使用MouseWalker量化脊髓损伤小鼠模型中的运动功能障碍

摘要

提供了一个实验管道，用于使用MouseWalker（MW）工具箱定量描述自由行走的小鼠的运动模式，范围从初始视频记录和跟踪到定量后分析。使用小鼠脊髓挫伤损伤模型来证明MW系统的有用性。

摘要

复杂且高度协调的运动程序（例如步行和跑步）的执行取决于脊柱和脊髓上回路的节律激活。胸椎脊髓损伤后，与上游回路的通信受损。这反过来又导致协调的丧失，恢复潜力有限。因此，为了更好地评估给予药物或治疗后的恢复程度，有必要使用新的、更详细和准确的工具来量化脊髓损伤动物模型中步态、肢体协调和其他运动行为的精细方面。多年来，已经开发了几种测定方法来定量评估啮齿动物的自由行走行为;然而，它们通常缺乏与步进步态策略、足迹模式和协调相关的直接测量。为了解决这些缺点，提供了MouseWalker的更新版本，它将受挫的全内反射（fTIR）走道与跟踪和量化软件相结合。这个开源系统已经适应于提取几个图形输出和运动学参数，并且一组后量化工具可以分析提供的输出数据。这份手稿还展示了这种方法如何与已经建立的行为测试相结合，定量描述脊髓损伤后的运动缺陷。

引言

四肢的有效协调并非四足动物所独有。人类的前肢-后肢协调对于完成多项任务仍然很重要，例如游泳和行走时的速度改变¹.各种肢体运动学² 和运动程序¹，³，⁴ 以及本体感觉反馈回路⁵ 在人类和其他哺乳动物之间是保守的，在分析运动障碍（例如脊髓损伤 （SCI）6，^7，8）的治疗方案时应考虑这些选择。

为了行走，来自前肢和后肢的几个脊柱连接需要正确连接和有节奏地激活，这需要来自大脑的输入和来自体感系统的反馈²，^9，10。这些连接在中央模式发生器（CPG）中达到顶峰，它们分别位于前肢和后肢的颈椎和腰椎水平1，^9<....

研究方案

所有处理、手术和术后护理程序均由医学研究所分子内部委员会 （ORBEA） 和葡萄牙动物伦理委员会 （DGAV） 根据欧洲共同体指南（指令 2010/63/EU）和葡萄牙动物护理法 （DL 113/2013） 批准，许可证为 0421/000/000/2022。本研究使用9周龄的雌性C57Bl / 6J小鼠。尽一切努力尽量减少动物的数量并减少研究中使用的动物的痛苦。MATLAB脚本和MW软件的独立版本是开源的，可在GitHub上获得。
存储库 （https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker）。虽然MW软件是在MATLAB R2012b中开发的，但它已经适应在MATLAB R2022b中运行。 图1 显示了MW的分析工作流程。

1. 设置鼠标步行者 （MW） 设备

1. 如前所述组装MW装置²³，或适应实验设计的特定需求（有关设置的更多详细信息，请参见 材料表 和 补充图1 ）。
   注意：步行竞技场可以做得更宽，以容纳更大的动物，如老鼠。

讨论

在这里，通过分析SCI后的运动行为来证明MouseWalker方法的潜力。它为步进、足迹和步态模式的特定变化提供了新的见解，否则其他标准测试会错过这些变化。除了提供 MW 包的更新版本外，还使用提供的 Python 脚本描述了数据分析工具（请参阅步骤 5）。

由于MW生成了一个大型数据集和反映高维运动过程的运动学参数集合，因此采用了PCA;事实上，PCA已被广泛用于其他运动学数据?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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