रीढ़ की हड्डी की चोट के माउस मॉडल में लोकोमोटर डिसफंक्शन की मात्रा निर्धारित करने के लिए माउसवॉकर का उपयोग करना
Summary
माउसवॉकर (एमडब्ल्यू) टूलबॉक्स का उपयोग करके स्वतंत्र रूप से चलने वाले चूहों के लोकोमोटर पैटर्न का मात्रात्मक रूप से वर्णन करने के लिए एक प्रयोगात्मक पाइपलाइन प्रदान की जाती है, जिसमें प्रारंभिक वीडियो रिकॉर्डिंग और ट्रैकिंग से लेकर पोस्ट-परिमाणीकरण विश्लेषण तक शामिल हैं। एमडब्ल्यू प्रणाली की उपयोगिता को प्रदर्शित करने के लिए चूहों में रीढ़ की हड्डी की चोट मॉडल को नियोजित किया जाता है।
Abstract
जटिल और अत्यधिक समन्वित मोटर कार्यक्रमों का निष्पादन, जैसे चलना और दौड़ना, रीढ़ की हड्डी और सुप्रा-स्पाइनल सर्किट के लयबद्ध सक्रियण पर निर्भर है। वक्ष रीढ़ की हड्डी की चोट के बाद, अपस्ट्रीम सर्किट के साथ संचार बिगड़ा हुआ है। यह बदले में, सीमित वसूली क्षमता के साथ समन्वय के नुकसान की ओर जाता है। इसलिए, दवाओं या उपचारों के प्रशासन के बाद वसूली की डिग्री का बेहतर मूल्यांकन करने के लिए, रीढ़ की हड्डी की चोट के पशु मॉडल में चाल, अंग समन्वय और लोकोमोटर व्यवहार के अन्य ठीक पहलुओं को मापने के लिए नए, अधिक विस्तृत और सटीक उपकरणों की आवश्यकता है। कृन्तकों में मुक्त-चलने वाले व्यवहार का मात्रात्मक रूप से आकलन करने के लिए वर्षों में कई परख विकसित किए गए हैं; हालांकि, उनके पास आमतौर पर चाल रणनीतियों, पदचिह्न पैटर्न और समन्वय से संबंधित प्रत्यक्ष माप की कमी होती है। इन कमियों को दूर करने के लिए, माउसवॉकर का एक अद्यतन संस्करण, जो ट्रैकिंग और परिमाणीकरण सॉफ्टवेयर के साथ एक कुंठित कुल आंतरिक प्रतिबिंब (एफटीआईआर) वॉकवे को जोड़ता है, प्रदान किया जाता है। इस ओपन-सोर्स सिस्टम को कई ग्राफिकल आउटपुट और किनेमेटिक पैरामीटर निकालने के लिए अनुकूलित किया गया है, और पोस्ट-परिमाणीकरण टूल का एक सेट प्रदान किए गए आउटपुट डेटा का विश्लेषण करने के लिए हो सकता है। यह पांडुलिपि यह भी दर्शाती है कि यह विधि, पहले से स्थापित व्यवहार परीक्षणों के साथ संबद्ध, रीढ़ की हड्डी की चोट के बाद लोकोमोटर घाटे का मात्रात्मक रूप से वर्णन करती है।
Introduction
चार अंगों का प्रभावी समन्वय चतुष्कोणीय जानवरों के लिए अद्वितीय नहीं है। मनुष्यों में फोरलिम्ब-हिंदलिम्ब समन्वय कई कार्यों को पूरा करने के लिए महत्वपूर्ण रहता है, जैसे तैराकीऔर चलते समय गति में परिवर्तन। विभिन्न अंग कीनेमेटिक2 और मोटर प्रोग्राम 1,3,4, साथ ही प्रोप्रियोसेप्टिव फीडबैक सर्किट5, मनुष्यों और अन्य स्तनधारियों के बीच संरक्षित हैं और मोटर विकारों के लिए चिकित्सीय विकल्पों का विश्लेषण करते समय विचार किया जाना चाहिए, जैसे कि रीढ़ की हड्डी की चोट (एससीआई) 6,7,8।
चलने के लिए, अग्रअंगों और हिंदलिम्ब्स से कई रीढ़ की हड्डी के कनेक्शन को ठीक से वायर्ड और लयबद्ध रूप से सक्रिय करने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए मस्तिष्क से इनपुट और सोमैटोसेंसरी सिस्टम 2,9,10 से प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है। ये कनेक्शन केंद्रीय पैटर्न जनरेटर (सीपीजी) में समाप्त होते हैं, जो क्रमशः 1,9,10 के अग्रभाग और हिंदअंगों के लिए ग्रीवा और काठ के स्तर पर स्थित होते हैं। अक्सर, एससीआई के बाद, न्यूरोनल कनेक्टिविटी का विघटन और एक निरोधात्मक ग्लियल निशान12 का गठन लोकोमोटर फ़ंक्शन की वसूली को सीमित करता है, जिसमें चोट की गंभीरता के आधार पर अंगों के समूह के कुल पक्षाघात से प्रतिबंधित कार्य तक के परिणाम भिन्न होते हैं। एससीआई के बाद लोकोमोटर फ़ंक्शन को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए उपकरण वसूली की निगरानी और उपचार या अन्यनैदानिक हस्तक्षेपों के प्रभावों का मूल्यांकन करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
एससीआई के माउस कंट्यूशन मॉडल के लिए मानक मीट्रिक परख बासो माउस स्केल (बीएमएस) 13,14 है, एक गैर-पैरामीट्रिक स्कोर जो एक खुले क्षेत्र क्षेत्र में ट्रंक स्थिरता, पूंछ की स्थिति, प्लांटर स्टेपिंग और फोरलिम्ब-हिंदलिम्ब समन्वय पर विचार करता है। भले ही बीएमएस ज्यादातर मामलों के लिए बेहद विश्वसनीय है, लेकिन प्राकृतिक परिवर्तनशीलता और पूर्वाग्रह को कम करने के लिए पशु आंदोलन के सभी कोणों का निरीक्षण करने के लिए कम से कम दो अनुभवी रेटर्स की आवश्यकता होती है।
एससीआई के बाद मात्रात्मक रूप से मोटर प्रदर्शन का आकलन करने के लिए अन्य परख भी विकसित किए गए हैं। इनमें रोटारोड परीक्षण शामिल है, जो घूर्णन सिलेंडर15 पर बिताए गए समय को मापता है; क्षैतिज सीढ़ी, जो छूटी हुई रेलिंग और सकारात्मक सीढ़ी की संख्या को मापती है,16,17 पकड़ती है; और बीम वॉकिंग टेस्ट, जो एक जानवर द्वारा लिए गए समय और एक संकीर्ण बीम18 को पार करते समय होने वाली विफलताओं की संख्या को मापता है। मोटर घाटे के संयोजन को प्रतिबिंबित करने के बावजूद, इनमें से कोई भी परीक्षण फोरलिम्ब-हिंदलिम्ब समन्वय के बारे में प्रत्यक्ष लोकोमोटर जानकारी का उत्पादन नहीं करता है।
विशेष रूप से और अधिक अच्छी तरह से चलने के व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए, कदम चक्रों और गैटिंग रणनीतियों के पुनर्निर्माण के लिए अन्य परख विकसित किए गए हैं। एक उदाहरण पदचिह्न परीक्षण है, जहां एक जानवर के स्याही वाले पंजे सफेद कागज19 की शीट पर एक पैटर्न खींचते हैं। हालांकि इसके निष्पादन में सरल है, स्ट्राइड लंबाई जैसे किनेमेटिक पैरामीटर निकालना बोझिल और गलत है। इसके अलावा, गतिशील मापदंडों की कमी, जैसे कि चरण चक्र की अवधि या लेग-टाइमसमन्वय, इसके अनुप्रयोगों को सीमित करता है; दरअसल, इन गतिशील मापदंडों को केवल पारदर्शी सतह के माध्यम से चलने वाले कृन्तकों के फ्रेम-दर-फ्रेम वीडियो का विश्लेषण करके प्राप्त किया जा सकता है। एससीआई अध्ययनों के लिए, शोधकर्ताओं ने ट्रेडमिल का उपयोग करके पार्श्व दृश्य से चलने के व्यवहार का विश्लेषण किया है, जिसमें चरण चक्र का पुनर्निर्माण और प्रत्येक पैर के जोड़ 4,20,21 के कोणीय विविधताओं को मापना शामिल है। भले ही यह दृष्टिकोण बेहद जानकारीपूर्ण हो सकता है6, यह अंगों के एक विशिष्ट सेट पर केंद्रित रहता है और समन्वय जैसे अतिरिक्त चाल सुविधाओं का अभाव होता है।
इन अंतरालों को भरने के लिए, हैमर्स और सहयोगियों ने निराश कुल आंतरिक प्रतिबिंब (एफटीआईआर) 22 का उपयोग करके ऑप्टिकल टच सेंसर के आधार पर एक मात्रात्मक परीक्षण विकसित किया। इस विधि में, प्रकाश आंतरिक प्रतिबिंब के माध्यम से कांच के माध्यम से फैलता है, पंजा दबाने पर बिखर जाता है, और अंत में, एक उच्च गति वाले कैमरे द्वारा कैप्चर किया जाता है। हाल ही में, इस विधि का एक ओपन-सोर्स संस्करण, जिसे माउसवॉकर कहा जाता है, उपलब्ध कराया गया था, और यह दृष्टिकोण एक एफटीआईआर वॉकवे को ट्रैकिंग और परिमाणीकरण सॉफ्टवेयर पैकेज23 के साथ जोड़ता है। इस विधि का उपयोग करके, उपयोगकर्ता मात्रात्मक मापदंडों का एक बड़ा सेट निकाल सकता है, जिसमें चरण, स्थानिक और चाल पैटर्न, पदचिह्न स्थिति, और फोरलिम्ब-हिंदलिंब समन्वय, साथ ही दृश्य आउटपुट, जैसे पदचिह्न पैटर्न (स्याही पंजा परख6 की नकल) या शरीर अक्ष के सापेक्ष रुख चरण शामिल हैं। महत्वपूर्ण रूप से, इसकी ओपन-सोर्स प्रकृति के कारण, MATLAB स्क्रिप्ट पैकेज को अपडेट करके नए पैरामीटर निकाले जा सकते हैं।
यहां, माउसवॉकर23 सिस्टम की पहले प्रकाशित असेंबली अपडेट की गई है। इसे कैसे सेट अप किया जाए, इसका विवरण प्रदान किया गया है, जिसमें सर्वोत्तम वीडियो गुणवत्ता, ट्रैकिंग स्थितियों और पैरामीटर अधिग्रहण को प्राप्त करने के लिए आवश्यक सभी कदम हैं। माउसवॉकर (एमडब्ल्यू) आउटपुट डेटासेट के विश्लेषण को बढ़ाने के लिए अतिरिक्त पोस्ट-परिमाणीकरण उपकरण भी साझा किए जाते हैं। अंत में, इस उपकरण की उपयोगिता रीढ़ की हड्डी की चोट (एससीआई) संदर्भ में सामान्य लोकोमोटर प्रदर्शन, विशेष रूप से चरण चक्र और फोरलिम्ब-हिंदलिम्ब समन्वय के लिए मात्रात्मक मूल्य प्राप्त करके प्रदर्शित की जाती है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां, एससीआई के बाद लोकोमोटर व्यवहार का विश्लेषण करके माउसवॉकर विधि की क्षमता का प्रदर्शन किया जाता है। यह कदम, पदचिह्न और चाल पैटर्न में विशिष्ट परिवर्तनों में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है जो अन्यथ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक ों ने पांडुलिपि पर अपनी टिप्पणियों और इंस्टीट्यूटो डी मेडिसिना मॉलिक्यूलर जोआओ लोबो एंट्यून्स की कृंतक सुविधा द्वारा दिए गए समर्थन के लिए लौरा टकर और नतासा लोनकेरेविक को धन्यवाद दिया। लेखक स्पाइनल कॉर्ड इंजरी रिसर्च (एमसी-36/2020) के लिए प्रेमियोस सांता कासा न्यूरोसिएनसियास – पुरस्कार मेलो ई कास्त्रो से एलएस और सीएसएम तक वित्तीय सहायता स्वीकार करना चाहते हैं। इस काम को फंडाको पैरा ए सिएन्सिया ई ए टेक्नोलोगिया (एफसीटी) (पीटीडीसी/बीआईए-कॉम/0151/2020), आईनोवा4हेल्थ (यूआईडीबी/04462/2020 और यूआईडीपी/04462/2020) और एलएस4फ्यूचर (एलए/पी/0087/2020) द्वारा समर्थित किया गया था। एएफआई को एफसीटी (2020.08168.BD) से डॉक्टरेट फैलोशिप द्वारा समर्थित किया गया था। एएमएम को एफसीटी (पीडी / बीडी / 128445 / 2017) से डॉक्टरेट फैलोशिप द्वारा समर्थित किया गया था। आईएम को एफसीटी (एसएफआरएच / बीपीडी / 118051 / 2016) से पोस्ट-डॉक्टरेट फैलोशिप द्वारा समर्थित किया गया था। डी.एन.एस. को एफसीटी (एसएफआरएच / बीडी / 138636 / 2018) से डॉक्टरेट फैलोशिप द्वारा समर्थित किया गया था।
Materials
| 45º Mirror | |||
| 2 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 16 cm height, 1 on each side | Misumi | ||
| 2 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 23 cm, @ 45° , 1 on each side | Misumi | ||
| 1 aluminum extrusion (2 x 2 cm), 83 cm long | Misumi | ||
| 87 x 23 cm mirror | General glass supplier | ||
| black cardboard filler | General stationery supplier | We used 2, one with 69 x 6 cm and another with 69 x 3cm to limit the reflection on the mirror | |
| Background backlight | |||
| 109 x 23 cm plexiglass (0.9525 cm thick) | General hardware supplier | ||
| 2 lateral aluminum extrusion (4 x 4 cm), 20 cm long, 1 on each side | Misumi | ||
| multicolor LED strip | General hardware supplier | ||
| white opaque paper to cover the plexyglass | General stationery supplier | ||
| fTIR Support base and posts | |||
| 2 aluminum extrusion (4 x 4 cm), 100 cm height | Misumi | ||
| 60 x 30 cm metric breadboard | Edmund Optics | #54-641 | |
| M6 12 mm screws | Edmund Optics | ||
| M6 hex nuts and wahers | Edmund Optics | ||
| fTIR Walkway | |||
| 109 x 8.5 cm plexyglass (1.2 cm thick) | General hardware supplier | 109 x 8.5 cm plexyglass (1.2 cm thick) | |
| 109 cm long Base-U-channel aluminum with 1.6 cm height x 1.9 cm depth thick folds (to hold the plexyglass) | General hardware supplier | ||
| 2 lateral aluminum extrusion (4 x 4 cm) 20 cm length, 1 on each side | Misumi | ||
| black cardboard filler | General stationery supplier | we used 2 fillers on each side to cover the limits of the plexyglass, avoiding bright edges | |
| 12 mm screws | Edmund Optics | M6 | |
| High speed camera (on a tripod) | |||
| Blackfly S USB3 | Blackfly | USB3 | This is a reccomendation. The requirement is to record at least 100 frames per second |
| Infinite Horizon Impactor | |||
| Infinite Horizon Impactor | Precision Systems and Instrumentation, LLC. | ||
| Lens | |||
| Nikkon AF Zoom-Nikkor 24-85mm | Nikkon | 2.8-4D IF | This lens is reccomended, however other lens can be used. Make sure it contains a large aperture (i.e., smaller F-stop values), to capture fTIR signals |
| Software | |||
| MATLAB R2022b | MathWorks | ||
| Python 3.9.13 | Python Software Foundation | ||
| Anaconda Navigator 2.1.4 | Anaconda, Inc. | ||
| Spyder 5.1.5 | Spyder Project Contributors | ||
| Walkway wall | |||
| 2 large rectagular acrilics with 100 x 15 cm | Any bricolage convenience store | ||
| 2 Trapezian acrilic laterals with 6-10 length x 15 cm height | Any bricolage convenience store | ||
| GitHub Materials | |||
| Folder name | URL | ||
| Boxplots | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Boxplots | Script to create Boxplots | |
| Docs | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Docs | Additional documents | |
| Heatmap | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Heatmaps | Script to create heatmap | |
| Matlat script | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Matlab%20Script | MouseWalker matlab script | |
| PCA | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/PCA%20plots | Script to perform Principal Component Analysis | |
| Raw data Plots | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Rawdata%20Plots | Script to create Raw data plots | |
| Residual Analysis | https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker/tree/main/Residual_Analysis | Code to compute residuals from Raw data |
References
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