MouseWalker를 사용하여 척수 손상 마우스 모델에서 운동 기능 장애 정량화

요약

마우스워커(MW) 툴박스를 사용하여 자유롭게 걷는 쥐의 운동 패턴을 정량적으로 설명하는 실험 파이프라인이 제공되며, 초기 비디오 녹화 및 추적에서 정량화 후 분석에 이르기까지 다양합니다. 생쥐의 척수 타박상 손상 모델은 MW 시스템의 유용성을 입증하기 위해 사용됩니다.

초록

걷기 및 달리기와 같은 복잡하고 고도로 조정 된 운동 프로그램의 실행은 척추 및 척추 상 회로의 리드미컬 한 활성화에 달려 있습니다. 흉부 척수 손상 후 업스트림 회로와의 통신이 손상됩니다. 이는 결국 조정 상실로 이어지고 회복 가능성이 제한됩니다. 따라서 약물이나 치료법 투여 후 회복 정도를 더 잘 평가하기 위해서는 척수 손상 동물 모델에서 보행, 사지 협응 및 기타 운동 행동의 미세한 측면을 정량화할 수 있는 새롭고 보다 상세하며 정확한 도구가 필요합니다. 설치류의 자유 보행 행동을 정량적으로 평가하기 위해 수년에 걸쳐 여러 분석법이 개발되었습니다. 그러나 일반적으로 보행 전략, 발자국 패턴 및 조정과 관련된 직접적인 측정이 부족합니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 fTIR(Frustrated Total Internal Reflection) 통로와 추적 및 정량화 소프트웨어를 결합한 업데이트된 버전의 MouseWalker가 제공됩니다. 이 오픈 소스 시스템은 여러 그래픽 출력과 운동학적 매개변수를 추출하도록 조정되었으며 정량화 후 도구 세트는 제공된 출력 데이터를 분석할 수 있습니다. 이 원고는 또한 이미 확립된 행동 테스트와 결합된 이 방법이 척수 손상 후 운동 결손을 정량적으로 설명하는 방법을 보여줍니다.

서문

네 팔다리의 효과적인 조정은 네 발 달린 동물에만 국한된 것이 아닙니다. 인간의 앞다리-뒷다리 협응력은 수영 및 걷는 동안 속도 변경과 같은 여러 작업을 수행하는 데 여전히 중요합니다¹. 고유 수용성 피드백 회로(proprioceptive feedback circuit)5 뿐만 아니라, 다양한 사지 운동학(limb kinematic)² 및^{운동 프로그램(}motor program)^1,3,4은 인간과 다른 포유류 사이에서 보존되며, 척수 손상^(SCI)6,7,8 과 같은 운동 장애에 대한 치료 옵션을 분석할 때 고려되어야 한다.

걷기 위해서는 앞다리와 뒷다리의 여러 척추 연결이 적절하게 연결되고 리드미컬하게 활성화되어야 하며, 이를 위해서는 뇌의 입력과 체성 감각 시스템의 피드백이 필요합니다....

프로토콜

모든 취급, 수술 및 수술 후 관리 절차는 라이선스 0421/000/000/2022에 따라 유럽 공동체 지침(지침 2010/63/EU) 및 동물 관리에 관한 포르투갈 법률(DL 113/2013)에 따라 Instituto de Medicina 분자 내부 위원회(ORBEA) 및 포르투갈 동물 윤리 위원회(DGAV)의 승인을 받았습니다. 9주령의 암컷 C57Bl/6J 마우스를 본 연구에 사용하였다. 동물의 수를 최소화하고 연구에 사용된 동물의 고통을 줄이기 위해 모든 노력을 기울였습니다. MATLAB 스크립트와 MW 소프트웨어의 독립 실행형 버전은 오픈 소스이며 GitHub에서 사용할 수 있습니다.
리포지토리(https://github.com/NeurogeneLocomotion/MouseWalker). MW 소프트웨어는 MATLAB R2012b에서 개발되었지만 MATLAB R2022b에서 실행되도록 조정되었습니다. 그림 1 은 MW의 분석 워크플로를 보여줍니다.

1. 마우스워커(MW) 장치 설정

1. 앞서 설명한 대로 MW 장치를 조....

토론

여기에서 MouseWalker 방법의 잠재력은 SCI 후 운동 행동을 분석하여 입증됩니다. 다른 표준 테스트에서는 놓칠 수 있는 걸음 걸기, 발자국 및 보행 패턴의 특정 변경에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. MW 패키지의 업데이트된 버전을 제공하는 것 외에도 제공된 Python 스크립트를 사용하여 데이터 분석 도구에 대해 설명합니다(5단계 참조).

MW가 대규모 데이터 세트와 고차원 운동.......

자료

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