Использование MouseWalker для количественной оценки локомоторной дисфункции в мышиной модели травмы спинного мозга
Summary
Предоставляется экспериментальный конвейер для количественного описания локомоторного паттерна свободно ходящих мышей с использованием набора инструментов MouseWalker (MW), начиная от первоначальных видеозаписей и отслеживания и заканчивая постколичественным анализом. Модель ушиба спинного мозга у мышей используется для демонстрации полезности системы MW.
Abstract
Выполнение сложных и высоко скоординированных двигательных программ, таких как ходьба и бег, зависит от ритмической активации спинальных и надспинальных цепей. После травмы грудного отдела спинного мозга нарушается связь с вышестоящими цепями. Это, в свою очередь, приводит к потере координации, с ограниченным потенциалом восстановления. Следовательно, чтобы лучше оценить степень выздоровления после введения лекарств или терапии, необходимы новые, более подробные и точные инструменты для количественной оценки походки, координации конечностей и других тонких аспектов двигательного поведения на животных моделях повреждения спинного мозга. За прошедшие годы было разработано несколько анализов для количественной оценки поведения грызунов при свободном хождении; Однако им обычно не хватает прямых измерений, связанных со стратегиями шаговой походки, паттернами следа и координацией. Для устранения этих недостатков предоставляется обновленная версия MouseWalker, которая сочетает в себе проход полного внутреннего отражения (fTIR) с программным обеспечением для отслеживания и количественной оценки. Эта система с открытым исходным кодом была адаптирована для извлечения нескольких графических выходных данных и кинематических параметров, а набор инструментов постколичественной оценки может быть предназначен для анализа предоставленных выходных данных. Эта рукопись также демонстрирует, как этот метод, в сочетании с уже установленными поведенческими тестами, количественно описывает двигательный дефицит после травмы спинного мозга.
Introduction
Эффективная координация четырех конечностей характерна не только для четвероногих животных. Координация передних и задних конечностей у людей по-прежнему важна для выполнения нескольких задач, таких как плавание и изменение скорости при ходьбе1. Различные кинематические2 конечностей и двигательная программа 1,3,4, а также проприоцептивные цепиобратной связи 5 сохраняются между людьми и другими млекопитающими и должны учитываться при анализе терапевтических возможностей при двигательных расстройствах, таких как повреждение спинного мозга (ТСМ)6,7,8.
Для того, чтобы ходить, несколько позвоночных соединений от передних и задних конечностей должны быть правильно подключены и ритмично активированы, что требует входных данных от мозга и обратной связи от соматосенсорной системы 2,9,10. Эти связи достигают кульминации в центральных генераторах паттернов (CPG), которые расположены на шейном и поясничном уровнях для передних и задних конечностей, соответственно 1,9,10. Часто после ТСМ нарушение нейронных связей и образование ингибирующего глиального рубца12 ограничивают восстановление двигательной функции, при этом исходы варьируются от полного паралича до ограниченной функции группы конечностей в зависимости от тяжести травмы. Инструменты для точной количественной оценки опорно-двигательной функции после ТСМ имеют решающее значение для мониторинга выздоровления и оценки эффектов лечения или других клинических вмешательств6.
Стандартным метрическим анализом для моделей ушиба мышей при ТСМ является шкала мышей Бассо (BMS)13,14, непараметрическая оценка, которая учитывает устойчивость туловища, положение хвоста, подошвенный шаг и координацию передних и задних конечностей на арене открытого поля. Несмотря на то, что BMS чрезвычайно надежен для большинства случаев, для наблюдения за всеми углами движения животных требуется, по крайней мере, два опытных оценщика, чтобы учесть естественную изменчивость и уменьшить смещение.
Другие анализы также были разработаны для количественной оценки двигательных характеристик после ТСМ. К ним относятся испытание ротародом, в ходе которого измеряется время, затраченное на вращающийся цилиндр15; горизонтальная лестница, которая измеряет количество пропущенных перил и положительных захватовлестницы 16,17; и тест на ходьбу по лучу, который измеряет время, необходимое животному, и количество отказов, которые оно совершает при пересечении узкой балки18. Несмотря на то, что они отражают комбинацию двигательного дефицита, ни один из этих тестов не дает прямой локомоторной информации о координации передних и задних конечностей.
Чтобы конкретно и более тщательно проанализировать поведение при ходьбе, были разработаны другие анализы для реконструкции циклов шагов и стратегий ходьбы. Одним из примеров является тест на след, когда нарисованные чернилами лапы животного рисуют узор на листе белой бумаги19. Несмотря на простоту выполнения, извлечение кинематических параметров, таких как длина шага, является громоздким и неточным. Кроме того, отсутствие динамических параметров, таких как продолжительность цикла шага или координация ног, ограничивает его применение; Действительно, эти динамические параметры можно получить, только анализируя покадровые видео грызунов, идущих по прозрачной поверхности. Для исследований SCI исследователи проанализировали поведение при ходьбе с бокового обзора с использованием беговой дорожки, включая реконструкцию цикла шагов и измерение угловых вариаций каждого сустава ног 4,20,21. Несмотря на то, что этот подход может быть чрезвычайно информативным6, он по-прежнему ориентирован на определенный набор конечностей и не имеет дополнительных особенностей походки, таких как координация.
Чтобы восполнить эти пробелы, Хамерс и его коллеги разработали количественный тест на основе оптического сенсорного датчика с использованием фрустрированного полного внутреннего отражения (fTIR)22. В этом методе свет распространяется через стекло через внутреннее отражение, рассеивается при нажатии на лапу и, наконец, улавливается высокоскоростной камерой. Совсем недавно была выпущена версия этого метода с открытым исходным кодом, называемая MouseWalker, и этот подход сочетает в себе проход fTIR с пакетом программного обеспечения для отслеживания и количественной оценки23. Используя этот метод, пользователь может извлечь большой набор количественных параметров, включая шаги, пространственные и походочные паттерны, позиционирование следа и координацию передних и задних конечностей, а также визуальные выходы, такие как паттерны следа (имитирующие анализ чернильной лапы6) или фазы стойки относительно оси тела. Важно отметить, что из-за его природы с открытым исходным кодом новые параметры могут быть извлечены путем обновления пакета сценариев MATLAB.
Здесь обновлена ранее опубликованная сборка системы MouseWalker23 . Предоставляется описание того, как его настроить, со всеми шагами, необходимыми для достижения наилучшего качества видео, условий отслеживания и получения параметров. Также используются дополнительные инструменты постколичественной оценки для улучшения анализа выходного набора данных MouseWalker (MW). Наконец, полезность этого инструмента демонстрируется получением количественных значений общих двигательных характеристик, в частности циклов шагов и координации передних и задних конечностей, в контексте травмы спинного мозга (ТСМ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь потенциал метода MouseWalker демонстрируется анализом локомоторного поведения после ТСМ. Он дает новое представление о конкретных изменениях в шагах, посадочной площади и паттернах походки, которые в противном случае были бы пропущены другими стандартными тестами. В дополнение к пре…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Лауру Такер и Наташу Лонкаревич за их комментарии к рукописи и поддержку, оказанную Центром грызунов Института молекулярной медицины Жуана Лобо Антунеша. Авторы выражают благодарность Prémios Santa Casa Neurociências – Премия Мело и Кастро за исследования травм спинного мозга (MC-36/2020) Лос-Анджелесу и К.С.М. Эта работа была поддержана Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) (PTDC/BIA-COM/0151/2020), iNOVA4Health (UIDB/04462/2020 и UIDP/04462/2020) и LS4FUTURE (LA/P/0087/2020) с C.S.M. L.S. была поддержана контрактом с индивидуальным главным исследователем CEEC (2021.02253.CEECIND). A.F.I. был поддержан докторской стипендией FCT (2020.08168.BD). A.M.M. был поддержан докторской стипендией FCT (PD/BD/128445/2017). I.M. был поддержан постдокторской стипендией FCT (SFRH / BPD / 118051/2016). D.N.S. был поддержан докторской стипендией FCT (SFRH / BD / 138636/2018).
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 |
Riferimenti
- Frigon, A. The neural control of interlimb coordination during mammalian locomotion. Journal of Neurophysiology. 117 (6), 2224-2241 (2017).
- Grillner, S. Biological pattern generation: The cellular and computational logic of networks in motion. Neuron. 52 (5), 751-766 (2006).
- Dominici, N., et al. locomotor primitives in newborn babies and their development. Science. 334 (6058), 997-999 (2011).
- Courtine, G., et al. Kinematic and EMG determinants in quadrupedal locomotion of a non-human primate (Rhesus). Journal of Neurophysiology. 93 (6), 3127-3145 (2005).
- Clarac, F., Cattaert, D., le Ray, D. Central control components of a ‘simple’ stretch reflex. Trends Neuroscience. 23 (5), 199-208 (2000).
- Squair, J. W., Gautier, M., Sofroniew, M. V., Courtine, G., Anderson, M. A. Engineering spinal cord repair. Current Opinion in Biotechnology. 72, 48-53 (2021).
- Wenger, N., et al. Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury. Nature Medicine. 22 (2), 138-145 (2016).
- Grillner, S. The spinal locomotor CPG: A target after spinal cord injury. Progress in Brain Research. 137, 97-108 (2002).
- Boulain, M., et al. Synergistic interaction between sensory inputs and propriospinal signalling underlying quadrupedal locomotion. Journal of Physiology. 599 (19), 4477-4496 (2021).
- Skarlatou, S., et al. Afadin signaling at the spinal neuroepithelium regulates central canal formation and gait selection. Cell Reports. 31 (10), 107741 (2020).
- Viala, D., Vidal, C. Evidence for distinct spinal locomotion generators supplying respectively fore-and hindlimbs in the rabbit. Brain Research. 155 (1), 182-186 (1978).
- Silver, J., Miller, J. H. Regeneration beyond the glial scar. Nature Reviews Neuroscience. 5 (2), 146-156 (2004).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Basso, D. M., et al. Basso mouse scale for locomotion detects differences in recovery after spinal cord injury in five common mouse strains. Journal of Neurotrauma. 23 (5), 635-659 (2006).
- Jones, B. J., Roberts, D. J. The quantitative measurement of motor inco-ordination in naive mice using an accelerating rotarod. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 20 (4), 302-304 (1968).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: A scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: A new task to evaluate fore-and hindlimb stepping, placing, and coordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
- Wallace, J. E., Krauter, E. E., Campbell, B. A. Motor and reflexive behavior in the aging rat. Journal of Gerontology. 35 (3), 364-370 (1980).
- Carter, R. J., et al. Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington’s disease mutation. The Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).
- Leblond, H., L’espérance, M., Orsal, D., Rossignol, S. Behavioral/systems/cognitive treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. The Journal of Neuroscience. 23 (36), 11411-11419 (2003).
- Courtine, G., et al. Recovery of supraspinal control of stepping via indirect propriospinal relay connections after spinal cord injury. Nature Medicine. 14 (1), 69-74 (2008).
- Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13 (1), 50 (2015).
- Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Stauch, K. L., et al. Applying the ratwalker system for gait analysis in a genetic rat model of Parkinson’s disease. Journal of Visualized Experiments. (167), e62002 (2021).
- Mendes, C. S., Rajendren, S. V., Bartos, I., Márka, S., Mann, R. S. Kinematic responses to changes in walking orientation and gravitational load in Drosophila melanogaster. PLoS One. 9 (10), e109204 (2014).
- Cabrita, A., et al. Motor dysfunction in Drosophila melanogaster as a biomarker for developmental neurotoxicity. iScience. 25 (7), 104541 (2022).
- Bishop, C. M. . Pattern Recognition and Machine Learning. , (2006).
- vander Maaten, L., Postma, E., vanden Herik, J. . Dimensionality reduction: A comparative review. , (2009).
- Courtine, G., et al. Performance of locomotion and foot grasping following a unilateral thoracic corticospinal tract lesion in monkeys (Macaca mulatta). Brain. 128 (10), 2338-2358 (2005).
- Drew, T., Jiang, W., Kably, B., Lavoie, S. Role of the motor cortex in the control of visually triggered gait modifications. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 74 (4), 426-442 (1996).
- Cheng, H., et al. Gait analysis of adult paraplegic rats after spinal cord repair. Experimental Neurology. 148 (2), 544-557 (1997).
- Thibaudier, Y., et al. Interlimb coordination during tied-belt and transverse split-belt locomotion before and after an incomplete spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 34 (9), 1751-1765 (2017).
- Bellardita, C., Kiehn, O. Phenotypic characterization of speed-associated gait changes in mice reveals modular organization of locomotor networks. Current Biology. 25 (11), 1426-1436 (2015).
- Machado, A. S., Marques, H. G., Duarte, D. F., Darmohray, D. M., Carey, M. R. Shared and specific signatures of locomotor ataxia in mutant mice. eLife. 9, 55356 (2020).
- Takeoka, A., Vollenweider, I., Courtine, G., Arber, S. Muscle spindle feedback directs locomotor recovery and circuit reorganization after spinal cord injury. Cell. 159 (7), 1626-1639 (2014).
