استخدام MouseWalker لتحديد الخلل الحركي في نموذج فأر لإصابة الحبل الشوكي
Summary
يتم توفير خط أنابيب تجريبي لوصف النمط الحركي للفئران التي تمشي بحرية باستخدام صندوق أدوات MouseWalker (MW) ، بدءا من تسجيلات الفيديو الأولية والتتبع إلى التحليل الكمي اللاحق. يتم استخدام نموذج إصابة كدمة الحبل الشوكي في الفئران لإثبات فائدة نظام MW.
Abstract
يعتمد تنفيذ البرامج الحركية المعقدة والمنسقة للغاية ، مثل المشي والجري ، على التنشيط الإيقاعي للدوائر الشوكية وفوق الشوكية. بعد إصابة الحبل الشوكي الصدري ، يكون الاتصال بالدوائر الأولية ضعيفا. وهذا بدوره يؤدي إلى فقدان التنسيق ، مع إمكانية استرداد محدودة. وبالتالي ، لتقييم درجة الشفاء بشكل أفضل بعد تناول الأدوية أو العلاجات ، هناك حاجة إلى أدوات جديدة أكثر تفصيلا ودقة لتحديد المشي وتنسيق الأطراف والجوانب الدقيقة الأخرى للسلوك الحركي في النماذج الحيوانية لإصابة الحبل الشوكي. تم تطوير العديد من المقايسات على مر السنين لتقييم سلوك المشي الحر في القوارض كميا. ومع ذلك ، فإنها عادة ما تفتقر إلى القياسات المباشرة المتعلقة باستراتيجيات المشي التدريجي وأنماط البصمة والتنسيق. لمعالجة أوجه القصور هذه ، يتم توفير نسخة محدثة من MouseWalker ، والتي تجمع بين ممر الانعكاس الداخلي الكلي المحبط (fTIR) مع برنامج التتبع والقياس الكمي. تم تكييف هذا النظام مفتوح المصدر لاستخراج العديد من المخرجات الرسومية والمعلمات الحركية ، ويمكن أن تكون مجموعة من أدوات ما بعد القياس الكمي لتحليل بيانات المخرجات المقدمة. توضح هذه المخطوطة أيضا كيف تصف هذه الطريقة ، المتحالفة مع الاختبارات السلوكية المحددة بالفعل ، كميا، العجز الحركي بعد إصابة الحبل الشوكي.
Introduction
التنسيق الفعال لأربعة أطراف ليس فريدا للحيوانات الرباعية. يظل التنسيق بين الأطراف الأمامية والخلفية في البشر مهما لإنجاز العديد من المهام ، مثل السباحة وتغيرات السرعة أثناء المشي1. يتم الحفاظ على مختلف الأطرافالحركية 2 والبرنامج الحركي1،3،4 ، وكذلك دوائر التغذية المرتدة الحس العميق5 ، بين البشر والثدييات الأخرى ويجب أخذها في الاعتبار عند تحليل الخيارات العلاجية للاضطرابات الحركية ، مثل إصابة الحبل الشوكي (SCI)6،7،8.
من أجل المشي ، يجب توصيل العديد من وصلات العمود الفقري من الأطراف الأمامية والخلفية بشكل صحيح وتنشيطها بشكل إيقاعي ، الأمر الذي يتطلب مدخلات من الدماغ وردود فعل من النظام الحسي الجسدي2،9،10. تبلغ هذه الوصلات ذروتها في مولدات النمط المركزي (CPGs) ، والتي تقع على مستوى عنق الرحم وأسفل الظهر للأطراف الأمامية والخلفية ، على التوالي1،9،10. في كثير من الأحيان ، بعد اصابات النخاع الشوكي ، يحد انقطاع الاتصال العصبي وتشكيل ندبة دبقية مثبطة12 من استعادة الوظيفة الحركية ، مع اختلاف النتائج من الشلل التام إلى الوظيفة المقيدة لمجموعة من الأطراف اعتمادا على شدة الإصابة. تعد أدوات القياس الكمي للوظيفة الحركية بدقة بعد اصابات النخاع الشوكي ضرورية لمراقبة التعافي وتقييم آثار العلاجات أو التدخلات السريرية الأخرى6.
المقايسة المترية القياسية لنماذج كدمة الماوس ل SCI هي مقياس باسو للماوس (BMS) 13,14 ، وهي درجة غير بارامترية تأخذ في الاعتبار استقرار الجذع ، وموضع الذيل ، والخطوة الأخمصية ، والتنسيق بين الأطراف الأمامية والخلفية في ساحة المجال المفتوح. على الرغم من أن BMS موثوق للغاية في معظم الحالات ، إلا أنه يتطلب اثنين على الأقل من المقيمين ذوي الخبرة لمراقبة جميع زوايا حركة الحيوانات من أجل حساب التباين الطبيعي وتقليل التحيز.
كما تم تطوير فحوصات أخرى لتقييم الأداء الحركي بعد اصابات النخاع الشوكي كميا. وتشمل هذه اختبار الروتارود ، الذي يقيس الوقت المستغرق في أسطوانة دوارة15 ؛ السلم الأفقي ، الذي يقيس عدد السور المفقود والاستيلاء على السلم الإيجابي16,17 ؛ واختبار المشي بالشعاع ، الذي يقيس الوقت الذي يستغرقه الحيوان وعدد حالات الفشل التي يرتكبها عند عبور شعاع ضيق18. على الرغم من أنها تعكس مزيجا من العجز الحركي ، إلا أن أيا من هذه الاختبارات لا تنتج معلومات حركية مباشرة حول التنسيق بين الأطراف الأمامية والخلفية.
لتحليل سلوك المشي بشكل محدد وأكثر شمولا ، تم تطوير فحوصات أخرى لإعادة بناء دورات الخطوة واستراتيجيات المشي. أحد الأمثلة على ذلك هو اختبار البصمة ، حيث ترسم الكفوف المحبرة لحيوان نمطا على ورقة بيضاء19. على الرغم من بساطة تنفيذه ، إلا أن استخراج المعلمات الحركية مثل طول الخطوة أمر مرهق وغير دقيق. وعلاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى بارامترات دينامية، مثل مدة دورة الخطوة أو التنسيق المحدد بتوقيت الساق، يحد من تطبيقاتها؛ في الواقع ، لا يمكن الحصول على هذه المعلمات الديناميكية إلا من خلال تحليل مقاطع الفيديو إطارا تلو الآخر للقوارض التي تمشي عبر سطح شفاف. بالنسبة لدراسات اصابات النخاع الشوكي ، قام الباحثون بتحليل سلوك المشي من وجهة نظر جانبية باستخدام جهاز المشي ، بما في ذلك إعادة بناء دورة الخطوة وقياس الاختلافات الزاوية لكل مفصل ساق4،20،21. على الرغم من أن هذا النهج يمكن أن يكون مفيدا للغاية6 ، إلا أنه يظل يركز على مجموعة محددة من الأطراف ويفتقر إلى ميزات المشي الإضافية ، مثل التنسيق.
لسد هذه الفجوات، طور هامرز وزملاؤه اختبارا كميا يعتمد على مستشعر اللمس البصري باستخدام الانعكاس الداخلي الكلي المحبط (fTIR)22. في هذه الطريقة ، ينتشر الضوء عبر الزجاج عبر الانعكاس الداخلي ، وينتشر عند الضغط على المخلب ، وأخيرا ، يتم التقاطه بواسطة كاميرا عالية السرعة. في الآونة الأخيرة ، تم توفير نسخة مفتوحة المصدر من هذه الطريقة ، تسمى MouseWalker ، ويجمع هذا النهج بين ممر fTIR وحزمة برامج التتبع والقياسالكمي 23. باستخدام هذه الطريقة ، يمكن للمستخدم استخراج مجموعة كبيرة من المعلمات الكمية ، بما في ذلك أنماط الخطوة والمكانية والمشي ، وتحديد موضع البصمة ، والتنسيق بين الأطراف الأمامية والخلفية ، بالإضافة إلى المخرجات المرئية ، مثل أنماط البصمة (محاكاة مقايسة المخلبالمحبر 6) أو مراحل الوقوف بالنسبة لمحور الجسم. الأهم من ذلك ، نظرا لطبيعتها مفتوحة المصدر ، يمكن استخراج معلمات جديدة عن طريق تحديث حزمة البرنامج النصي MATLAB.
هنا ، يتم تحديث التجميع المنشور مسبقا لنظام MouseWalker23 . يتم توفير وصف لكيفية إعداده ، مع جميع الخطوات المطلوبة لتحقيق أفضل جودة للفيديو وظروف التتبع واكتساب المعلمات. كما تتم مشاركة أدوات إضافية لما بعد القياس الكمي لتعزيز تحليل مجموعة بيانات مخرجات MouseWalker (MW). أخيرا ، يتم توضيح فائدة هذه الأداة من خلال الحصول على قيم قابلة للقياس الكمي للأداء الحركي العام ، وتحديدا دورات الخطوة والتنسيق بين الأطراف الأمامية والخلفية ، في سياق إصابة الحبل الشوكي (SCI).
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا ، يتم توضيح إمكانات طريقة MouseWalker من خلال تحليل السلوك الحركي بعد اصابات النخاع الشوكي. يوفر رؤى جديدة حول تعديلات محددة في أنماط الخطوات والبصمة والمشي التي قد تفوتها الاختبارات القياسية الأخرى. بالإضافة إلى توفير إصدار محدث من حزمة MW ، يتم أيضا وصف أدوات تحليل البيانات باستخدام نصوص P…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفان لورا تاكر وناتاسا لونكاريفيتش على تعليقاتهما على المخطوطة والدعم الذي قدمه مرفق القوارض التابع لمعهد الطب الجزيئي جواو لوبو أنتونيس. يريد المؤلفون الاعتراف بالدعم المالي المقدم من Prémios Santa Casa Neurociências – جائزة Melo e Castro لأبحاث إصابات الحبل الشوكي (MC-36/2020) إلى L.S. و CSM تم دعم هذا العمل من قبل Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) (PTDC / BIA-COM / 0151/2020) ، iNOVA4Health (UIDB / 04462/2020 و UIDP / 04462/2020) ، و LS4FUTURE (LA / P / 0087/2020) إلى C.S.M. L.S. تم دعمه بعقد باحث رئيسي فردي من CEEC (2021.02253.CEECIND). تم دعم AFI من خلال زمالة الدكتوراه من FCT (2020.08168.BD). تم دعم A.M.M. من خلال زمالة الدكتوراه من FCT (PD / BD / 128445 / 2017). تم دعم IM من خلال زمالة ما بعد الدكتوراه من FCT (SFRH / BPD / 118051 / 2016). تم دعم D.N.S. من خلال زمالة الدكتوراه من 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 |
References
- 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).
