Biz yeni bir yürüyüş analiz sistemi, Pati-Baskı Analizi Kontrast-Gelişmiş Kayıtların (PrAnCER), otomatik olarak yeni bir yarı saydam zemin kullanan sıçanlarda yürüyüş özelliklerinin sayısallaştırılması için bir açık erişimotomatik sistem açıklar yürüyüş miktarını ölçün. Bu sistem Parkinson Hastalığı haloperidol modeli kullanılarak doğrulandı.
Yürüyüş analizi, birçok kemirgen hastalığı modelinde motor fonksiyondaki değişiklikleri ölçmek için kullanılır. Araştırma birçok alanda yürüyüş ve motor fonksiyonu değerlendirmenin önemine rağmen, mevcut ticari seçenekler yüksek maliyet ve erişilebilir, açık kod eksikliği gibi çeşitli sınırlamalar vardır. Bu sorunları gidermek için, yürüyüş otomatik olarak niceleme için PrAnCER, Pati-Baskı Kontrast-Gelişmiş Kayıtların Analizini geliştirdik. Kontrastı artırılmış kayıtlar, yüzeyle temas halinde olmayan nesneleri gizleyen yarı saydam bir zemin kullanılarak üretilir ve yürürken farenin pençe izlerini etkin bir şekilde izole eder. Bu videoları kullanarak, bizim basit yazılım programı güvenilir spatiotemporal yürüyüş parametreleri çeşitli ölçer. PrAnCER’ın motor fonksiyondaki değişiklikleri doğru bir şekilde tespit edebildiğimizi göstermek için Parkinson hastalığının haloperidol modelini (PH) çalıştırdık. Sıçanları iki doz haloperidol ile test ettik: yüksek doz (0.30 mg/kg) ve düşük doz (0.15 mg/kg). Haloperidol önemli ölçüde düşük doz durumda duruş süresi ve arka pençe temas alanı arttı, bir PD modelinde beklendiği gibi. Yüksek doz durumunda, temas alanında benzer bir artış değil, aynı zamanda adım uzunluğu beklenmedik bir artış bulundu. Daha fazla araştırma ile, bu artan adım uzunluğu yaygın haloperidol yüksek dozlarda gözlenen destekleyici-kaçış fenomeni ile tutarlı olduğunu bulundu. Böylece PrAnCER, kemirgen yürüyüş desenlerinde hem beklenen hem de beklenmeyen değişiklikleri tespit edebildi. Ayrıca, PrAnCER’ın yürüyüş parametrelerinin manuel skorlama ile karşılaştırıldığında tutarlı ve doğru olduğunu doğruladık.
Kemirgenler yaygın artrit1dahil olmak üzere hastalık ve yaralanmaların geniş bir yelpazede çalışma modelleri olarak kullanılır 1 , Parkinson Hastalığı (PD)2,3, nöromüsküler bozukluklar4,5, hidrosefali6 , ve omurilik yaralanması7. Bu koşullarda, ağrı, denge ve motor fonksiyon gibi belirtiler hayvanların yürüyüş desenleri incelenerek ölçülebilir. Bu desenler, pati izlerinin yerini ve zamanlamasını ve yerdeki pençe temas alanını özetleyen bir dizi spatiotemporal yürüyüş parametresi kullanılarak ölçülür.
Yürüyüş analizi için birçok seçenek mevcut olsa da, geçerli sistemlerin çeşitli dezavantajları vardır. Geleneksel mürekkep ve kağıt testlerinde, bir hayvanın pençeleri bir beyaz kağıt tabakasında yürümeden önce mürekkeple kaplanır (Şekil 1A). Ortaya çıkan pençe baskıları daha sonra adım uzunluğu ve duruş genişliği için ölçülebilir, ancak hız veya adım süresi gibi anahtar zamansal yürüyüş parametreleri değerlendirilemez. Modern video tabanlı sistemler daha güvenilirdir, ancak uygun bir otomatik sistem kullanılmadığı sürecevideo analizi zahmetli kare kare puanlama gerektirir 8. Şu anda mevcut olan birçok ticari otomatik puanlama sistemi vardır, ancak bu sistemler son derece pahalı olabilir. Ayrıca, bu sistemler net döşeme veya bazı durumlarda, koşu bandı, her ikisi de doğal hareketi değiştirmek güveniyor. Koşu bantları bazı hastalık modellerinde motor açıkları maske gösterilmiştir9, net döşeme ise (Şekil 1B) fareler açık bir alanın çevresinde daha fazla zaman harcamak neden olur, artan anksiyete gösteren10. İdeal olarak, bir yürüyüş analiz cihazı hayvan için en az stres ile en doğal hareket desenleri üreten, ya güvenmek olmaz.
Mevcut açık kaynak ve ticari seçenekler, değişken ışık koşullarına, hayvan rengine ve baskı şekillerine rağmen hayvanın vücudundan bir ayak izini yalıtma nın zorluğunun üstesinden gelmek için çeşitli yöntemler kullanır. Bazı basınç7yanıt olarak ışık serbest yüzeyleri kullanarak pençeleri temas kontrast geliştirmek,11,12, ama bu pahalı ve teknik olarak inşa etmek zordur. Diğer sistemler tüm vücut koordinasyonu gözlem izin birden fazla görüş açıları kullanmak8,13. Bu seçenekler yürüyüş ötesinde ek motor parametreleri ölçmek için avantajlar sunarken, basit yürüyüş analizi için gereksiz yere karmaşıktır. Ayrıca, tüm bu teknikler doğal davranışı değiştiren net döşeme, güveniyor.
PrAnCER, baskıların algılanmasını geliştirmek için aydınlatma ve yarı saydam bir zeminin birleşimini kullanan Kontrastlı Gelişmiş Kayıtlar dediğimiz şeye dayanmaktadır. Aşağıdan bakıldığında, bu yüzeyle temas olmayan nesnelerin (hayvanın vücudu) görünümünü gizlerken yüksek kontrastlı bir görüntü (pençe izi) oluşturur (Şekil 1D). Yukarıdan bakıldığında, zemin opak görünür. Yöntemimizde pençelerin belirginliği, yeni geliştirilen otomatik sistemimiz tarafından çeşitli yürüyüş ve lokomotor özelliklerin doğru tanımlanmasına izin verir. Bu çalışmada, cihazı, yürüyüş analiz protokolümüzü ve otomatik puanlama sistemimiz PrAnCER’ı tanımlıyoruz. Cihazlarımız kolayca monte edilir ve PrAnCER çok çeşitli hastalık ve yaralanma modellerinde motor açıklarını değerlendirmek için kullanılabilir.
PrAnCER anormal yürüyüş desenleri tespit etmek için kullanılabilir göstermek için, biz PD bir haloperidol modeli, lokomotor değişikliklerin geçici indüksiyon için basit bir model kullanılır14. Haloperidol yaygın bir antipsikotik olarak kullanılan bir dopamin reseptör antagonistolduğunu 1. Bu striatum dopamin sinyali değiştirerek motor sistemleri etkiler, bazal gangliyon motor yolunun önemli bir bileşeni14. Haloperidol bile tek bir doz hızla striatum ekstrasellüler dopamin düzeylerini azaltır, Parkinson benzeri motor defecits neden15. Davranışsal etkileri kas sertliği, akinesia, ve catalepsy, alışılmadık bir pozisyonda yerleştirildikten sonra normal bir duruş dönmek için bir yetersizlik olarak tanımlanır11,16. Haloperidol’un akut dozları motor fonksiyonunun rotarod testinde tanımlanabilir lokomotor açıklara neden olur17. Haloperidol aracılı lokomotor bozuklukların otomatik yürüyüş analizine erişilebilen bir dizi özellikte de belirgin olacağını gerekçelendik.
Haloperidol’a verilen tepkiler çalışmalarda büyük farklılıklar gösterse de haloperidol’un kattaleptik etkileri 0.5 mg/kg ve üzeri dozlarda ortaya çıkarken, düşük dozlarda azalma duyarlılığı ve motor bozukluğu saptanabilir (0.1 – 0.3 mg/kg)16, 17– Haloperidol’un cataleptik etkilerinden kaçınmak amacıyla iki doz haloperidol’u test etmeye karar verdik: yüksek doz (0.30 mg/kg) ve düşük doz (0.15 mg/kg). Tablo1’de gösterildiği gibi, Deney 1 yüksek doz haloperidol’un etkilerini incelerken, Deney 2 düşük doz haloperidol’un etkilerini test etti. Biz her sıçan yüksek doz, düşük doz ve kontrol (tuzlu) koşullarda test edildi bir iç konu tasarımı kullanılır. Durum sırası fareler arasında dengelendi. Haloperidol’un akut uygulamasının, hız azalması, azalmış adım uzunluğu ve daha uzun duruş süresi3,14,18 gibi ph’ın diğer modellerinde bulunanlara benzer yürüyüş bozukluklarına neden olacağını öngörmüştük. ,19. Her iki dozda da haloperidol uygulaması sonrası akinezisi de dahil olmak üzere davranış değişiklikleri gözlemledik. Düşük doz durumunda, sıçanlar önemli ölçüde duruş süresi ve arka pençe temas alanı artmıştı, beklendiği gibi. Bu yürüyüş değişiklikleri PD hastaları arasında yaygın yavaş, karıştırmaadımları karşılaştırılabilir 2,20. Yüksek doz durumunda, ancak, biz adım uzunluğu bir artış yanı sıra pençe temas alanında bir artış gördüm. Adım uzunluğundaki artış beklenmeyen bir durum olsa da, literatürde yapılan daha fazla inceleme bunun haloperidol kaynaklı destekleyici kaçış yanıtının bir parçası olduğunu göstermiştir. PrAnCER’ın nöroleptik kullanımıyla tutarlı kemirgen yürüyüşündeki Parkinson benzeri değişiklikleri tespit edebildiği sonucuna varıyoruz.
Bu çalışmada, hayvanın vücudunu gizlemek ve basit otomatik algılama için net bir şekilde tanımlanmış pençe baskıları elde etmek için yarı saydam bir zemin kullanılarak üretilen kontrastlı gelişmiş videoları kullanan yeni bir otomatik yürüyüş analiz sistemi olan PrAnCER’ı test ettik. PrAnCER, pençe baskılarını doğru bir şekilde tanımlar ve motor işlevindeki değişikliklere karşı hassastır. Pd’nin akut haloperidol modelinde yürüyüş değişikliklerini değerlendirmek için PrAnCER kullandık. Haloperidol sağlam bir PH modelinin beklenen motor açıklarını tetiklemese de, PrAnCER’ın yürüyüş desenlerinde ki değişiklikleri doğru bir şekilde tespit edebildiğini gösterdik. Son olarak, PrAnCER’ın doğruluğunu ölçtük ve anahtar yürüyüş parametrelerinin ölçümünün manuel puanlama ile karşılaştırılabilir olduğunu gösterdik.
Haloperidol’un her iki tedavi koşulunda da, yüksek bir donma davranışı insidansı (akinezisi) ve ardından ileri doğru koşma nın veya sınırlamanın kaçış yanıtını gözlemledik. Akinesia benzer bir dozda gözlenmiştir iken (0.25 mg /kg) çeşitli çalışmalarda16,23, Bu sınırlayıcı davranış tipik Parkinson belirtileri ile tutarlı değildir3,14,19, 24. yıl. İlginçtir, biz yüksek doz haloperidol tedavisi önemli ölçüde artış adım uzunluğu ile sonuçlandı bulundu. PD diğer haloperidol modelleri adım uzunluğu3bir azalma göstermiştir çünkü bu bulgu başlangıçta şaşırtıcı oldu ,19. Ancak, de Ryck ve ark.’nın (1980) açıkladığı ve farelerin benzer dönemlerden sonra kaçmak için koştuklarını ve koşma ve bağlama gibi yüksek hızlı yürüyüşlerin artan adımlarla ilişkili olduğunu bildiren ‘destekleyici-kaçış’ davranış modeli ışığında anlamlıdırlar. uzunluk4,25 (Şekil 8C). Yüksek doz tedavi de önemli ölçüde arka pençeleri maksimum temas alanı artmış sonuçlandı. Düşük doz haloperidol tedavisi duruş süresi ve maksimum temas alanında önemli bir artış da dahil olmak üzere daha karakteristik PH yürüyüş değişiklikleri ile sonuçlandı (Şekil8A-B). Bu sonuçlar haloperidol kaynaklı akinesia ile ilişkili kas sertliğinin bir yansıması olabilir.
Alışılmadık destekleyici kaçış davranışına rağmen, PrAnCER’ın yürüyüşteki değişiklikleri gerçekten tespit edebildiğini gösterdik. Biz doğru aydınlatma koşullarında, yarı saydam bir zemin pençeleri son derece kontrastlı ve ayrıntılı bir görüntü üretebilir gösterdi. Bu çalışmada, şeffaf bir zemin vellum ile kaplayarak yarı saydam yaptı. Aynı etki, Mylar gibi başka bir yarı saydam kaplamanın şeffaf bir zeminüzerine yerleştirilmesiyle elde edilebilir. Alternatif olarak, zemin kendisi kullanarak yarı saydam olabilir, örneğin, buzlu pleksiglas. Yarı saydam zemin ve basit pleksiglas geçit ucuzdur ve öğleden sonra inşa edilebilir. Kenar algılama tabanlı analiz sistemimiz cihazdaki birçok değişikiğe dayanıklıdır ve sistemi farklı kurulumlara, hastalık modellerine veya fare gibi küçük hayvanlara uyarlamak için ayarlanabilir eşikler sunar.
Bazı yürüyüş parametresi analizleri, geçitin yönleri nedeniyle geleneksel formüllerden değiştirildi. Örneğin, hız hesaplama yöntemimiz diğer yürüyüş çalışmalarından farklıdır; LED aydınlatma ile birlikte yarı saydam zemin gövde nin görünümünü gizler, bu nedenle genellikle yapılır hızı hesaplamak için vücut konumunu izlemek mümkün değildir. Bu çalışmada hız, aynı pençenin iki kontağı arasında kat edilen mesafenin ilk temastan ikinci temasa bölünmesi yle hesaplanmıştır. Tabii ki, diğer formüller kullanılabilir. Örneğin, genel bir hız ölçüsü gerekiyorsa, koşunun başındaki ve sonundaki forepaw konumlarının ortalamasından, çalışma süresine göre mesafe bölünebilir.
Analizlerimiz, manuel skorlama ile aynı olmamakla birlikte, otomatik sistemimizin yüksek doğrulukla performans gösterdiğini ve güvenilir yürüyüş önlemleri ürettiğini doğrulamaktadır. Burada açıklanan cihaz, motor fonksiyonunun basit, düşük maliyetli analizi için optimize edildi. Ancak, PrAnCER kullanışlılığını genişletecek çeşitli değişiklikler yapılabilir. Sistemimizin bir sınırlaması, yarı saydam zeminin, mükemmel pençe tespitine izin verirken, hayvanların vücut eksenini gizlemesidir. Biz gerekli bulamadık rağmen, bu sisteme bir havai kamera ekleyerek ele alınabilir. Başka bir gelişme daha yüksek bir kare hızı ile bir video kamera kullanımı olacaktır. Zamansal parametrelerin tutarlı tahminlerini elde etmeyi başardık, ancak bu önlemlerin doğruluğu 100fps 8’in altındaki kare hızlarda tehlikeye atılabilir. Yüksek hızlı video kamera eklemek, zamansal önlemlerin doğruluğunu ve hassasiyetini artırırken analiz yazılımında hiçbir değişiklik gerektirmez. Ayrıca, diğer birçok yürüyüş sistemleri aynı anda sıçan2,8,13lateral ve ventral görünümleri kaydetmek için bir ayna kullanın. Bu özelliği niçin cihaza eklemek, koşular sırasında hızın daha doğru ölçülmesi ve davranışın daha iyi gözlemlenmesine izin verir.
Bu çalışmada, yarı saydam bir zeminin kullanılmasının, geçit zemini ile temas eden nesnelerin görünürlüğünü engelleyerek pençe izlerini etkili bir şekilde izole ettiğini gösterdik. Pençeleri doğru bir şekilde tanımlamak için bu yüksek kontrastlı pençe baskısından yararlanan otomatik bir puanlama sistemi geliştirdik. Bu sistemin, PrAnCER’ın, ticari sistemlerle karşılaştırılabilir bir doğrulukla, ölçülü yürüyüş parametrelerini ölçtektik. Yüksek dozda haloperidol uygulamasının tuzluya göre adım uzunluğu ve maksimum temas alanının arttığını belirledik. Bu değişiklik beklediğimizin tam tersi olmakla birlikte, mevcut literatürün daha fazla gözden geçirilmesi haloperidol’un akut uygulamasına yanıt olarak gözlenen kaçış davranışının bir parçası olduğunu göstermektedir. Düşük doz haloperidol tedavisi artmış duruş süresi ve maksimum temas alanı gibi daha tipik PH semptomları ile sonuçlandı. Akut yüksek doz haloperidol uygulamasının PH ile ilişkili yürüyüş bozukluklarını incelemek için kötü bir model olduğu sonucuna varırken, çalışmamız prancer’ın motor fonksiyondaki değişiklikleri doğru bir şekilde tespit etme yeteneğini göstermiştir. Gelecekte, diğer hastalık modellerindeki lokomotor değişiklikleri inceleyerek PrAnCER’ı daha da doğrulamayı umuyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Brown Üniversitesi’ndeki Carney Beyin Bilimi Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.
Gait Walkway Apparatus | |||
1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 1 piece cut to 3 1/2" W x 36" L; 2 pieces cut to 4 1/2" W x 36" L Note: We made our walkway 36" long based off of an exisiting plexiglass table we had in house, it could easily be made longer if desired. |
|
1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $10 4 pieces, cut to 1" W by 4" L These will be used to keep the tunnel in place |
|
10 series 80/20 framing pieces, 1" x 1" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1010-S | Approximate Price: $16 2 pieces cut to 36" L |
12V Flexible LED Strip Lights, 16.4ft/5m LED Light Strips, Daylight White | Amazon | Approximate Price: $10 | |
Bostik Blu-Tack Adhesive | Amazon | Approximate Price: $8 | |
Clearprint 1000H drafting vellum, 16 LB cotton fiber | Dick Blick Art Supplies | 11101-1046 | Approximate Price: $50 Cut to 4" W x 36" L Note: This particular vellum comes as a roll; we kept it on the roll and cut it to 4" W. Mylar or frosted plexiglass could also be used in place of the vellum, but the camera software detection settings would need to be adjusted. |
Logitech HD Pro Webcam C920, 1080p | Amazon | Approximate Price: $50 | |
Mobile Laptop Computer Desk Cart Height-Adjustable | Amazon | Approximate Price: $40 Small table to place the animals' home cage on at the end of the walkway. |
|
Plastic ramp | Pets Warehouse | Approximate Price: $6 Optional: Ramp to assist the animals descend into home cage |
|
RetiCAM Tabletop Tripod with 3-Way Pan/Tilt Head | Amazon | Approximate Price: $30 | |
SCIGRIP #16 solvent cement for acrylic – clear, medium bodied | Amazon | Approximate Price: $8 | |
Plexiglass table | Approximate Price: $ | ||
15 series 80/20 framing pieces, 1.5" x 1.5" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1515 | Approximate Price: $110 6 pieces cut to 36" L, 2 pieces cut to 12" With both ends tapped with standard 5/16-18 threads Framing for the plexiglass table top and table legs |
15 series 3 Way – Light Squared Corner Connector | 80/20 Inc. | 14177 | Approximate Price: $24 4 connectors To connect the table top and legs |
1/4" clear plexiglass sheet | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 Cut at 15" W x 39" L |
|
5/16-18 x 1" Button Head Socket Cap Screw | 80/20 Inc. | 3118 | Approximate Price: $5 Quantity = 12 |
Deluxe Leveling Feet, 5/16-18 x 2" | 80/20 Inc. | 2194 | Approximate Price: $50 Quantity = 4 For table legs |
“T” Handle Ball End Hex Wrench, 3/16" | 80/20 Inc. | 6000 | Approximate Price: $5 |