beregnet til brug af prækliniske forskere, der udnytter neurologiske rotte modeller i eksperimenter.
Denne protokol artikel demonstrerer brugen af et bevægelses sporingssystem til indsamling og analyse af 3D kinematiske data under firpedal løbebånd bevægelse i gnavere. Vigtige funktioner i 3D kinematisk motion analyse system omfatter detaljeret kvantificering af kinematik af fælles bevægelse (trin fase kinematik, fælles vinkler, vifte af bevægelse, trin hastigheder) fra flere led og lemmer samtidig, påvisning af motoriske underskud umålbare af det blotte øje, eliminering af subjektive bias i dataindsamling og analyse, og nem visualisering af hele lemmer og postural kinematik, der kan sammenlignes med samtidig overgang af hele rotte i bevægelse. Uden behov for ekstra algoritmer og modellering, metoderne viser softwarens evne til kvantitativt analysere kinematik af gangbarhed med stor detalje, effektivitet, lethed, præcision, og reproducerbarheden.
I gnavere, forbimb og baglemmer bevægeapparatet underskud efter en rygmarvsskade (sci) er almindeligt vurderet ved hjælp af subjektive og standardiserede bevægeapparatet scoring systemer såsom BBB scoring system1. Subjektive scoring systemer generelt indføre tester bias, fordi forskellige forskere kan tildele forskellige scorer for samme motoriske underskud eller samme score for forskellige motoriske underskud, hvilket resulterer i reduceret reproducerbarhed og følsomhed af testen13 . Desuden bærer den manglende evne til at afsløre subtile underskud risikoen for fejlagtigt at udlede virkningerne af en intervention.
For at bekæmpe disse problemer er automatiserede systemer2,3,4,5 og systemer med eller uden brug af komplekse algoritmer14,15 blevet vedtaget af nogle efterforskere. Disse tests udføre trin cyklus analyse, der afslører vægtbærende profiler og trinsekvens mønstre afledt af Paw placering bevægelser af rotter gå på tværs af en landingsbane. Men en stor ulempe ved ventrale plane video ganganalyse er, at motivet er selve kroppen ikke er direkte synlig2,3. Disse data bliver begrænset til oplysninger indhentet fra indtryk af fødder og pote bevægelser, spørgsmålstegn ved udvælgelse og fortolkning af gangart parametre i vurderingen af underskud (Se Chen et al.16). Detaljer om bevægelse, der afslører dynamisk segmental kinematik af lemmer bevægelse og positionering er ikke præcist opnåelige for bevægelses analyse3,5. Kritiske afvigelser af ledvinkel data (dvs. vifte af bevægelser, bevægelseshastighed osv.), forholdet mellem leddene med hensyn til hinanden i en lemmer og mellem lemmer, og underliggende organ mekanik, der ændrer gangart mønstre er umulige at opnå. Som sådan, om eventuelle observerbare gangart nedskrivninger er som følge af ændringer i enkelt og/eller flere segmental fælles bevægelser (dvs. proksimal-distal intralimb koordination, postural forhold i stammen med hensyn til position og gangcyklus af lemmer osv.) forblive maskeret.
Få aktuelt tilgængelige systemer fanger gangart kinematik og vurderer motorisk dysfunktion kvalitativt og kvantitativt, men er mindre udbredte. En fuld-krop high speed video-tracking gangart analyse system film spontane gangscyklusser fra tre sider (en ventrale og to laterale planer) og spore Bony landemærker til at output en række gangart resultater17,18. Sagittal plane kinematiske gangart analyse er ansat af nogle forskere til at opnå 2D motion data af den interesserede bagdel19,20. Men en tredje dimension af bevægelse, der opstår ortogononal til visnings planet (lateral eller sagittal) er målbart i analyserne11,18,19.
Andre mere sofistikerede, 3D, tre krop-segment gnaver krop postural dataindsamling systemer udnytte 3D matematisk modellering af dataindsamling samt analyse system til at spore og kvantificere 3D bevægelse af gnaver krop-segmenter, mens herunder hoved bevægelsesmønstre8. Madete et al.9 har udviklet et markør baseret Optoelektronisk bevægelses opsamlingssystem til at kvantificere 3D-krop postural kinematik under Overground Locomotion på gang bjælker ved hjælp af et syv kamerasystem. De vigtigste resultater, der er undersøgt i de to sidstnævnte værker, fokuserer primært på den overordnede kropsholdning af gnaver i stedet for gangart-analyse. 3D motion capture-systemer giver højt gennemløb 3D kinematiske gangart-data ved hjælp af flere kameraer og udførlige software systemer, som gennemgås af bhimani et al.21. Ældre versioner af det præsenterede 3D-bevægelses analyse system er også blevet brugt i tidligere arbejde i rotter med og uden Neuro traume12,22,23.
På trods af tilgængeligheden af 3D motion Collection og analysesystemer til forskning, præklinisk brug af denne teknik i gnavere er stadig relativt begrænset. En del af årsagen til dette problem er, at dataindsamlingen og analyse protokollerne er meget afhængige af brugen af bygnings kinematiske modeller og komplicerede algoritmer, der passer til en kinematisk model af rotte bagdel undergang for at generere fine, høj opløsning gangart kinematik8,9,11,22. Den detaljerede metode, der præsenteres her, indeholder nærmere oplysninger om den procedure, der er involveret i hele forsøgs processen, herunder håndtering af dyr, uddannelse, eksperimentel opsætning, dataindsamling og analyse trin.
Der gives også oplysninger om kalibrering af systemet, som er den grundlæggende del af protokollen, som vil sikre reproducerbarhed mellem tilstødende forsøg inden for og mellem. De beskrevne trin-for-trin-teknikker indfører objektivitet i dataindsamlings proceduren og gør den meget reproducerbar. De genererede data fra denne bevægelses Capture software kan visualiseres frame-by-frame for kvaliteten af bevægelse og automatisk spores. Nærmere beskrevet er, hvordan denne dataindsamling eller kvantificering ikke kræver nogen yderligere algoritmer eller modellering. Studerende, personale og forskere kan bruge enkel statistisk software til at generere grundlæggende kinematisk output uden at stole på specifik teknisk ekspertise.
Dette system kan også bruges til Overground Locomotion, nå og fatte, og andre eksperimentelle set-ups, der passer til det eksperimentelle mål. Antallet og typen af markører kan også justeres for halen, ryg, trunk, eller ører, efter behov. En større fordel ved den præsenterede software i forhold til systemer er dens evne til at indsamle høj opløsning video data om emnet. Som sådan, komplekse sæt af beregninger (dvs., kantede bevægelser, stick linjer forbinder flere samlinger, etc.) kan overlejret på den optagede video. Markørplacering og de genererede 3D-data kan verificeres med faktiske bevægelser af en rotte i bevægelse. I modsætning hertil er det kun markører, der optages, og enhver ny analyse skal foretages på pind diagrammerne (skelet ramme) i stedet for videoen af selve motivet. Derfor mangler verifikation af markørplacering på faktiske motiv bevægelse.
Baseret på erfaring med dette system, spiller kalibrering en afgørende rolle i succesen af dataindsamlingen. Kalibreringen af systemet er meget følsom over for ændringer. og let bevægelse af et kamera kan kompromittere hele 3D-koordinat dataindsamlings-og analyseprocessen. Der kræves kun to kameraer på hver side af et visnings plan til dataindsamling, men det tredje kamera anbefales stærkt at give mere nøjagtighed ved at krydsreferere placeringen af hver markør med andre kameraer. Når antallet af sporings kameraer øges, vil nøjagtigheden af 3D-koordinaten for en bestemt markør også stige. Ved lejligheder, hvor markører bliver tilsløret på grund af gangart underskud (såsom tå curling eller trække i tilfælde af gangart efter neurotrauma), disse betingelser kan kræve omfattende manuel sporing. Ikke desto mindre er mængden af data, der til sidst genereres fra tracking, værdig til den tid, der investeres i manuel sporing af markører, hvilket gør det til et uvurderligt værktøj til påvisning af subtile motoriske underskud.
I vores erfaring, enhver kedsom forbundet med brugen af systemet ligger uden brug af udstyr og teknologi selv. Svarende til andre protokoller for vurdering af motoriske adfærd, den metode, som rotter håndteres og uddannet til opgaven i høj grad påvirker resultaterne. For eksempel er isolerende rotter fra deres kohorte kritisk under testen; ellers, rotter, der ikke er testet, men er stadig til stede under testen viser en eventuel forringelse af opgavens ydeevne. Optimale rumtemperaturer, belysning og støjniveauer er andre determinanter. Fouad et al. offentliggjort andre udfordringer, der ledsager funktionelle motor test i rotter24. Faktisk, blindet brugere fra dette laboratorium, der fulgte metoden korrekt ikke oplevede nogen større forhindringer med dataindsamling, motion tracking, og dataanalyse.
I dette papir, en 3D motion capture system til at indsamle og analysere bevægeapparatet data effektivt er beskrevet således, at forskerne kan samle enorme mængder af dybdegående bevægeapparatet data hurtigt fra flere rotter. Vi arbejder i øjeblikket på at skabe en automatiseret dataanalyse skabelon, der kan bygges ind i softwaren og blive i stand til at generere en rapport af forudbestemte resultater inden for få sekunder for løbebånd bevægelse i gnavere, svarende til hvad der sker i human undersøgelser ved hjælp af bevægelses optagelses-og analysesystemer6,25. Udviklingen af denne skabelon vil gøre det muligt for prækliniske forskere at få detaljerede gnaver bevægeapparatet data på bekvemmelighed af få klik på en museknap. Det er håbet, at metoderne i dette arbejde vil vise sig nyttige for prækliniske forskere til at vurdere gnaver motorisk adfærd mere objektivt. Vi er nu færdig med at bruge dette system til at indsamle højt gennemløb 3D kinematiske data under almindelige, dygtige forbimb adfærd såsom at nå og fatte. Vigtigere, nytten af denne metode kan udvides til rotter med en række Neuro traumatiske og ikke-Neuro traumatiske skader.
The authors have nothing to disclose.
Vores særlige tak til Pawan Sharma for hans hjælp med den eksperimentelle set-up for video og intellektuelle bidrag til dette projekt. Vi takker også Christopher Palacio for hans bidrag til hjælp til demonstration af video protokollen.
6 camera Basler (Scout scA640-120gu) motion capture system. | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | Recording device for motion analytics. |
Calibration Frame and Wand | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | L-shaped calibration defining the global coordinate sysetem, and the trident shape wand (100 mm) |
Markers | Shah Lab | N/A | Recording device for motion analytics. Markers are Custom made in our lab from 0.5cm googly-eyes covered with reflective tape. |
Matlab | Mathworks, Inc, Natic, Ca | N/A | Data analysis software |
Rodent Cage | Custom Made within Stony Brook. | N/A | Clear plexiglass cage used to keep the rodent on the treadmill. |
Simi Reality Motion Systems | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | 3D tracking Software. |
Treadmill | Mk Automation Inc., Bloomfield, CT 06002 | N/A | Treadmill used for rodent locomotion. |