Name: low-cost gait analysis for behavioral phenotyping of mouse models of neuromuscular disease
Uploaded: 2019-07-18T15:00:00
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Les auteurs tiennent à remercier A.M. pour son aide à l'identification des animaux. Ces travaux ont été soutenus par des subventions des National Institutes of Health des États-Unis (R01 7 RF1 AG057264 à A.R.L.S. et C.J.C. et R01 NS100023 à A.R.L.S) et de la Muscular Dystrophy Association (Basic Research Grant to A.R.L.S., Development Grant to C.J.C.).

Tous les tests effectués sur des souris ont été examinés et approuvés par le Comité institutionnel de soins et d'utilisation des animaux (IACUC) de l'Université Duke. Le personnel responsable des tests et de la notation doit être aveuglé par le génotype des animaux ou l'état expérimental jusqu'à ce que l'analyse de la démarche et la notation des documents aient été effectuées pour l'ensemble de la cohorte.
1. Test de la préparation des matériaux
<ol><li>Effectuez des essai...

<ol>
	<li>Clarke, K. A., Still, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+consistency+of+gait+in+the+mouse.">Development and consistency of gait in the mouse.</a> Physiology &amp; Behavior. 73 (1-2), 159-164 (2001).</li><li>Mendes, C. S., 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=Quantification+of+gait+parameters+in+freely+walking+rodents.">Quantification of gait parameters in freely walking rodents.</a> BMC Biology. 13, 50 (2015).</li><li>Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+coordination+and+balance+in+rodents.">Motor coordination and balance in rodents.</a> Current Protocols in Neuroscience. , (2001).</li><li>Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., 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=Exercise+induces+behavioral+recovery+and+attenuates+neurochemical+deficits+in+rodent+models+of+Parkinson's+disease.">Exercise induces behavioral recovery and attenuates neurochemical deficits in rodent models of Parkinson's disease.</a> Neuroscience. 119 (3), 899-911 (2003).</li><li>Pallier, P. N., Drew, C. J., Morton, 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=The+detection+and+measurement+of+locomotor+deficits+in+a+transgenic+mouse+model+of+Huntington's+disease+are+task-+and+protocol-dependent:+influence+of+non-motor+factors+on+locomotor+function.">The detection and measurement of locomotor deficits in a transgenic mouse model of Huntington's disease are task- and protocol-dependent: influence of non-motor factors on locomotor function.</a> Brain Research Bulletin. 78 (6), 347-355 (2009).</li><li>Sugimoto, H., Kawakami, K. <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+Protocol+of+Footprint+Analysis+and+Hanging+Box+Test+for+Mice+Applied+the+Chronic+Restraint+Stress.">Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), (2019).</li><li>Carter, R. J., 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=Characterization+of+progressive+motor+deficits+in+mice+transgenic+for+the+human+Huntington's+disease+mutation.">Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington's disease mutation.</a> Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).</li><li>Barlow, C., 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=Atm-deficient+mice:+a+paradigm+of+ataxia+telangiectasia.">Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia.</a> Cell. 86 (1), 159-171 (1996).</li><li>Cortes, C. J., 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=Muscle+expression+of+mutant+androgen+receptor+accounts+for+systemic+and+motor+neuron+disease+phenotypes+in+spinal+and+bulbar+muscular+atrophy.">Muscle expression of mutant androgen receptor accounts for systemic and motor neuron disease phenotypes in spinal and bulbar muscular atrophy.</a> Neuron. 82 (2), 295-307 (2014).</li><li>D'Hooge, R., 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=Neuromotor+alterations+and+cerebellar+deficits+in+aged+arylsulfatase+A-deficient+transgenic+mice.">Neuromotor alterations and cerebellar deficits in aged arylsulfatase A-deficient transgenic mice.</a> Neuroscience Letters. 273 (2), 93-96 (1999).</li><li>Fernagut, P. O., Diguet, E., Labattu, B., Tison, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+method+to+measure+stride+length+as+an+index+of+nigrostriatal+dysfunction+in+mice.">A simple method to measure stride length as an index of nigrostriatal dysfunction in mice.</a> Journal of Neuroscience Methods. 113 (2), 123-130 (2002).</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's+disease+or+amyotrophic+lateral+sclerosis.">Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson's disease or amyotrophic lateral sclerosis.</a> Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).</li><li>Harper, S. Q., 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=RNA+interference+improves+motor+and+neuropathological+abnormalities+in+a+Huntington's+disease+mouse+model.">RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington's disease mouse model.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (16), 5820-5825 (2005).</li><li>Lin, C. H., 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=Neurological+abnormalities+in+a+knock-in+mouse+model+of+Huntington's+disease.">Neurological abnormalities in a knock-in mouse model of Huntington's disease.</a> Human Molecular Genetics. 10 (2), 137-144 (2001).</li><li>Sopher, B. L., 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=Androgen+receptor+YAC+transgenic+mice+recapitulate+SBMA+motor+neuronopathy+and+implicate+VEGF164+in+the+motor+neuron+degeneration.">Androgen receptor YAC transgenic mice recapitulate SBMA motor neuronopathy and implicate VEGF164 in the motor neuron degeneration.</a> Neuron. 41 (5), 687-699 (2004).</li><li>Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., 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=Detection+of+behavioral+impairments+correlated+to+neurochemical+deficits+in+mice+treated+with+moderate+doses+of+1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine.">Detection of behavioral impairments correlated to neurochemical deficits in mice treated with moderate doses of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine.</a> Experimental Neurology. 178 (1), 80-90 (2002).</li><li>Wheeler, V. C., 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=Early+phenotypes+that+presage+late-onset+neurodegenerative+disease+allow+testing+of+modifiers+in+Hdh+CAG+knock-in+mice.">Early phenotypes that presage late-onset neurodegenerative disease allow testing of modifiers in Hdh CAG knock-in mice.</a> Human Molecular Genetics. 11 (6), 633-640 (2002).</li><li>Clayton, J. A., Collins, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Policy:+NIH+to+balance+sex+in+cell+and+animal+studies.">Policy: NIH to balance sex in cell and animal studies.</a> Nature. 509 (7500), 282-283 (2014).</li><li>Maricelli, J. W., Lu, Q. L., Lin, D. C., Rodgers, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trendelenburg-Like+Gait,+Instability+and+Altered+Step+Patterns+in+a+Mouse+Model+for+Limb+Girdle+Muscular+Dystrophy+2i.">Trendelenburg-Like Gait, Instability and Altered Step Patterns in a Mouse Model for Limb Girdle Muscular Dystrophy 2i.</a> PLoS One. 11 (9), e0161984 (2016).</li><li>Castelhano-Carlos, M. J., Sousa, N., Ohl, F., Baumans, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+methods+in+newborn+C57BL/6+mice:+a+developmental+and+behavioural+evaluation.">Identification methods in newborn C57BL/6 mice: a developmental and behavioural evaluation.</a> Lab Animals. 44 (2), 88-103 (2010).</li><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 Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).</li></ol>

En utilisant la méthode d'analyse de démarche à faible coût décrite ci-dessus, nous montrons l'identification réussie de plusieurs paramètres du dysfonctionnement de démarche aux âges post-symptomatiques dans le modèle de souris de FXFX121 de BAC de SBMA. Les diminutions de la longueur de foulée sont compatibles avec les études antérieures de SBMA des modèles de souris et des patients humains9. Nous montrons également pour la première fois qu'il y a des différences significatives ...

La locomotion nécessite une coordination neurologique et musculo-squelettique complexe, et les déficits dans un seul aspect des voies motrices peuvent produire des anomalies observables de la démarche1,2. L'analyse de la démarche est un outil essentiel pour les chercheurs qui testent des modèles murins parce qu'elle fournit des données comportementales quantifiables sur la façon dont une maladie, une blessure ou un médicament donné affecte le mouvement d'un animal3. Cependant, l'analyse numérisée de la démarche nécessite l'achat d'un tapis roulant, d'une caméra et d'un logiciel connexe, ce qui peut être prohibitif pour les chercheurs. L'analyse de la démarche est souvent utilisée par intermittence pour suivre les changements longitudinals dans la fonction motrice, d'où il peut être difficile de justifier les dépenses si sporadiquement utilisé4. Bien que les analyses numérisées puissent fournir des mesures de démarche plus détaillées que la simple analyse de l'empreinte, ces mesures plus complexes ne sont pas toujours nécessaires ou pertinentes pour la caractérisation d'un phénotype comportemental5.
Ici, nous présentons une méthode d'analyse manuelle à faible coût de l'empreinte comme une alternative rapide et sensible aux programmes numérisés d'analyse de la démarche6,7. L'analyse manuelle d'empreinte a été démontrée pour détecter des différences significatives de démarche dans une multitude de modèles de maladie surine4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17, et dans au moins un cas, cette méthode à faible coût a identifié des changements dans la démarche qui n'ont pas été détectés par un programme d'analyse de la démarche numérisée commune12. Le coût total des matériaux est nominal, et il peut être facilement adapté à d'autres modèles de recherche sur les rongeurs.
Bien qu'il existe de nombreuses mesures de démarche différentes à partir desquelles les données peuvent être tirées, la méthode que nous décrivons se concentre sur trois mesures spécifiques: la longueur de foulée, la largeur de foulée (alias "largeur de piste"), et la propagation des orteils. Il est important de noter que les paramètres à évaluer doivent être déterminés selon le modèle. Cette méthode d'analyse de la démarche n'est pas conçue pour mesurer la fonction cognitive, et elle n'est pas recommandée pour les études qui nécessitent des mesures biomécaniques complexes de la démarche16.
Nous présentons des données comportementales d'une cohorte de souris pré- et post-symptomatiques modelant l'atrophie musculaire spinale et Bulbar X-liée (SBMA), une maladie neuromusculaire caractérisée par la dégénérescence de neurone moteur et l'atrophie de muscle. Ces souris développent des déficits progressifs dans la démarche qui coïncident avec le début d'autres phénotypes spécifiques à la maladie. Cela démontre la validité et la spécificité de cette méthode, et confirme qu'elle peut faire une distinction fiable entre les animaux touchés et les animaux non touchés.
Les souris expérimentales dans cette étude étaient 2.5 (pré-symptomatique) et 9 mois-vieux (post-symptomatique) souris transgéniques de BAC fxAR121 sur un fond c57BL/6 (nexpt'12). Ce modèle a été généré dans notre laboratoire et a été entièrement caractérisé comme un modèle de souris puissant de SBMA9. Les litières non transgéniques ont été utilisées comme témoins (nctrlno 8). SBMA est une maladie sex-limited qui se manifeste entièrement chez les mâles seulement, de sorte que les souris mâles ont été utilisés exclusivement pour cette étude. Au cours des étapes de planification, les chercheurs doivent tenir compte des considérations des National Institutes of Health relatives au sexe en tant que variable biologique pour déterminer la taille et la composition des groupes18.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Caliper</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>must have markings down to 0.1 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Craft Glue</td>
			<td>E6000</td>
			<td>n/a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Footprint Paint (Tempera Paint)</td>
			<td>Artmind</td>
			<td>n/a</td>
			<td>must be non-toxic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round Barrel Paintbrushes</td>
			<td>Symply Simmons</td>
			<td>n/a</td>
			<td>0.5 cm diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ruler</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>must have markings down to millimeters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scoring Paper (Watercolor Pads)</td>
			<td>Canson</td>
			<td>n/a</td>
			<td>cut to size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tunnel and Goal Chamber</td>
			<td>Interstate Plastics</td>
			<td>n/a</td>
			<td>cut to size</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

low-cost gait analysis for behavioral phenotyping of mouse models of neuromuscular disease

La mesure de la locomotion animale est un outil comportemental commun utilisé pour décrire le phénotype d'une maladie, d'une blessure ou d'un modèle de drogue donné. La méthode à faible coût de l'analyse de la démarche démontrée ici est une mesure simple mais efficace des anomalies de la démarche dans les modèles murins. Les empreintes de pas sont analysées en peignant les pieds d'une souris avec de la peinture lavable non toxique et en permettant au sujet de marcher à travers un tunnel sur une feuille de papier. La conception du tunnel d'essai tire parti du comportement naturel de la souris et de leur affinité pour les petits endroits sombres. La longueur de foulée, la largeur de foulée et la propagation des orteils de chaque souris sont facilement mesurées à l'aide d'une règle et d'un crayon. Il s'agit d'une méthode bien établie et fiable, et elle génère plusieurs mesures qui sont analogues aux systèmes numériques. Cette approche est suffisamment sensible pour détecter les changements de foulée au début de la présentation du phénotype, et en raison de son approche non invasive, elle permet d'tester des groupes à travers la durée de vie ou la présentation phénotypique.

Avec un nombre suffisant d'animaux, cette procédure est capable de détecter les différences de démarche entre les génotypes de souris, dans la même souche au fil du temps. La figure 1B montre des traces représentatives d'images d'empreintes recueillies dans notre laboratoire, à l'aide d'un modèle de souris d'atrophie musculaire spinale et boulbar (SBMA) liée à l'X, un trouble neurodégénératif affectant les neurones moteurs inférieurs et le muscle squelettique. Nous avons préc...

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Low-Cost Gait Analysis for Behavioral Phenotyping of Mouse Models of Neuromuscular Disease

L'analyse de l'empreinte est une alternative peu coûteuse aux programmes numérisés d'analyse de la démarche pour les chercheurs quantifiant les anomalies du mouvement chez la souris. En raison de sa vitesse, de sa simplicité et de son potentiel longitudinal, il est idéal pour le phénotypage comportemental des modèles murins.

Analyse de la démarche à faible coût pour le phénotypage comportemental des modèles de souris de la maladie neuromusculaire

Measurement of animal locomotion is a common behavioral tool used to describe the phenotype of a given disease, injury, or drug model. The low-cost method ...

L’analyse de l’empreinte est une alternative peu coûteuse pour numériser les programmes d’analyse de la démarche pour les chercheurs quantifiant les anomalies de mouvement chez la souris. En raison de sa vitesse, de sa simplicité et de son potentiel longitudinal, cette méthode est idéale pour le phénotypage comportemental des modèles muraux, y compris les modèles de maladies neurodégénératives, de maladies neuromusculaires ou d’accidents vasculaires cérébraux. Virginia Wertman, technicienne de recherche de mon laboratoire, démontrera la procédure.Avant de commencer l’expérience, acclimater les souris qui ont été complètement éveillées et alertes pendant au moins cinq minutes à la salle d’essai pendant 30 minutes. Placez le tunnel sur une bande de papier légèrement plus large et plus longue que la longueur et la largeur du tunnel. Marquez le papier avec l’iD de la souris et la date de test.Ajouter des graines de tournesol à la chambre de but pour la motivation si nécessaire et fermement débrailler la première souris à être testé. À l’aide de pointes de brosse coniques d’environ 0,5 centimètre de diamètre, peignez tout le dessous de tous les pieds et le centre de chaque balançoire avec une couleur de peinture non toxique à base d’eau lavable. Enduire les pattes postérieures d’une couleur de peinture non toxique à base d’eau non toxique de la même manière.Utilisez un chiffon humide propre pour enlever toute peinture que la souris obtient sur d’autres parties de son corps pour prévenir les taches qui peuvent interférer avec la collecte de données. Placez ensuite la souris au début du tunnel. Laissez la souris marcher jusqu’à la chambre des buts avant de récupérer l’animal pour nettoyer doucement ses pieds avec un chiffon humide à l’eau.Retournez ensuite la souris dans sa cage d’origine et essuyez la zone d’essai et le tunnel à l’aide d’un désinfectant avant de tester l’animal suivant. Pour une notation précise, laissez sécher complètement les empreintes avant de sélectionner des étapes qui sont systématiquement espacées d’empreintes claires non bavures. Pour générer suffisamment de données de notation, il doit y avoir au moins deux étapes consécutives de chaque pied.N’incluez pas les premières et dernières empreintes de pas sur le papier car il est peu probable qu’elles représentent une démarche normale parce que la souris changeait sa vitesse de marche. Pour définir la longueur de foulée comme la distance entre deux empreintes séquentielles créées par le même pied, utilisez un crayon pour dessiner un cercle de deux à quatre millimètres autour de la région de l’avant-pied des deux empreintes de membre antérieur en une seule foulée et utilisez une règle pour tracer une ligne entre les cercles. Enregistrez la distance entre deux impressions du milieu de chaque cercle comme avant droit ou avant gauche le cas échéant et répétez la mesure pour chacune des étapes qui peuvent être notées.Ensuite, la moyenne de toutes les distances de foulée enregistrées individuelles pour chaque membre faisant la moyenne des scores individuels au sein d’une cohorte ensemble comme expérimentalement approprié. Pour définir la largeur de foulée comme la distance entre les membres antérieurs gauche et droit ou les limites postérieures, tracez et mesurez une ligne de la région encerclée de l’avant-pied d’un membre postérieur qui se croise perpendiculairement avec la ligne pour la longueur de foulée sur l’arrière-plan contralatéral. Répétez cette mesure pour toutes les impressions postérieures qui peuvent être notées et faire la moyenne des mesures.Pour définir la propagation de l’orteil comme la distance entre le premier et le dernier orteil sur une seule empreinte avant ou postérieur, utilisez des étriers pour mesurer la distance entre la pointe de la première empreinte de l’orteil et la pointe de la dernière empreinte de l’orteil. Répétez ensuite la mesure pour toutes les impressions postérieures qui peuvent être notées et faire la moyenne des mesures. Avec un nombre suffisant d’animaux, cette procédure est capable de détecter les différences de démarche entre les génotypes de souris dans la même souche au fil du temps.Par exemple, ici, des traces représentatives d’images d’empreinte recueillies à l’aide d’un modèle mur mouse de l’atrophie musculaire spinale et bulbaire x-liée, une maladie neurodégénérative affectant les neurones moteurs inférieurs et le muscle squelettique sont montrés. L’analyse de démarche des souris mâles transgéniques et de portée transgéniques pré symptomatiques et post-symptomatiques révèle qu’avant l’apparition de la maladie, les souris transgéniques affichent une longueur de foulée, une largeur de foulée et une propagation des pieds similaires par rapport à leurs témoins non transgéniques. Après l’apparition de la maladie cependant, les animaux transgéniques présentent des longueurs de foulée significativement plus courtes.L’analyse longitudinale semblable n’a indiqué aucune différence dans la largeur de foulée à l’un ou l’autre âge examiné. Les souris transgéniques post-symptomatiques ont également une propagation significativement plus étroite de l’orteil postérieur que les commandes de compagnons de litière assorties à l’âge. Une application correcte de la peinture sur les pattes donnera les meilleurs résultats.N’oubliez pas que seules les étapes qui sont systématiquement espacées avec des empreintes claires non bavures doivent être notées. Cette technique est suffisamment sensible pour détecter des changements mineurs dans la foulée. Et en raison de son approche non invasive, il permet de tester des groupes tout au long de leur durée de vie de présentation phénotypique et des interventions thérapeutiques.

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