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

Эта работа была поддержана Карни Институт мозга науки в Университете Брауна.

Все процедуры были в соответствии с руководящими принципами Комитета по институциональному уходу и использованию животных Университета Брауна.
1. Аналитический аппарат Gait
<ol><li>Подготовьте походку анализа дорожки, состоящие из четкого плексигласа закрытый дорожки (36" L х 3 "W х 4,5" H) размещены на четком полу плексигласа(рисунок 2A). Сделать оргстекла пол полупрозрачным, покрывая его с куском 16 LB хлопка волокна разработки веллума сократить до той же ширины, как дорожка. ПРИМЕЧАНИЕ: Есть и другие методы для того, чтобы сделать пол полупрозрачным.</li>
	<li>Поместите камеру со скоростью кадров не менее 30 кадров в секунду (fps) прямо под дорожкой, чтобы захватить середину трека(рисунок 2B).</li>
	<li>Безопасный полоса 12 V светодиодные фонари с 18 светодиодов / ноги примерно 2 дюйма от и 1 дюйм над полом дорожки, чтобы осветить трек.</li>
</ol>2. Подготовка животных
<ol><li>Разрешить животным акклиматизироваться в виварии, по крайней мере за 1 неделю до обработки. с крысами не менее 5 дней до начала эксперимента. Это исследование использовало 8 самцов крыс Лонг Эванс примерно 3 месяцев.</li>
	<li>
Привычка животных в испытательный зал и походка дорожки с комнатой огни выключен
	<ol>
<li>Поместите домашнюю клетку крысы на уровне поверхности в конце походки, чтобы служить в качестве коробки цели. Обратите внимание, что если домашняя клетка глубокая, в возрасте или локомотивных с нарушениями крысы могут извлечь выгоду из рампы или шаг, чтобы обеспечить более легкий доступ к домашней клетке.</li>
		<li>Позвольте крысе ходить от руки экспериментатора по длине дорожки, чтобы добраться до своей домашней клетки.</li>
		<li>Крысы часто останавливаются в конце дорожки, чтобы осмотреться, прежде чем прыгать вниз в домашнюю клетку. Если крыса занимает больше, чем 1 минута, чтобы выйти из дорожки, поощрять его, чтобы войти в свою домашнюю клетку с нежным толчок.</li>
		<li>Если крыса оборачивается, используйте небольшой кусочек плексигласа, чтобы заблокировать "начало" конца дорожки. Повторите в общей сложности 3 запуска.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Привычка в течение по крайней мере 2 дней или до тех пор, пока крысы комфортно пересечения дорожки в устойчивом темпе без замораживания.</li>
</ol>3. Процедура тестирования гайки
<ol><li>Отрегулируйте настройки на веб-камеру программного обеспечения для достижения четкой картины лапы отпечатков. Выключите освещение комнаты для всех тестирования походки.</li>
	<li>Запись каждого запуска отдельно и этикетки надлежащим образом для использования с автоматизированной программой анализа.</li>
	<li>Убедитесь, что на пергаменте нет пятен или мусора. Начните запись за несколько секунд до того, как крыса войдет в дорожку и остановитесь, как только крыса выйдет из дорожки и войдет в свою домашнюю клетку.</li>
	<li>Продолжайте до тех пор, пока не будут завершены три приемлемых запуска или не будет выполнено 10 минут.</li>
	<li>Протрите вниз по дорожке с этанолом между каждой крысы и заменить пергамент по мере необходимости. ПРИМЕЧАНИЕ: Приемлемое испытание определяется как испытание, в котором животное ходит последовательно и без паузы в течение первых 4 шагов бега. Если это трудно достичь, отрегулируйте критерии, чтобы включить испытания, в которых есть 4 последовательных шага в любой точке запуска, которые происходят без пауз или резкого ускорения.</li>
</ol>4. Автоматизированный анализ PranCER
<ol><li>Поместите все видео для анализа в папку.</li>
	<li>Запустите PrAnCER, запустив сценарий Python PrAnCER. PrAnCER будет анализировать видео на основе шагов, иллюстрированных на рисунке 3 и рисунке 4.</li>
	<li>Во всплывающем меню выберите указанную папку, нажав кнопку «Выбрать папку». При желании выберите пользовательские параметры для анализа. Подробные описания каждого параметра можно найти, нажав на вопросительный знак рядом с ними. Нажмите Продолжить, когда закончите.</li>
	<li>Определите область интереса (ROI) на изображении появляются дорожки. Чтобы сделать это, левый щелчок, чтобы определить верхний край и правый клик, чтобы определить нижний край. Если окно, которое появляется правильно, нажмите N, чтобы продолжить. Если нет, нажмите на отменить. После нажатия N программа будет работать автоматически.</li>
	<li>После завершения PrAnCER прекратите программу, нажав Enter в терминале.</li>
	<li>Чтобы вручную просмотреть результаты, полученные PrAnCER, запустите сценарий Python GaitEditorGUI и выберите подходящий файл .mp4 для каждого видео. При необходимости исправьте любые неправильно идентифицированные или слитые отпечатки.</li>
	<li>Чтобы извлечь пространственные и временные параметры походки, запустите сценарий Python ParameterAnalyzer. Выберите количество задних отпечатков для анализа и папку видео для анализа, а затем нажмите Продолжить. Это позволит вычислить файл .csv для каждого видео, содержащего ряд общих параметров походки, которые описаны в таблице 2 и проиллюстрированы на рисунке 5. ПРИМЕЧАНИЕ: Полные скрипты, а также инструкции по чтению и анализу данных доступны на Авторском Ук.www.github.com/hayleybounds). Мы внедрили этот алгоритм, используя бесплатную библиотеку Python open-source OpenCV21. Кроме того, включены на GitHub инструкции для создания нашей походки анализа дорожки.</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. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+video-based+gait+pattern+analysis+for+hemiparkinsonian+rats.">Quantitative video-based gait pattern analysis for hemiparkinsonian rats.</a> Medical &amp; Biological Engineering &amp; Computing. 50 (9), 937-946 (2012).</li><li>Zhou, M., 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=Gait+analysis+in+three+different+6-hydroxydopamine+rat+models+of+Parkinson&#8217;s+disease.">Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson&#8217;s disease.</a> Neuroscience Letters. 584, 184-189 (2015).</li><li>Batka, R. J., Brown, T. J., Mcmillan, K. P., Meadows, R. M., Jones, K. J., Haulcomb, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+need+for+speed+in+rodent+locomotion+analyses.">The need for speed in rodent locomotion analyses.</a> Anatomical Record. 297 (10), 1839-1864 (2014).</li><li>Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treadmill+gait+analysis+does+not+detect+motor+deficits+in+animal+models+of+Parkinson&#8217;s+disease+or+amyotrophic+lateral+sclerosis.">Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson&#8217;s disease or amyotrophic lateral sclerosis.</a> Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).</li><li>Williams, M. 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. K., Bishnoi, M., Chopra, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+microdialysis+studies+of+striatal+level+of+neurotransmitters+after+haloperidol+and+chlorpromazine+administration.">In vivo microdialysis studies of striatal level of neurotransmitters after haloperidol and chlorpromazine administration.</a> Indian Journal of Experimental Biology. 47 (2), 91-97 (2009).</li><li>Jain, N. S., Tandi, L., Verma, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contribution+of+the+central+histaminergic+transmission+in+the+cataleptic+and+neuroleptic+effects+of+haloperidol.">Contribution of the central histaminergic transmission in the cataleptic and neuroleptic effects of haloperidol.</a> Pharmacology Biochemistry and Behavior. 139 (Part A), 59-66 (2015).</li><li>Steinpreis, R. E., Anders, K. A., Branda, E. M., Kruschel, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effects+of+Atypical+Antipsychotics+and+Phencyclidine+(PCP)+on+Rotorod+Performance.">The Effects of Atypical Antipsychotics and Phencyclidine (PCP) on Rotorod Performance.</a> Pharmacology Biochemistry and Behavior. 63 (3), 387-394 (1999).</li><li>Baptista, P. P. 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=Physical+exercise+down-regulated+locomotor+side+effects+induced+by+haloperidol+treatment+in+Wistar+rats.">Physical exercise down-regulated locomotor side effects induced by haloperidol treatment in Wistar rats.</a> Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 104, 113-118 (2013).</li><li>Chuang, C. S., Su, H. L., Cheng, F. C., Hsu, S., Chuang, C. F., Liu, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+evaluation+of+motor+function+before+and+after+engraftment+of+dopaminergic+neurons+in+a+rat+model+of+Parkinson&#8217;s+disease.">Quantitative evaluation of motor function before and after engraftment of dopaminergic neurons in a rat model of Parkinson&#8217;s disease.</a> Journal of Biomedical Science. 17 (9), (2010).</li><li>Bugalho, P., Alves, L., Miguel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gait+dysfunction+in+Parkinson&#8217;s+disease+and+normal+pressure+hydrocephalus:+a+comparative+study.">Gait dysfunction in Parkinson&#8217;s disease and normal pressure hydrocephalus: a comparative study.</a> Journal of Neural Transmission. 120 (8), 1201-1207 (2013).</li><li>Bradski, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The OpenCV Library. , (2000).</li><li>Chen, H., Du, J., Zhang, Y., Barnes, K., Jia, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishing+a+Reliable+Gait+Evaluation+Method+for+Rodent+Studies.">Establishing a Reliable Gait Evaluation Method for Rodent Studies.</a> Journal of Neuroscience Methods. 283, 92-100 (2017).</li><li>De Ryck, M., Hruska, R. 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>

Авторы не имеют конфликта интересов раскрыть.

В этом исследовании мы протестировали PrAnCER, новую автоматизированную систему анализа походки, которая использует контрастно-увеличенные видео, произведенные с помощью полупрозрачного пола, чтобы скрыть тело животного и дать четко определенные отпечатки лап для простого автоматизированного обнаружения. PrAnCER точно идентифицирует отпечатки лап и чувствителен к изменениям в двигательной функции. Мы использовали PrAnCER для оценки изменения походки в острой модели галоперидола PD. Хотя галоперидол не вызывал ожидаемого дефицита двигателя надежной модели PD, мы, тем не менее, смогли продемонстрировать, что PrAnCER может точно обнаружить изменения в походке. Наконец, мы количественно точность PrAnCER и показали, что его измерения ключевых параметров походки сопоставима с ручной скоринга.
В обоих условиях лечения галоперидола, мы наблюдали высокую частоту замораживания поведения (акинезия), а затем избежать ответ работает или ограничивая вперед. Хотя акинезия наблюдается в аналогичной дозе (0,25 мг/кг) в нескольких исследованиях16,23, это ограничивающее поведение не согласуется с типичными симптомами Паркинсона3,14,19, 24. Интересно, что мы обнаружили, что высокая доза лечения галоперидола привела к значительно мухе длины шага. Этот вывод был первоначально удивительно, потому что другие модели галоперидола PD показали снижение длины шага3,19. Тем не менее, они имеют смысл в свете "бодрящий побег" поведение шаблон, описанный Де Ryck et al. (1980), который сообщил, что крысы бежать после акинетических периодов, и что высокая скорость походки, такие как бег и ограничивающие связаны с увеличением шаг длина4,25 (рисунок8C). Высокодозное лечение также привело к значительному увеличению максимальной области контакта задних лап. Низкая доза лечения галоперидола привела к более характерным изменениям походки PD, включая значительное увеличение продолжительности позиции и максимальной области контакта(рисунок 8A-B). Эти результаты могут быть отражением мышечной жесткости, связанной с галоперидол индуцированной акинезии.
Несмотря на необычное бодрящий побег поведение, мы смогли продемонстрировать, что PrAnCER действительно может обнаружить изменения в походке. Мы показали, что в правильных условиях освещения полупрозрачный пол может создать контрастное и детальное изображение лап. В настоящем исследовании, мы сделали прозрачный пол полупрозрачный, покрывая его веллумом. Такой же эффект можно было бы достичь, разместив другой полупрозрачный покрытие, например, Mylar, над прозрачным полом. Кроме того, сам пол может быть полупрозрачным, используя, например, матовые плексигласы. Полупрозрачный пол и простой плексиглас дорожки стоят недорого и могут быть построены во второй половине дня. Наша система анализа на основе обнаружения краев устойчива ко многим вариациям в аппарате и предлагает регулируемые пороги для адаптации системы к различным установкам, моделям заболеваний или более мелким животным, таким как мыши.
Некоторые анализы параметров походки были изменены с обычных формул из-за аспектов дорожки. Например, наш метод расчета скорости отличается от других исследований походки; полупрозрачный пол в сочетании со светодиодным освещением скрывает вид кузова, поэтому невозможно отследить положение кузова для расчета скорости, как это обычно делается. Для этого исследования скорость была рассчитана путем деления расстояния, пройденного между двумя контактами одной и той же лапы к тому времени, от первого контакта до второго контакта. Конечно, можно использовать и другие формулы. Например, если требуется общая мера скорости, можно разделить расстояние от среднего положения передних лап в начале и конце пробега на продолжительность пробега.
Наш анализ подтверждает, что, хотя наша автоматизированная система не идентична ручному баллу, она работает с высокой точностью и генерирует надежные показатели походки. Описанный здесь аппарат был оптимизирован для простого, недорогого анализа двигательной функции. Тем не менее, можно было бы внести ряд изменений, которые расширят полезность PrAnCER. Одним из ограничений нашей системы является то, что полупрозрачный пол, позволяя отличное обнаружение лап, скрывает ось тела животных. Хотя мы не сочли это необходимым, это можно было бы решить путем добавления накладной камеры в систему. Другим улучшением было бы использование видеокамеры с более высокой частотой кадров. Хотя мы смогли получить последовательную оценку временных параметров, точность этих мер скомпрометирована при частоте кадров ниже 100 кадров в секунду8. Добавление высокоскоростной видеокамеры не потребует каких-либо изменений программного обеспечения анализа при одновременном повышении точности и точности временных мер. Кроме того, несколько других систем походки используют зеркало для одновременнойзаписи бокового и вентрального взглядов на крысу 2,8,13. Добавление этой функции в наш аппарат позволит более точной количественной оценки скорости и лучшего наблюдения за поведением во время выполнения.
В этом исследовании мы показали, что использование полупрозрачного пола эффективно изолирует отпечатки лап, блокируя видимость объектов, не соприкасаемых с полом дорожки. Мы разработали автоматизированную систему скоринга, которая использует этот высокий контрастный отпечаток лапы для точного определения лап. Мы показали, что эта система, PrAnCER, количественно параметры походки с точностью сопоставимы с коммерческими системами. Мы определили, что введение высокой дозы галоперидола увеличивает длину шага и максимальную область контакта по сравнению с сольным раствором. Хотя это изменение является противоположностью того, что мы ожидали, дальнейший обзор существующей литературы показывает, что это, вероятно, часть побега поведение наблюдается в ответ на острое введение галоперидола. Низкая доза лечения галоперидола привело к более типичным симптомам PD, таким как увеличение продолжительности позиции и максимальная область контакта. Мы пришли к выводу, что в то время как острая высокая доза галоперидола администрации является плохой моделью для изучения походки нарушений, связанных с PD, наше исследование, тем не менее продемонстрировали способность PrAnCER точно обнаружить изменения в двигательной функции. В будущем мы надеемся на дальнейшую проверку PrAnCER, изучая изменения локомотивов в других моделях заболеваний.

Грызуны обычно используются в качестве моделей для изучения широкого спектра заболеваний и травм, включая артрит1, болезнь Паркинсона (PD)2,3, нервно-мышечные расстройства4,5, гидроцефалия6 , и повреждение спинного мозга7. В этих условиях, такие симптомы, как боль, баланс, и двигательная функция может быть измерена путем изучения походки животных моделей. Эти модели количественно с помощью набора пространственно-временной походки параметров, которые обобщают расположение и сроки отпечатков лап, а также области контакта лапы на земле.
Хотя существует много вариантов анализа походки, существующие системы имеют несколько недостатков. В традиционных чернил и бумаги тестирования, лапы животного покрыты чернилами, прежде чем он ходит по листу белой бумаги (Рисунок 1A). Полученные отпечатки лап могут быть измерены для длины шага и ширины позиции, но ключевые параметры височной походки, такие как скорость или продолжительность шага, не могут быть оценены. Современные системы на основе видео являются более надежными, но видео-анализ требует трудоемкой кадр за кадром скоринга, если подходящая автоматизированная система используется8. Есть много коммерческих автоматизированных систем скоринга в настоящее время доступны, но эти системы могут быть непомерно дорогими. Кроме того, эти системы опираются на четкий настил или в некоторых случаях, беговые дорожки, оба из которых изменяют естественное движение. Беговые дорожки были показаны, чтобы замаскировать дефицит двигателя в некоторых моделях болезни9, в то время как четкий настил (рисунок1B) заставляет мышей проводить больше времени по периметру открытого поля, что указывает на повышенную тревогу10. В идеале, походка анализ аппарата не будет полагаться на либо, производя наиболее естественные модели движения с наименьшим стрессом для животного.
Доступные варианты с открытым исходным кодом и коммерческие используют различные методы, чтобы преодолеть трудности изоляции следа от тела животного, несмотря на переменные условия освещения, цвет животных, и формы печати. Некоторые усиливают контраст контактных лап с помощью поверхностей, которые высвобождают свет в ответ на давление7,11,12, но они являются дорогостоящими и технически трудно построить. Другие системы используют несколько углов обзора,которые позволяют наблюдать за координацией всего тела 8,13. Хотя эти варианты предлагают преимущества для измерения дополнительных параметров двигателя за походкой, они неоправданно сложны для простого анализа походки. Кроме того, все эти методы опираются на четкий настил, который изменяет естественное поведение.
PrAnCER основан на том, что мы называем Контрастно-улучшенные записи, которые используют сочетание освещения и полупрозрачный пол для повышения обнаружения отпечатков. При взгляде снизу, это создает высококонтрастное изображение (лапа печати) в то время как заслоняя вид объектов, не в контакте с поверхностью (тело животного) (Рисунок 1D). При взгляде сверху пол кажется непрозрачным. Полученное в результате лапы в нашем методе позволяет точно определить различные характеристики походки и локомотива нашей недавно разработанной автоматизированной системой. В настоящем исследовании мы описываем аппарат, наш протокол анализа походки и нашу автоматизированную систему скоринга, PrAnCER. Наш аппарат легко собирается и PrAnCER может быть использован для оценки дефицита двигателя в широком диапазоне заболеваний и травм моделей.
Чтобы продемонстрировать, что PrAnCER может быть использован для обнаружения аномальных моделей походки, мы использовали модель галоперидола PD, простая модель для переходных индукции локомотивных изменений14. Галоперидол является антагонистом рецепторов допамина, широко используемым в качестве антипсихотического1. Он влияет на двигательные системы, изменяя допамина сигнализации в стриатум, важный компонент моторного пути в базальных ганглиев14. Даже одна доза галоперидола быстро снижает внеклеточный уровень допамина в стриатуме, вызывая Паркинсоноподобный двигатель дефекирует15. Поведенческие эффекты мышечной жесткости, акинезии, и каталепсия, которая определяется как неспособность вернуться к нормальной осанке после того, как помещены в необычное положение11,16. Острые дозы галоперидола вызывают дефицит локомотива, идентифицируемый в ротационном тесте двигательной функции17. Мы рассуждали, что галоперидол опосредованные локомотивные нарушения также будут очевидны в ряде характеристик, доступных для автоматизированного анализа походки.
Хотя реакции на галоперидол сильно различаются в разных исследованиях, каталептические эффекты галоперидола возникают в дозах 0,5 мг/кг и выше, в то время как снижение отзывчивости и двигательных нарушений обнаруживается при более низких дозах (0,1 - 0,3 мг/кг)16, 17. В попытке избежать каталептического воздействия галоперидола, мы решили проверить две дозы галоперидола: высокую дозу (0,30 мг/кг) и низкую дозу (0,15 мг/кг). Как показано в таблице 1, Эксперимент 1 рассмотрел эффекты высоких доз галоперидол, в то время как эксперимент 2 испытания эффектов низкой дозы галоперидола. Мы использовали в рамках субъекта дизайн, в котором каждая крыса была протестирована в высоких дозах, низких дозах, и контроль (солин) условиях. Порядок состояния был уравновешен между крысами. Мы предсказывали, что острое введение галоперидола вызовет нарушения походки, аналогичные тем, которые встречаются в других моделях PD, таких как снижение скорости, снижение длины шага, и более длительной продолжительности позиции3,14,18 ,19. Мы наблюдали поведенческие изменения, включая акинезию после введения галоперидола в обеих дозах. В условиях низких доз, крысы значительно увеличили продолжительность позиции и область контакта задней лапы, как и ожидалось. Эти изменения походки сопоставимы с медленными, перетасовки шаги распространены среди пациентов PD2,20. В состоянии высоких доз, однако, мы увидели увеличение длины шага, а также увеличение области контакта лапы. Хотя увеличение длины шага было неожиданным, дальнейший обзор литературы показал, что она, вероятно, является частью галоперидола индуцированной бодрящий-побег ответ. Мы пришли к выводу, что PrAnCER действительно способен обнаруживать Паркинсона-подобные изменения в походке грызунов в соответствии с использованием нейролептиков.

<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

Анализ gait использован для того чтобы количественно изменения в функции мотора в много моделей грызунов заболевания. Несмотря на важность оценки походки и двигательной функции во многих областях исследований, имеющиеся коммерческие варианты имеют ряд ограничений, таких как высокая стоимость и отсутствие доступного открытого кода. Для решения этих вопросов мы разработали PrAnCER, Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings для автоматической количественной оценки походки. Контрастно-увеличенные записи производятся с помощью полупрозрачного пола, который скрывает объекты, не соприкасающиеся с поверхностью, эффективно изолируя отпечатки лапкрысы во время прогулки. Используя эти видео, наша простая программа программного обеспечения надежно измеряет различные параметры пространственно-временной походки. Чтобы продемонстрировать, что PrAnCER может точно обнаружить изменения в двигательной функции, мы использовали модель галоперидола болезни Паркинсона (PD). Мы тестировали крыс в двух дозах галоперидола: высокой дозе (0,30 мг/кг) и низкой дозе (0,15 мг/кг). Haloperidol значительно увеличилось продолжительность позиции и задняя лапа контакт области в условиях низкой дозы, как можно было бы ожидать в модели PD. В состоянии высоких доз, мы обнаружили аналогичное увеличение в области контакта, но и неожиданное увеличение длины шага. С дальнейшим исследованием, мы обнаружили, что это увеличение длины шага согласуется с бодрящий побег явление обычно наблюдается в более высоких дозах галоперидола. Таким образом, PrAnCER удалось обнаружить как ожидаемые, так и неожиданные изменения в моделях походки грызунов. Кроме того, мы подтвердили, что PrAnCER является последовательным и точным по сравнению с ручной скоринга параметров походки.

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

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

Paw-Print Анализ контрастно-расширенных записей (PrAnCER): Низкая стоимость, открытый доступ Автоматизированная система анализа gait для оценки дефицита двигателя

Мы описываем новую систему анализа походки, Paw-Print Анализ Контрастно-расширенных записей (PrAnCER), автоматизированную систему открытого доступа для количественной оценки характеристик походки у крыс, которая использует новый полупрозрачный пол, чтобы автоматически количественной походки. Эта система была проверена с использованием галоперидол модели болезни Паркинсона.

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 ...

Мы представляем новую систему анализа походки, которая является удобной, доступной и точной альтернативой коммерческим системам походки. Использование полупрозрачного пола при правильном освещении создает высокие контрастные отпечатки лап, заслоняя тело животного. Наша система может быть использована для оценки двигательной функции в широком диапазоне травм и моделей заболеваний, таких как повреждение спинного мозга или нерва, нейродегенеративные заболевания и нервно-мышечные расстройства.И наш походка аппарата и автоматизированной программы PrAnCER могут быть легко адаптированы к различным установкам или животных моделей. Чтобы создать походка анализа дорожки, место ясно плексигласа прилагается дорожка на ясном полу плексигласа и покрыть пол с куском 16-фунтовый проект пергамента сократить до той же ширины, как дорожка. Затем поместите камеру с по крайней мере 30 кадров в секунду частоту кадров прямо под дорожку, чтобы захватить середину трека и обеспечить полосу 12-вольтового света, излучающего диодные огни с 18 светоизлучающих диодов на фут примерно в двух дюймах от и один дюйм выше пола дорожки для устранения трека.Чтобы приутужить животных к дорожке, поместите крысу домой клетку на уровне поверхности в конце походки дорожки, чтобы служить в качестве коробки цели и позволить крысе ходить от руки вниз по длине дорожки к домашней клетке. Крысы часто останавливаются в конце дорожки, чтобы осмотреться, прежде чем прыгать вниз в домашнюю клетку. Если крыса занимает больше одной минуты, чтобы выйти из дорожки, поощрять животное, чтобы войти в домашнюю клетку с нежным толчок.Если крыса поворачивается, используйте небольшой кусочек плексигласа, чтобы заблокировать стартовый конец дорожки. Когда крысы комфортно пересечения дорожки в устойчивом темпе без замораживания, настроить настройки на веб-камеру программного обеспечения для достижения четкой картины лапы печатает и записывать каждый запуск отдельно, маркировка работает надлежащим образом для использования с автоматизированной программой анализа. Подтвердив, что на пергаменте нет пятен или мусора, начните запись за несколько секунд до того, как крыса войдет в дорожку и остановится, как только крыса выйдет из дорожки и войдет в домашнюю клетку.Важно убедиться, что записанные видео захватывают по крайней мере четыре последовательных шага, которые происходят без паузы или ускорения, чтобы точно отражать двигательную функцию животного. Протрите вниз по дорожке с этанолом после каждой крысы, заменив пергамент по мере необходимости. Для анализа записей походки поместите все видео, которые будут проанализированы в одной папке, и запустите анализ отпечатков лап контрастных записей, или PrAnCER, Python скрипт.В всплывающем меню нажмите выберите папку, чтобы выбрать папку видео и выбрать соответствующие пользовательские параметры для анализа по желанию. Нажмите продолжить, когда закончите. Чтобы определить область интереса на изображении дорожки, слева нажмите, чтобы определить верхний край и правый щелчок, чтобы определить нижний край.Если поле, которое появляется правильно, нажмите N, чтобы продолжить. Программа будет работать автоматически. После завершения PrAnCER нажмите введите терминал, чтобы завершить программу.Затем вручную просмотрите вывод изображений PrAnCER, выдев скрипт Python, графический пользовательский интерфейс Gait Editor и выбрав соответствующий файл MP4 для каждого видео. Исправлять любые неправильно идентифицированные или объединенные отпечатки по мере необходимости. Чтобы извлечь пространственные и временные параметры походки, запустите анализатор параметров скрипта Python и выберите количество задних отпечатков для анализа и папку видео для анализа.Затем нажмите продолжить вывод файла csv для каждого видео, содержащего ряд общих параметров походки. Хотя это и не идентично ручной скоринга, PrAnCER выполняет с высокой точностью и генерирует надежные меры походки. Результаты группы контрольных видео показаны здесь для сравнения.Анализ длины шага PrAnCER существенно не отличался от ручного скоринга, однако в базе измерения поддержки наблюдалась существенная разница. Это, вероятно, связано с различиями в выборе центрирования, а не из-за ошибок обнаружения. У животных, обработанных высокодозным галоперидолом, наблюдается значительное увеличение длины шага и максимальной зоны контакта.Звери, учитывая низкие дозы галоперидола также демонстрируют значительное увеличение продолжительности позиции и максимальной области контакта. Кроме того, существует значительная разница между высокими и низкими дозами галоперидола условия в базе поддержки, максимальная площадь контакта, и интерлимб расстояние походки параметров. В то время как PrAnCER уже анализирует многие общие параметры spatiotemporal походки, код может быть изменен для оценки любых дополнительных характеристик походки, которые желает пользователь.Мы надеемся, что наша система сделает анализ походки более доступным для исследователей, которые хотели бы простой и доступный способ измерения двигательной функции.

Research

JoVE Journal

Behavior

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

Construction of Microdrive Arrays for Chronic Neural Recordings in Awake Behaving Mice

Строительство Microdrive массивы для нейронной Хронический Записи в Awake Поведение мышей

State-of-the-art electrophysiological recordings from the brains of freely behaving animals allow researchers to simultaneously examine local field ...

Contextual and Cued Fear Conditioning Test Using a Video Analyzing System in Mice

Контекстная и подают реплики Страх принадлежности Тест Использование видео параметры системы у мышей

The contextual and cued fear conditioning test is one of the behavioral tests that assesses the ability of mice to learn and remember an association ...

Cortical Source Analysis of High-Density EEG Recordings in Children

Кортикальная Источник Анализ высокой плотности ЭЭГ Recordings у детей

EEG is traditionally described as a neuroimaging technique with high temporal and low spatial resolution. Recent advances in biophysical modelling and ...

Protocol for Data Collection and Analysis Applied to Automated Facial Expression Analysis Technology and Temporal Analysis for Sensory Evaluation

Протокол для сбора и анализа данных прикладной к автоматизированным мимические технологии анализа и временного анализа для сенсорной оценке

We demonstrate a method for capturing emotional response to beverages and liquefied foods in a sensory evaluation laboratory using automated facial ...

Automated Analysis of a Nematode Population-based Chemosensory Preference Assay

Автоматизированный анализ хемосенсорного предпочтения на основе нематод

The nematode, Caenorhabditis elegans' compact nervous system of only 302 neurons underlies a diverse repertoire of behaviors. To facilitate the dissection ...

A Simple and Low-cost Assay for Measuring Ambulation in Mouse Models of Muscular Dystrophy

Простой и недорогой Assay для измерения передвигаться в моделях мыши мышечной дистрофии

Measuring functional outcomes in the treatment of muscular dystrophy is an essential aspect of preclinical testing. The assessment of voluntary ambulation ...

Clinical-oriented Three-dimensional Gait Analysis Method for Evaluating Gait Disorder

Клинико ориентированный трехмерной походка метод анализа для оценки расстройства походки

Three-dimensional gait analysis (3DGA) is shown to be a useful clinical tool for the evaluation of gait abnormality due to movement disorders. However, ...

Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress

Применение стресс хроническим сдержанность лоу кост протокола анализа след и висит ящик тест для мышей

Gait disturbance is frequently observed in patients with movement disorders. In mouse models used for movement disorders, gait analysis is important ...

3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

3D кинематический анализ гайт для доклинических исследований у грызунов

The utility of three-dimensional (3D) kinematic motion analysis systems is limited in rodents. Part of the reason for this inadequacy is the use of ...

Evaluating Skilled Prehension in Mice Using an Auto-Trainer

Оценка квалифицированных Предениза в мышах с помощью авто-тренер

We describe a method to introduce na&#239;ve mice to a novel prehension (reach-to-grasp) task. Mice are housed singly in cages with a frontal slot that ...