שימוש בהליכון עכבר לכימות תפקוד לקוי של מנוע עכבר במודל עכבר של פגיעה בחוט השדרה

Summary

צינור ניסיוני לתיאור כמותי של דפוס הלוקומוטור של עכברים ההולכים בחופשיות באמצעות ארגז הכלים MouseWalker (MW) מסופק, החל מהקלטות וידאו ראשוניות ומעקב ועד ניתוח לאחר כימות. מודל פגיעה בחוט השדרה בעכברים משמש כדי להדגים את התועלת של מערכת MW.

Abstract

ביצוע תוכניות מוטוריות מורכבות ומתואמות מאוד, כגון הליכה וריצה, תלוי בהפעלה קצבית של מעגלים בעמוד השדרה ובמעגלים העל-שדרתיים. לאחר פגיעה בעמוד השדרה החזי, התקשורת עם מעגלים במעלה הזרם נפגעת. זה, בתורו, מוביל לאובדן קואורדינציה, עם פוטנציאל התאוששות מוגבל. לפיכך, כדי להעריך טוב יותר את מידת ההחלמה לאחר מתן תרופות או טיפולים, יש צורך בכלים חדשים, מפורטים ומדויקים יותר לכימות הליכה, תיאום גפיים והיבטים עדינים אחרים של התנהגות מוטורית במודלים של בעלי חיים של פגיעה בחוט השדרה. במהלך השנים פותחו מספר בדיקות להערכה כמותית של התנהגות הליכה חופשית במכרסמים; עם זאת, הם בדרך כלל חסרים מדידות ישירות הקשורות לאסטרטגיות הליכה צעד, דפוסי טביעת רגל וקואורדינציה. כדי להתמודד עם חסרונות אלה, מסופקת גרסה מעודכנת של MouseWalker, המשלבת מסלול הליכה מתוסכל של השתקפות פנימית כוללת (fTIR) עם תוכנת מעקב וכימות. מערכת קוד פתוח זו הותאמה לחילוץ מספר פלטים גרפיים ופרמטרים קינמטיים, ומערכת של כלים לאחר כימות יכולה להיות לנתח את נתוני הפלט שסופקו. כתב יד זה גם מדגים כיצד שיטה זו, בשילוב עם מבחנים התנהגותיים שכבר נקבעו, מתארת כמותית ליקויים מוטוריים בעקבות פגיעה בחוט השדרה.

Introduction

התיאום היעיל של ארבע גפיים אינו ייחודי לבעלי חיים מרובעים. תיאום פורלימב-גפיים אחוריות בבני אדם נותר חשוב לביצוע מספר משימות, כגון שחייה ושינויים במהירות תוך כדי הליכה¹. קינמטי^{גפיים שונים 2} ותוכנית מוטורית ^1,3,4, כמו גם מעגלי משוב פרופריוצפטיביים⁵, נשמרים בין בני אדם ליונקים אחרים ויש לשקול אותם בעת ניתוח אפשרויות טיפוליות להפרעות מוטוריות, כגון פגיעה בחוט השדרה (SCI)^6,7,8.

על מנת ללכת....

Protocol

כל הליכי הטיפול, הניתוח והטיפול שלאחר הניתוח אושרו על ידי הוועדה הפנימית המולקולרית של המכון הרפואי (ORBEA) וועדת האתיקה הפורטוגזית לבעלי חיים (DGAV) בהתאם להנחיות הקהילה האירופית (הנחיה 2010/63/EU) והחוק הפורטוגלי לטיפול בבעלי חיים (DL 113/2013) תחת רישיון 0421/000/000/2022. נקבות עכברי C57Bl/6J בנות 9 שבועות שימשו במחקר הנוכחי. כל המאמצים נעשו כדי למזער את מספר בעלי החיים ולהפחית את סבלם של בעלי החיים ששימשו במחקר. סקריפט MATLAB והגרסה העצמאית של תוכנת MW הם קוד פתוח וזמינים ב- GitHub
מאגר (https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker). בעוד שתוכנת MW פותחה ב-MATLAB R2012b, היא הותאמה לפעול ב-....

תוצאות

מערכת BMS סטנדרטית מתארת את הגירעונות המוטוריים ברוטו לאחר SCI¹⁴. בשל אופיו הסובייקטיבי, בדיקות כמותיות אחרות מבוצעות בדרך כלל לצד BMS כדי לייצר הערכה מפורטת ועדינה יותר של תנועה. עם זאת, בדיקות אלה אינן מראות מידע ספציפי על מחזורי צעדים, דפוסי דריכה ותיאום בין הגפיים הקדמיות לגפיי.......

Discussion

כאן, הפוטנציאל של שיטת MouseWalker מודגם על ידי ניתוח התנהגות לוקומוטורית לאחר SCI. הוא מספק תובנות חדשות לגבי שינויים ספציפיים בדפוסי דריכה, טביעת רגל והליכה שאחרת היו מתפספסים במבחנים סטנדרטיים אחרים. בנוסף לאספקת גרסה מעודכנת של חבילת MW, כלי ניתוח נתונים מתוארים גם באמצעות סקריפטים Python שסופק?.......

Materials

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