Name: paw-print analysis of contrast-enhanced recordings (prancer): a low-cost, open-access automated gait analysis system for assessing motor deficits
Uploaded: 2019-08-12T13:00:00
Duration: 6 min 25 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings PrAnCER: A Low-Cost, Open-Access Automated Gait Analysis System for Assessing Motor Deficits at JoVE.com

这项工作得到了布朗大学卡尼脑科学研究所的支持。

所有程序都符合布朗大学机构动物护理和使用委员会的指导方针。
1. 盖特分析装置
<ol><li>准备步态分析走道,包括放置在透明有机玻璃地板上的透明有机玻璃封闭走道(36" L x 3" W x 4.5" H)(图2A)。使有机玻璃地板半透明,用一块16LB棉纤维绘图牛皮剪到与走道相同的宽度。 注: 还有其他方法使地板半透明。</li>
	<li>将帧速率至少为每秒 30 帧 (fps) 的摄像机放在走道正下方,以捕捉轨道的中间位置(图 2B)。</li>
	<li>将带 12 个 V LED 灯与 18 个 LED/英尺(距离约 2 英寸)和 1 英寸以上的走道地面固定,以照亮轨道。</li>
</ol>2. 动物准备
<ol><li>让动物在处理前至少1周适应活体。在开始实验前至少处理大鼠5天。这项研究使用8只约3个月大的雄性长埃文斯大鼠。</li>
	<li>
将动物转移到测试室和步态走道,房间灯熄灭
	<ol>
<li>将大鼠的家笼放在步道末端的表面水平,作为目标箱。请注意,如果家庭笼子很深,老化或运动障碍的老鼠可能会受益于斜坡或步骤,以方便进入家庭笼子。</li>
		<li>让老鼠从实验者的手沿着走道的长度走,到达它的家笼。</li>
		<li>老鼠通常会在走道的尽头停下来四处看看,然后跳进家里的笼子里。如果一只老鼠离开走道的时间超过1分钟,鼓励它轻推进入其家笼。</li>
		<li>如果大鼠转过身来,用一小块有机玻璃挡住走道的"开始"端。重复此操作,总共运行 3 次。</li>
	</ol>
</li>
	<li>至少要呆2天,或者直到老鼠舒适地通过人行道,平稳的步伐没有冻结。</li>
</ol>3. 盖特测试程序
<ol><li>调整网络摄像头软件上的设置,以达到最清晰的爪印图像。关闭房间灯,进行所有步态测试。</li>
	<li>单独记录每个运行,并相应地标记,以便与自动分析程序一起使用。</li>
	<li>确保牛皮纸上没有斑点或碎屑。在老鼠进入走道之前开始记录几秒钟,一旦老鼠离开走道进入其家笼,就停下来。</li>
	<li>继续,直到完成三个可接受的运行或 10 分钟已过。</li>
	<li>在每个大鼠之间用乙醇擦拭走道,并根据需要更换牛皮纸。 注: 可接受的试验被定义为动物在跑步的前 4 个步骤中始终如一且不停顿地行走的试验。如果这很难实现,请调整标准,以包括在运行的任何点有 4 个连续步骤而不暂停或突然加速的试验。</li>
</ol>4. PrAnCER 自动分析
<ol><li>将所有要分析的视频放在一个文件夹中。</li>
	<li>通过运行 Python 脚本PrAnCER启动 PrAnCER 。PrAnCER将根据图3和图4中所示的步骤分析视频。</li>
	<li>在弹出式菜单中,按"选择文件夹"按钮选择指定的文件夹。如果需要,请选择用于分析的自定义选项。单击每个参数旁边的问号即可找到每个参数的详细说明。完成后单击"继续"。</li>
	<li>在显示的走道图像上定义感兴趣区域 (ROI)。为此,左键单击可定义上边缘,右键单击可定义下边缘。如果显示的框正确,请按N继续。如果没有,请按Z撤消。按下N后,程序将自动运行。</li>
	<li>PrAnCER 完成后,按终端中的Enter终止程序。</li>
	<li>要手动查看 PrAnCER 输出的结果,请运行 Python 脚本GaitEditorGUI,并为每个视频选择相应的 .mp4 文件。如果需要,请更正任何标识错误或合并的打印件。</li>
	<li>要提取空间和时间步态参数,运行 Python 脚本参数分析器。选择要分析的后打印件数和要分析的视频文件夹,然后单击"继续"。这将为每个视频输出一个 .csv 文件,其中包含许多常见的步态参数,如表 2中所述,图5中所示。 注: 完整的脚本以及读取和分析数据的说明可在作者的 GitHub (www.github.com/hayleybounds) 中查阅。我们使用免费的开源Python库OpenCV21实现了这个算法。GitHub 上还包括用于构建步态分析走道的说明。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Lakes, E. H., Allen, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gait+analysis+methods+for+rodent+models+of+arthritic+disorders:+reviews+and+recommendations.">Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).</li><li>Lee, H. Y., Hsieh, T. H., Liang, J. I., Yeh, M. L., Chen, J. 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T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kaolin-induced+ventriculomegaly+at+weaning+produces+long-term+learning,+memory,+and+motor+deficits+in+rats.">Kaolin-induced ventriculomegaly at weaning produces long-term learning, memory, and motor deficits in rats.</a> International Journal of Developmental Neuroscience. 35, 7-15 (2014).</li><li>Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CatWalk-assisted+gait+analysis+in+the+assessment+of+spinal+cord+injury.">CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury.</a> Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).</li><li>Kloefkorn, H. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+Gait+Analysis+Through+Hues+and+Areas+(AGATHA):+A+Method+to+Characterize+the+Spatiotemporal+Pattern+of+Rat+Gait.">Automated Gait Analysis Through Hues and Areas (AGATHA): A Method to Characterize the Spatiotemporal Pattern of Rat Gait.</a> Annals of Biomedical Engineering. 45 (3), 711-725 (2017).</li><li>Pereira, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+analysis+of+hindlimb+kinematics+during+overground+and+treadmill+locomotion+in+rats.">A comparison analysis of hindlimb kinematics during overground and treadmill locomotion in rats.</a> Behavioural Brain Research. 172 (2), 212-218 (2006).</li><li>Nakamura, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+three-dimensional+gait+analysis+system+for+mice+with+an+infrared+depth+sensor.">Low-cost three-dimensional gait analysis system for mice with an infrared depth sensor.</a> Neuroscience Research. 100, 55-62 (2015).</li><li>Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+quantitative+gait+analysis+during+overground+locomotion+in+the+rat:+its+application+to+spinal+cord+contusion+and+transection+injuries.">Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries.</a> Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).</li><li>Mendes, C. S., Bartos, I., M&#225;rka, Z., Akay, T., M&#225;rka, S., Mann, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+gait+parameters+in+freely+walking+rodents.">Quantification of gait parameters in freely walking rodents.</a> BMC Biology. 13 (50), (2015).</li><li>Machado, A. S., Darmohray, D. M., Fayad, J., Marques, H. G., Carey, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+framework+for+whole-body+coordination+reveals+specific+deficits+in+freely+walking+ataxic+mice.">A quantitative framework for whole-body coordination reveals specific deficits in freely walking ataxic mice.</a> eLife. 4, (2015).</li><li>Duty, S., Jenner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Animal+models+of+Parkinson&#8217;s+disease:+a+source+of+novel+treatments+and+clues+to+the+cause+of+the+disease.">Animal models of Parkinson&#8217;s disease: a source of novel treatments and clues to the cause of the disease.</a> British Journal of Pharmacology. 164 (4), 1357-1391 (2011).</li><li>Kulkarni, S. 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E., Silbergeld, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estrogen+and+haloperidol-induced+versus+handling-related+catalepsy+in+male+rats.">Estrogen and haloperidol-induced versus handling-related catalepsy in male rats.</a> Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 17 (5), 1027-1035 (1982).</li><li>Bellardita, C., Kiehn, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenotypic+Characterization+of+Speed-Associated+Gait+Changes+in+Mice+Reveals+Modular+Organization+of+Locomotor+Networks.">Phenotypic Characterization of Speed-Associated Gait Changes in Mice Reveals Modular Organization of Locomotor Networks.</a> Current Biology. 25 (11), 1426-1436 (2015).</li><li>De Ryck, M., Schallert, T., Teitelbaum, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphine+versus+haloperidol+catalepsy+in+the+rat:+a+behavioral+analysis+of+postural+support+mechanisms.">Morphine versus haloperidol catalepsy in the rat: a behavioral analysis of postural support mechanisms.</a> Brain Research. 201 (1), 143-172 (1980).</li></ol>

提交人没有利益冲突可披露。

在这项研究中,我们测试了PrAnCER,这是一种新的自动步态分析系统,它利用使用半透明地板制作的对比度增强视频来遮盖动物的身体,并产生清晰定义的爪印,以便进行简单的自动检测。PrAnCER 可准确识别爪印,对电机功能的变化非常敏感。我们使用 PrAnCER 评估 PD 急性卤素模型的步态变化。虽然卤素素没有诱导一个强大的PD模型的预期电机缺陷,但我们仍然能够证明PrAnCER能够准确地检测步态的变化。最后,对PrAnCER的精度进行了量化,并证明其关键步态参数的测量与手动评分的测量相当。
在两种卤素治疗条件下,我们观察到高发生率的冻结行为(阿基尼西亚),然后是运行或边界前进的逃逸反应。虽然在几项研究16、23中观察到阿基内西亚的剂量相似(0.25毫克/千克),但这种边界行为与典型的帕金森症状3、14、19不一致。 24.有趣的是,我们发现高剂量的卤素治疗导致步长显著增加。这一发现最初令人惊讶,因为其他光晕模型PD已经显示步长3,19减少。然而,根据De Ryck等人(1980年)描述的"勇敢逃生"行为模式,它们很有意义,他们报告说,老鼠在运动期后逃跑,而高速步态(如跑步和边界)与步幅增加有关。长度4,25 (图 8C) .高剂量治疗也导致明显增加后爪的最大接触面积。低剂量卤素治疗导致更典型的PD步态改变,包括显著增加姿态持续时间和最大接触面积(图8A-B)。这些结果可能是与哈罗佩里多诱发的阿基内病相关的肌肉僵硬的反映。
尽管不寻常的支撑逃生行为,我们能够证明PrAnCER确实可以检测到步态的变化。我们发现,在正确的照明条件下,半透明的地板可以产生高度对比和详细的爪子图像。在本研究中,我们用牛皮纸覆盖透明地板。通过在透明地板上放置另一个半透明覆盖物(如 Mylar),也可以达到同样的效果。或者,地板本身可以通过使用,例如,磨砂有机玻璃半透明。半透明的地板和简单的有机玻璃走道价格低廉,可以在下午建造。我们的基于边缘检测的分析系统能够适应仪器中的许多变化,并提供可调节的阈值,使系统适应不同的设置、疾病模型或较小的动物(如小鼠)。
由于走道的方面,一些步态参数分析比传统公式有所改变。例如,我们的计算速度的方法不同于其他步态研究;半透明地板与 LED 照明相结合会遮挡车身视图,因此无法像通常那样跟踪车身位置以计算速度。在这项研究中,速度的计算方法是将同一爪子的两个接触者之间的距离除以从第一次接触到第二次接触的时间。当然,可以使用其他公式。例如,如果需要全面测量速度,则可以通过运行持续时间将运行开始和结束时前不均位置的平均距离除以运行持续时间。
我们的分析证实,我们的自动化系统虽然与手动评分不同,但性能准确,并生成可靠的步态测量。此处描述的仪器经过优化,对电机功能进行了简单、低成本的分析。然而,可以作出若干修改,以扩大PrAnCER的效用。我们系统的一个限制是,半透明的地板,同时允许出色的爪子检测,遮蔽动物的身体轴。尽管我们尚未发现有必要,但可以通过向系统添加架空摄像头来解决。另一个改进是使用帧速率更高的摄像机。虽然我们能够获得一致的时态参数估计,但这些措施的准确性在帧速率低于100 fps8时受到影响。添加高速摄像机不需要改变分析软件,同时提高时间测量的精度和精度。此外,其他几个步态系统使用镜子同时记录大鼠2,8,13的横向和腹腔视图。将此功能添加到我们的设备中,可以更准确地量化速度,并更好地观察运行过程中的行为。
在这项研究中,我们发现,使用半透明地板可以有效隔离爪印,阻止与走道地板接触的物体的可见度。我们开发了一个自动评分系统,利用这种高对比度爪打印,以准确识别爪子。我们表明,该系统,PrAnCER,量化步态参数,其精度可与商用系统相媲美。我们确定,与盐水相比,施用高剂量的卤素增加了步长和最大接触面积。虽然这一变化与我们期望的相反,但对现有文献的进一步回顾表明,这可能是在急性哈罗佩里多的给政时观察到的逃逸行为的一部分。低剂量卤素治疗导致更典型的PD症状,如增加姿势持续时间和最大接触面积。我们的结论是,虽然急性高剂量卤素给药是研究与PD相关的步态损伤的不良模型,但我们的研究仍然证明了PrAnCER准确检测运动功能变化的能力。将来,我们希望通过研究其他疾病模型中的运动变化来进一步验证PrAnCER。

啮齿动物通常用作模型来研究各种疾病和伤害,包括关节炎1,帕金森病(PD)2,3,神经肌肉疾病4,5,脑积水6和脊髓损伤7。在这些条件下,疼痛、平衡和运动功能等症状可以通过研究动物的步态来测量。这些模式使用一组时空步态参数进行量化,这些参数总结了爪印的位置和时间以及地面上的爪子接触区域。
尽管存在许多步态分析选项,但当前系统有几个缺点。在传统的油墨和纸张测试中,动物的爪子在穿过一张白纸之前涂上墨水(图1A)。然后可以测量生成的爪印,以测量步长和姿态宽度,但无法评估速度或步长等关键时态步态参数。现代基于视频的系统更可靠,但视频分析需要费力的逐帧评分,除非使用合适的自动化系统8。目前有许多商业自动评分系统,但这些系统可能非常昂贵。此外,这些系统依赖于清晰的地板或在某些情况下,跑步机,两者都改变了自然运动。跑步机已被证明可以掩盖某些疾病模型9的运动缺陷,而透明地板(图1B)则使小鼠在开阔的田地周围花更多的时间,这表明焦虑症增加10。理想情况下,步态分析装置也不会依赖,以最小的压力产生最自然的运动模式。
可用的开源和商业选项使用多种方法来克服将足迹与动物身体隔离的难度,尽管照明条件、动物颜色和打印形状各不相同。一些增强接触爪的对比度使用表面释放光响应压力7,11,12,但这些是昂贵的和技术上难以构造。其他系统利用多个视角,允许观察全身协调8,13。虽然这些选项为测量步态以外的其他电机参数提供了优势,但对于简单的步态分析而言,它们不必要地复杂。此外,所有这些技术都依赖于清晰的地板,这改变了自然行为。
PrAnCER 基于我们所谓的对比度增强录制,它使用照明和半透明地板的组合来增强打印的检测。从下面查看时,这将创建高对比度图像(爪打印),同时遮蔽与表面(动物的身体)不接触的对象的视图(图 1D)。从上面查看时,地板显示为不透明。我们的方法中爪子的显著性允许我们新开发的自动化系统准确识别各种步态和运动特性。在本研究中,我们描述了仪器、步态分析协议和自动评分系统 PrAnCER。我们的仪器易于组装,PrAnCER 可用于评估各种疾病和损伤模型中的电机缺陷。
为了证明PrAnCER可用于检测异常步态,我们使用了PD的卤peridol模型,一个简单的运动运动变化瞬态感应模型14。哈洛佩里多是一种多巴胺受体拮抗剂,被广泛用作抗精神病药物1。它影响运动系统通过改变多巴胺信号在纹状体,在基础神经节14的运动通路的重要组成部分。即使是一剂卤素,也会迅速降低纹状体中的细胞外多巴胺水平,导致类似帕金森的马达排泄15。行为影响是肌肉僵硬,阿基内西亚,和卡塔莱普,这被定义为无法回到正常姿势后,放置在一个不寻常的位置11,16。急性剂量的哈罗佩里多导致运动缺陷,在运动功能的轮状测试中可识别17。我们推断,卤素介导的运动障碍也会在自动步态分析的一些特征中显现出来。
虽然对卤素的响应在不同研究中差异很大,但卤素的碱性效应在0.5毫克/千克及以上的剂量下出现,而低剂量(0.1-0.3毫克/千克)可检测到反应性和运动损伤的减少(0.1 - 0.3 mg/kg)16, 17.为了避免卤素的卡塔皮托效应,我们决定测试两剂卤素:高剂量(0.30毫克/千克)和低剂量(0.15毫克/千克)。如表1所示,实验1检查了高剂量卤素的影响,而实验2则测试了低剂量卤素的影响。我们使用一种受试者内部设计,在每只大鼠的高剂量、低剂量和控制(盐水)条件下进行测试。在大鼠之间平衡了条件的顺序。我们预测,卤素的急性给给会导致步容障碍,类似于其他PD模型,如速度下降,步长减少,和更长的姿势持续时间3,14,18 ,19.我们观察到行为变化,包括两种剂量的哈罗佩里多基多分量后阿基内西亚。在低剂量条件下,大鼠明显增加了姿势持续时间和后爪接触区,如预期的那样。这些步态变化与PD患者2,20中常见的缓慢、洗牌步骤相当。然而,在高剂量条件下,我们看到步长增加,爪子接触面积增加。虽然步幅长度的增加是出乎意料的,但对文献的进一步回顾表明,这可能是哈罗佩里多引起的支撑逃逸反应的一部分。我们的结论是,PrAnCER确实能够检测与神经病学的使用一致的啮齿动物步态的帕金森类变化。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gait Walkway Apparatus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; clear plexiglass</td>
			<td>RISD 3D Store, Providence, RI</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $50 
			1 piece cut to 3 1/2&#34; W x 36&#34; L; 2 pieces cut to 4 1/2&#34; W x 36&#34; L 
			Note: We made our walkway 36&#34; long based off of an exisiting plexiglass table we had in house, it could easily be made longer if desired.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; clear plexiglass</td>
			<td>RISD 3D Store, Providence, RI</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $10 
			4 pieces, cut to 1&#34; W by 4&#34; L 
			These will be used to keep the tunnel in place</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 series 80/20 framing pieces, 1&#34; x 1&#34; T-Slotted Profile</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>1010-S</td>
			<td>Approximate Price: $16 
			2 pieces cut to 36&#34; L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12V Flexible LED Strip Lights, 16.4ft/5m LED Light Strips, Daylight White</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bostik Blu-Tack Adhesive</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clearprint 1000H drafting vellum, 16 LB cotton fiber</td>
			<td>Dick Blick Art Supplies</td>
			<td>11101-1046</td>
			<td>Approximate Price: $50 
			Cut to 4&#34; W x 36&#34; L 
			Note: This particular vellum comes as a roll; we kept it on the roll and cut it to 4&#34; 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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Logitech HD Pro Webcam C920, 1080p</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobile Laptop Computer Desk Cart Height-Adjustable</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $40 
			Small table to place the animals&#39; home cage on at the end of the walkway.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic ramp</td>
			<td>Pets Warehouse</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $6 
			Optional: Ramp to assist the animals descend into home cage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RetiCAM Tabletop Tripod with 3-Way Pan/Tilt Head</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $30</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCIGRIP #16 solvent cement for acrylic - clear, medium bodied</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plexiglass table</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 series 80/20 framing pieces, 1.5&#34; x 1.5&#34; T-Slotted Profile</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>1515</td>
			<td>Approximate Price: $110 
			6 pieces cut to 36&#34; L, 2 pieces cut to 12&#34; With both ends tapped with standard 5/16-18 threads 
			Framing for the plexiglass table top and table legs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 series 3 Way - Light Squared Corner Connector</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>14177</td>
			<td>Approximate Price: $24 
			4 connectors 
			To connect the table top and legs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; clear plexiglass sheet</td>
			<td>RISD 3D Store, Providence, RI</td>
			<td></td>
			<td>Approximate Price: $50 
			Cut at 15&#34; W x 39&#34; L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5/16-18 x 1&#34; Button Head Socket Cap Screw</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>3118</td>
			<td>Approximate Price: $5 
			Quantity = 12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deluxe Leveling Feet, 5/16-18 x 2&#34;</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>2194</td>
			<td>Approximate Price: $50 
			Quantity = 4 
			For table legs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#8220;T&#8221; Handle Ball End Hex Wrench, 3/16&#34;</td>
			<td>80/20 Inc.</td>
			<td>6000</td>
			<td>Approximate Price: $5</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

paw-print analysis of contrast-enhanced recordings (prancer): a low-cost, open-access automated gait analysis system for assessing motor deficits

盖特分析用于量化许多啮齿动物疾病模型中运动功能的变化。尽管评估步态和电机功能在许多研究领域的重要性,但现有的商业选择有几个限制,如成本高和缺乏可访问的、开放的代码。为了解决这些问题,我们开发了 PrAnCER,对比增强录音的爪打印分析,用于自动定量步态。对比度增强的录音是通过使用半透明地板制作的,它遮蔽了与表面不接触的物体,从而在老鼠行走时有效地隔离了老鼠的爪印。使用这些视频,我们的简单软件程序可靠地测量各种时空步态参数。为了证明PrAnCER能够准确检测运动功能的变化,我们采用了帕金森病的卤素模型(PD)。我们用两剂卤素测试大鼠:高剂量(0.30毫克/千克)和低剂量(0.15毫克/千克)。哈洛佩里多显著增加姿态持续时间和后爪接触区域在低剂量条件,这可能是在PD模型。在高剂量条件下,我们发现接触面积有类似的增加,但步幅也意外增加。通过进一步的研究,我们发现,这种增加的步长与在高剂量的卤素中观察到的支撑逃逸现象是一致的。因此,PrAnCER 能够检测啮齿动物步态模式的预期和意外变化。此外,我们确认,与手动打步态参数相比,PrAnCER 是一致和准确的。

哈洛佩里多程序
我们开发了这种步态分析系统,将对照大鼠的步态参数与实验鼠的步态参数进行比较,这些实验鼠预期会表现出各种运动、步态和平衡损伤。我们使用一种主题内设计,其中每只大鼠在盐水、高剂量卤素和低剂量卤素条件下进行测试。大鼠被分成两组(A和B),以便进行平衡;步态测试在一天中的时间和条件顺序上是平衡的。每次测试间隔48小时。在接受盐水或卤素注射之前,大鼠用肌黄素轻轻麻醉。盖特在注射后测试了1小时,此时卤素应处于峰值水平15,16,17。
行为结果
我们观察到使用卤素治疗的动物行为变化显著。在高剂量条件下,8只大鼠中有5只在走道开始时有静止状态,在此期间,它们对接触它们的实验者没有反应,并且对移动有抵抗力。在某些情况下,这种状态持续几分钟,直到老鼠从走道上被移除。在其他情况下,不动大鼠会突然快速移动或"绑定"穿过人行道,然后返回到接近末端的不移动状态。在低剂量条件下,8只大鼠中3只有类似的不动期。在此剂量下,只有一个边界行为实例。当动物用盐水治疗时,没有观察到边界。
我们分析了哈罗佩里多对以下步态参数的影响:支撑基、步长、步幅速度、姿态持续时间、姿态与摆动比、最大接触面积和跨步距离。由于前肢和后肢的许多步态参数是相同的,而哈罗佩里多一般对四肢有均匀的影响,我们只计算后肢的参数,没有分离左四肢和右四肢的数据。对于每个大鼠,我们计算了每个测试日从所有可用运行中每个步态参数的平均值。所有参数(速度可变性以外的参数)都计算为运行前 4 个可用步骤的平均值。为了评估每剂卤素是否显著影响步态,我们使用了成对样品t-测试。在实验1中,在用高剂量卤素处理的动物中,步幅明显增加(图6A;t(7)=-2.962,p = 0.021)和最大接触面积(图6A;t(7)=-2.51,p = 0.04)。支撑基础、速度、姿态持续时间和姿态与摆动比均不显著。在实验2中,与盐水状况相比,给予低剂量卤素的动物姿态持续时间显著增加(图6B;t(7)=-2.444,p = 0.044)和最大接触面积(图6B;t(7)=-3.085,p= 0.018)。没有其他步态参数显著。此外,支持基础中的高剂量和低剂量卤素条件(图6C;t(7)=2.651,p = 0.033),最大接触面积(图6C;t(7)=4.635,p= 0.002)和间断距离()图 6C;t(7) = 3.098,p = 0.017)。
您的定位准确性和自动系统中的错误
为了评估PrAnCER的准确性,我们将其自动分析与从6个对照大鼠的单独组中随机选择的21个视频的手动评分进行了比较。出于手计分的目的,视频被转换成一系列图像,然后用于手动标记打印位置。为了提高效率,我们仅对后印迹测量的空间数据进行分析。我们提取了每个视频的平均步长和 BOS,并将其与自动值进行比较。虽然平均步长在手动评分和 PrAnCER 分析之间没有显著差异(图7B;t(20) = -0.01,p = 0.99),但支撑基础显著(图 7A;t(20) = -2.21,p = 0.038)。虽然自动评分和手动评分通常关系良好,但自动系统报告 BOS 平均大于 5%。这种差异可能是由于质心选择的差异,而不是检测错误。对于手动评分,打印位置被标记为在每个后打印的底座周围绘制一个椭圆,因为很难手动复制 PrAnCER 的质量估计中心方法。显而易见的趋势是PrAnCER高估了BOS,也许是因为有些动物可能以不对称的方式踢出脚趾,导致PrAnCER观察到比手动评分更极端的质心。其他系统也注意到,尽管一致的步长测量17,手动和自动评分之间的BOS显著增加。考虑到观察到的微小差异和与其他系统的一致性,我们得出结论,PrAnCER是步态参数的可靠测量。
请务必注意,所有精度分析都是在使用 PrAnCER 的 GUI 手动校正自动输出后进行的。与现有的商业系统一样,此步骤对于纠正评分错误和消除不符合标准22的运行也是必要的。我们调整了 PrAnCER,以在误报方面出错,因为这些错误更容易在事后纠正。我们从未观察到 PrAnCER 在手动校正超过 500 个视频期间未能检测到真实打印。然而,观察到了其他类型的错误。这些分为 3 类:错误检测(检测非打印为打印)、分类错误(打印未标记为正面/后部或左/右)和错误组合(两个打印错误合并)。这些错误在随附的 GUI 中很容易纠正,并且通常只发生在正常条件下拍摄的视频中的一小部分。即使进行此类修正,PrAnCER 也显著减少了步态分析中涉及的体力劳动量。我们估计,对于每个视频,运行 PrAnCER 并更正任何输出错误大约需要 3 分钟(如有必要),而手动评分和分析同一视频大约需要 10 分钟。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig1v2.jpg"> 图 1.步态分析方法的比较。(A)传统的油墨和纸张方法产生不精确的爪形和位置打印。(B)具有透明地板的视频录制提供了爪印的详细视图,但包含来自大鼠身体的许多显著特征,使自动评分复杂化。(C)透明地板上的轻质纸张会产生嘈杂的图像,并丢失细节。(D)使用牛皮纸创建半透明地板可产生非常详细的打印效果,同时从视觉上消除身体。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig2.jpg"> 图 2.步态走道装置和视频录制的图解。(A)大鼠穿过一条透明人行道,有半透明的地板到家庭笼式球箱,同时从下面记录。在这种情况下,牛皮纸覆盖一个透明的地板,使其半透明。走道由LED条照亮,沿其长度放置在动物的脚和身体之间的水平。(B)展示半透明地板效果的录像截图。两只爪子清晰可见,但老鼠的身体基本上无法察觉。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig3v2.jpg"> 图 3.一帧爪打印的检测过程。(A)原始图像被降噪,然后受到背景减法(B)。(C)应用边检测算法,并将结果转换为一系列称为等高线(D)的 X、Y 坐标。(E)轮廓按邻近度分组,该组的凸包(边界框)被带来生成包含打印的单一轮廓。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig3v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig4.jpg"> 图 4.将单个检测转换为分类打印件。(A)爪印首先在一组框架中标识。(B)单个对象检测被赋予一个数字,用于标识它们为打印,表示单个爪子(C)的单个位置。(D)最后,它们根据相对于动物路径中线的位置分为左或右,根据它们相对于前一个爪印的位置,将其分为前或后。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig5.jpg"> 图 5.已分析步态参数的插图。(A)显示爪印标识和位置的示例输出。原始检测到的边缘显示为黑色。最终检测到的爪子和近似区域以指示爪子分类的颜色显示。在图中,黄色:左前,绿色:后左,青色:右前,品红色:后右。但是,可以在 Python 脚本中根据用户首选项更改颜色。(B)说明两个主要时间参数的情节:每个爪子与地面接触的时间(姿态相)和空中(摆动阶段)。彩色方块表示姿态相位,空格表示摆动阶段。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig6.jpg"> 图 6.哈龙佩里多对步态的影响。(A)实验结果1:与盐水条件(Sal)相比,高剂量卤素(HalH)的步幅长度和最大接触面积显著增加。(B)实验2导致更典型的帕金森症状;低剂量卤素 ( HalL) 显著增加姿态持续时间和最大接触面积.(C)在比较两个实验中的卤素治疗条件时,高剂量卤素比低剂量条件增加支撑基、最大接触面积和间断距离。数据是均值 = SEM,n =8。配对样本 t 检验差异如下: = p < 0.05, = p < 0.01。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig7v2.jpg"> 图 7.自动分析的准确性。(A)自动系统在测量 BOS 时与手动评分有很大不同,尽管这可能是由于手动质心选择的变化,而不是检测错误。(B)自动系统与手动步长评分没有显著差异。这些精度结果与其他可用系统的结果一致。数据是均值 = SEM,n = 21。配对样本 t 检验差异如下: = p < 0.05。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig7v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59596/59596fig8v2.jpg"> 图8。时间参数的比较。使用盐水(A)和低剂量卤素 (B) 处理的动物的时态步态模式。(C)大鼠给予高剂量卤素的支撑-逃逸反应的例证。如图5所示,彩色方块表示爪子何时与地面接触(姿态相)和空格指示爪子何时在空气中(摆动相)。缩写:FL,左前;HL,后左;FR,右前;人力资源,右后。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59596/59596fig8v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的较大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td colspan="4">实验1</td>
			<td colspan="4">实验2</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>测试 1</td>
			<td>测试 2</td>
			<td>测试 3</td>
			<td>测试 4</td>
			<td>测试 5</td>
			<td>测试 6</td>
			<td>测试 7</td>
			<td>测试 8</td>
		</tr>
<tr>
<td>A 组</td>
			<td>哈尔H
</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔H
</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔L
</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔L
</td>
		</tr>
<tr>
<td>B组</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔H
</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔H
</td>
			<td>哈尔L
</td>
			<td>萨尔</td>
			<td>哈尔L
</td>
			<td>萨尔</td>
		</tr>
</tbody></table>表 1.实验设计。本表说明了本研究中使用的实验设计。我们使用一种受试者的设计,其中每只大鼠在高剂量卤素(Hal H)、低剂量卤素(HalL)和盐水(盐)条件下进行测试。老鼠被分成两组;测试在一天中的时间和条件顺序上是平衡的。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>参数</td>
			<td>定义</td>
		</tr>
<tr>
<td>步长长度</td>
			<td>同一爪的连续触点之间的距离</td>
		</tr>
<tr>
<td>步长</td>
			<td>沿运动方向轴的反向前或后爪连续接触之间的距离</td>
		</tr>
<tr>
<td>支持基础 (BOS)</td>
			<td>垂直于运动方向轴的连续反向前或后爪之间的距离</td>
		</tr>
<tr>
<td>最大接触区域</td>
			<td>后打印的最大检测到区域</td>
		</tr>
<tr>
<td>间断距离</td>
			<td>侧边前爪和后爪之间的距离</td>
		</tr>
<tr>
<td>姿态持续时间</td>
			<td>爪子与地面接触的时间长度</td>
		</tr>
<tr>
<td>摆动持续时间</td>
			<td>爪子不在地上的时间长度</td>
		</tr>
<tr>
<td>姿态到摆动比 (SSR)</td>
			<td>姿态持续时间/摆动持续时间</td>
		</tr>
<tr>
<td>离散速度</td>
			<td>爪子的步长/(摆动持续时间 + 摆动持续时间)</td>
		</tr>
<tr>
<td>平均速度</td>
			<td>分析中使用的期间离散速度平均值</td>
		</tr>
<tr>
<td>速度可变性</td>
			<td>运行期间离散速度变化百分比</td>
		</tr>
<tr>
<td>运行速度</td>
			<td>穿越隧道/隧道长度的时间</td>
		</tr>
</tbody></table>表2.步态参数的说明。下表描述了最常用的步态参数;本研究中使用的用粗体表示。

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Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings PrAnCER: A Low-Cost, Open-Access Automated Gait Analysis System for Assessing Motor Deficits

对比度增强记录 (PrAnCER) 的爪打印分析:用于评估电机缺陷的低成本、开放访问自动步态分析系统

我们描述了一种新颖的步态分析系统,对比增强录音的Paw-Print分析(PrAnCER),一个用于定量大鼠步态特征的开放式自动化系统,利用新颖的半透明地板自动量化步态。该系统使用帕金森病的卤素模型进行了验证。

Gait analysis is used to quantify changes in motor function in many rodent models of disease. Despite the importance of assessing gait and motor function ...

我们提出了一个新的步态分析系统，是一个用户友好，负担得起，准确的替代商业步态系统。在正确的照明下使用半透明地板会产生高对比度的爪印，同时遮挡动物的身体。我们的系统可用于评估各种损伤和疾病模型中的运动功能，如脊髓或神经损伤、神经退行性疾病和神经肌肉疾病。我们的步态设备和自动化程序 PrAnCER 都可以轻松适应不同的设置或动物模型。要设置步态分析走道，请将透明有机玻璃封闭走道放在透明有机玻璃地板上，用一块 16 磅重的草带剪裁到与走道相同的宽度覆盖地板。然后，将至少 30 帧/秒帧速率的摄像机放在走道正下方，以捕获轨道中间，并固定一条 12 伏发光二极管灯，每英尺有 18 个发光二极管，距离走道大约 2 英寸远，距离走道地板上方 1 英寸，以消除轨道。要习惯动物到走道，将老鼠回家的笼子放在步态走道尽头的表面，作为目标箱，让老鼠从手向下走道的长度走到家笼。老鼠通常会在走道的尽头停下来四处看看，然后跳进家里的笼子里。如果老鼠离开走道的时间超过一分钟，请轻轻推一下，鼓励动物进入家笼。如果老鼠转身，用一小块有机玻璃挡住走道的开始端。当大鼠在不结冰的情况下以稳定的步伐穿过走道时，请调整网络摄像头软件上的设置，以实现爪印的最清晰图像，并单独记录每次运行，并适当地标记运行，以便与自动分析程序一起使用。在确认脐红上没有斑点或碎屑后，在大鼠进入走道前几秒钟开始记录，并在大鼠离开走道进入家庭笼子后停止。请务必确保录制的视频至少捕获连续四个步骤，这些步骤没有暂停或加速度，以准确反映动物的运动功能。每只老鼠后用乙醇擦拭走道，根据需要更换脐带。要分析步态录制，请将要分析的所有视频放在单个文件夹中，并运行对比增强型录音（即 PrAnCER、Python 脚本）的爪印分析。在弹出式菜单中，单击选择一个文件夹以选择视频文件夹，并根据需要为分析选择适当的自定义选项。完成后单击"继续"。要定义走道图像上感兴趣的区域，请左键单击以定义上边缘，右键单击以定义下边缘。如果显示的框正确，请按 N 继续。程序将自动运行。PrAnCER 完成后，单击终端中进入以终止程序。然后，通过运行 Python 脚本、盖特编辑器图形用户界面并选择每个视频相应的 MP4 文件，手动查看 PrAnCER 输出的图像。必要时更正任何错误识别或合并的打印件。要提取空间和时间步态参数，请运行 Python 脚本参数分析器，然后选择要分析的后打印数和要分析的视频文件夹。然后，单击继续输出包含许多常见步态参数的每个视频的 csv 文件。虽然与手动评分不一样，但 PrAnCER 的精度很高，并生成可靠的步态测量。此处显示了一组控制视频的结果，以便进行比较。PrAnCER 的步长分析与手动评分没有显著差异，但在支撑测量的基数上观察到显著差异。这可能是由于居中选择的差异，而不是检测错误。在用高剂量卤素治疗的动物中，观察到步长和最大接触面积显著增加。给予低剂量卤素的动物也表现出姿态持续时间和最大接触面积显著增加。此外，在支撑基位、最大接触面积和间位距离步态参数中，高剂量和低剂量哈洛佩里多条件之间存在显著差异。虽然 PrAnCER 已经分析了许多常见的时态性参数，但可以修改代码以评估用户所需的任何其他步态特征。我们希望我们的系统将使研究人员更容易获得步态分析，他们希望以简单而经济的方式测量运动功能。

Research

JoVE Journal

Behavior

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科研

行为学

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