3D kinematische Gait-analyse voor preklinische studies bij knaagdieren
Summary
Hier is een protocol voor het verzamelen en analyseren van driedimensionale kinematica van quadrupedal motoriek bij knaagdieren voor preklinische studies.
Abstract
Het nut van driedimensionale (3D) kinematische bewegingsanalyse systemen is beperkt in knaagdieren. Een deel van de reden voor deze ontoereikendheid is het gebruik van complexe algoritmen en wiskundige modellering die gepaard gaan met 3D-gegevensverzamelings-en analyseprocedures. Dit werk biedt een eenvoudige, gebruiksvriendelijke stap-voor-stap gedetailleerde methodologie voor 3D kinematische gang-analyse tijdens loopband voortbeweging in gezonde en neurotraumatische ratten met behulp van een motion capture-systeem met zes camera’s. Ook voorzien zijn details over 1) kalibratie van het systeem in een experimentele set-up aangepast voor quadrupedal motoriek, 2) gegevensverzameling voor loopband motoriek bij volwassen ratten met behulp van markers gepositioneerd op alle vier de ledematen, 3) opties beschikbaar voor video tracking en verwerking, en 4) elementaire 3D-kinematische gegevens generatie en visualisatie en kwantificering van gegevens met behulp van de ingebouwde gegevensverzamelings software. Ten slotte wordt gesuggereerd dat het nut van deze motion capture-systeem worden uitgebreid naar het bestuderen van een verscheidenheid van motorische gedragingen voor en na neuro trauma.
Introduction
Bij knaagdieren worden de tekorten van forelimb en achterpoot locomotief na neurologische aandoeningen vaak beoordeeld met behulp van subjectieve scorings systemen1. Geautomatiseerde systemen2,3,4,5 zijn aangenomen voor de analyse van de loop, maar hebben nadelen, omdat de primaire uitkomsten zijn gebaseerd op footprint analyse en niet in het vastleggen van cruciale segmentale en gezamenlijke kinematische variabelen die anders echte kinematica van bewegingen van ledematen kunnen onthullen2. Aangezien de meeste gang parameters gecorreleerd zijn, is een verzameling van parameters nodig om de compensaties te begrijpen die door ratten zijn aangenomen om motorische tekorten volledig te beoordelen.
In het afgelopen decennium zijn verschillende 3D-Bewegingsanalyse systemen6 ontwikkeld voor biomedisch onderzoek bij de mens. Deze systemen zijn succesvol en bewezen effectief in het opvangen van tekorten in motoriek bij gezonde menselijke volwassenen en veranderde kinematica van het lopen van6,7. Bij knaagdieren, momenteel beschikbare 3D kinematische bewegingssystemen nemen complexe algoritmen en modellering voor het bewegingsgedrag en gebruik maken van geavanceerde data-analysetechnieken8,9,10,11 , die uiteindelijk hun veelzijdigheid te beperken. Bovendien worden de methoden die worden gebruikt voor het verzamelen van gegevens met de meeste 3D-motion capture-systemen niet voldoende toegelicht in de literatuur. De details over gegevensverzameling en analyseprocedures, beperkingen en technieken die betrokken zijn bij het effectief gebruik van het systeem ontbreken.
Daarom is een van de gemeenschappelijke begrippen onder onderzoekers dat 3D motion tracking kinematische evaluaties nogal omslachtige en tijdrovende procedures zijn die technische expertise en uitgebreide gegevensanalyse nodig hebben. De bedoeling van dit werk is om de protocollen voor het verzamelen en analyseren van gegevens af te breken en de methodologie te beschrijven via een stapsgewijs proces, zodat het objectief, gemakkelijk te leren is en systematisch kan worden benaderd. Vandaag de dag is er een opkomende nadruk op het beoordelen van functioneel motorische gedrag op een uitgebreidere en systematische manier na neurologische verwondingen en interventies in preklinische studies.
Op het gebied van quadrupedal locomotief, hier gepresenteerd is het gebruik van een 3D-bewegings volgsysteem dat aanvullende informatie kan bieden, zoals lichaamshouding, paw-rotatie met betrekking tot lichaams assen, onderlinge relaties van gewrichten en nauwkeurigere informatie met betrekking tot de coördinatie, terwijl tegelijkertijd het hele dier uit alle vliegtuigen wordt gevisualiseert. Dit, op zijn beurt, kritische verschillen in motorische gedrag binnen en tussen gezonde en gewonde ratten kan onthullen door middel van meerdere uitkomsten. Met een meer verfijnde Kinematische analyse die nauwkeurig en objectief is, wordt het risico van ten onrechte onvruchtingseffecten van een interventie geminimaliseerd. De gegenereerde gegevens van deze motion capture-software worden frame-voor-frame gevisualiseerd voor de kwaliteit van de beweging en kunnen automatisch worden bijgehouden, en het verzamelen of kwantificeren van gegevens vereist geen extra algoritmen of modellering. Het doel van dit werk is het verschaffen van methodologische details en overwegingen die betrokken zijn bij het verzamelen van en analyseren van 3D-gang-kinematica tijdens loopband bewegingen in gezonde en ruggenmerg gewonde ratten. Dit protocol is bedoeld voor gebruik door preklinische onderzoekers die gebruik maken van neurologische rat modellen in experimenten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol artikel demonstreert het gebruik van een bewegings volgsysteem voor het verzamelen en analyseren van 3D kinematische gegevens tijdens viervoetige loopband motoriek bij knaagdieren. Belangrijke kenmerken van het 3D-KINEMATISCH bewegingsanalyse systeem zijn een gedetailleerde kwantificering van kinematica van gezamenlijke beweging (stap fase kinematica, gewrichts hoeken, bewegingsbereik, stap snelheden) van meerdere gewrichten en ledematen tegelijk, detectie van motorische tekorten onmeetbaar door het blote oog, eliminatie van subjectieve bias in het verzamelen en analyseren van gegevens, en eenvoudige visualisatie van de hele ledematen en houdings kinematica die kunnen worden vergeleken met gelijktijdige nevenschikking van de hele rat in beweging. Zonder de noodzaak voor toegevoegde algoritmen en modellering, tonen de methoden de mogelijkheid van de software om kinematica van gang kwantitatief te analyseren met veel detail, efficiëntie, gemak, precisie en reproduceerbaarheid.
Bij knaagdieren worden de tekorten van forelimb en achterpoot locomotief na een ruggenmergletsel (SCI) vaak beoordeeld met behulp van subjectieve en gestandaardiseerde systemen voor het scoren van locomotief, zoals het BBB scoring system1. Subjectieve scorings systemen introduceren in het algemeen tester bias omdat verschillende onderzoekers verschillende scores kunnen toekennen voor hetzelfde motor tekort of dezelfde score voor verschillende motorische tekorten, wat resulteert in verminderde reproduceerbaarheid en gevoeligheid van de test13 . Bovendien draagt het onvermogen om subtiele tekorten op te sporen het risico dat de effecten van een interventie ten onrechte worden afgeleid.
Om deze problemen te bestrijden, zijn geautomatiseerde systemen2,3,4,5 en systemen met of zonder gebruik van complexe algoritmen14,15 door sommige onderzoekers overgenomen. Deze tests uitvoeren stap cyclus analyse die gewicht lager profielen en stap sequentie patronen afgeleid van paw plaatsing bewegingen van ratten lopen over een landingsbaan onthullen. Een groot nadeel van ventrale vliegtuig video analyse is echter dat het lichaam van het onderwerp zelf niet direct zichtbaar is2,3. Deze gegevens worden beperkt tot informatie die is verkregen uit indrukken van voeten en poot bewegingen, waarbij de selectie en interpretatie van de parameters bij het beoordelen van tekorten wordt verhogend (Zie Chen et al.16). Details van beweging die dynamische segmentale kinematica van beweging van de ledematen en positionering onthullen zijn niet nauwkeurig verkrijgbaar voor motoriek analyse3,5. Kritische afwijkingen van de gegevens van de gezamenlijke hoek (d.w.z. het bereik van bewegingen, de snelheid van bewegingen, enz.), de relatie van gewrichten ten opzichte van elkaar binnen een ledemaat en tussen ledematen, en onderliggende lichaams mechanica die de gang patronen veranderen, zijn onmogelijk te verkrijgen. Als zodanig, of eventuele waarneembare gang-beperkingen het gevolg zijn van veranderingen in enkelvoudige en/of meervoudige segmentale gewrichts bewegingen (d.w.z. proximale-distale intralimb-coördinatie, houdings verhoudingen van de romp met betrekking tot de positie en de gang cyclus van ledematen, enz.) blijven gemaskeerd.
Weinig momenteel beschikbare systemen vangen gang kinematica en beoordelen motorische disfunctie kwalitatief en kwantitatief, maar worden minder veel gebruikt. Een full-body video-tracking-analysesysteem met hoge snelheid maakt spontane gang cycli van drie zijden (één ventrale en twee laterale vlakken) en spoor Bony-monumenten op om een aantal gang-uitkomsten17,18uit te voeren. De kinematische gang-analyse van het sagittale vlak wordt door sommige onderzoekers gebruikt om 2D-bewegingsgegevens te verkrijgen van de geïnteresseerde achterledemaat19,20. Een derde dimensie van beweging die orthogonaal op het kijkvlak (laterale of Sagittaal) voorkomt, is echter niet detecteerbaar in de analyses11,18,19.
Andere geavanceerdere, 3D, drie Body-segment knaagdieren lichaam houdings gegevensverzamelingssystemen maken gebruik van 3D-wiskundige modellering van gegevensverzameling en analysesysteem om de 3D-beweging van de lichaams segmenten van de knaagdieren te volgen en te kwantificeren, terwijl het hoofd bewegingspatronen8. Madete et al.9 hebben een marker gebaseerd opto-elektronische motion capture-systeem ontwikkeld om 3D Body houdings kinematica te kwantificeren tijdens bovengrondse motoriek op wandel balken met behulp van een zeven camerasysteem. De belangrijkste uitkomsten bestudeerd in de laatste twee werken richten zich vooral op de algehele houding van het knaagdier in plaats van een gang analyse. 3D motion capture-systemen bieden hoge doorvoer 3D kinematische gang gegevens met behulp van meerdere camera’s en uitgebreide software systemen, zoals beoordeeld door Bhimani et al.21. Oudere versies van het gepresenteerde 3D-Bewegingsanalyse systeem zijn ook gebruikt in eerdere werkzaamheden bij ratten met en zonder neuro trauma12,22,23.
Ondanks de beschikbaarheid van 3D-systemen voor bewegings inzameling en-analyse voor onderzoek, blijft het preklinisch gebruik van deze techniek bij knaagdieren relatief beperkt. Een deel van de reden voor dit probleem is dat de protocollen voor het verzamelen en analyseren van gegevens sterk afhankelijk zijn van het gebruik van kinematische modellen en ingewikkelde algoritmen die passen bij een KINEMATISCH model van de achterledemaat van de rat tijdens het lopen om een fijne, hoge resolutie te genereren gang kinematica8,9,11,22. De gedetailleerde methodologie die hier wordt gepresenteerd, bevat nadere bijzonderheden over de procedure die tijdens het experimentele proces betrokken is, waaronder de behandeling van dieren, training, experimentele opstelling, gegevensverzameling en analysestappen.
Ook zijn details over de kalibratie van het systeem, dat is het fundamentele deel van het Protocol, dat de reproduceerbaarheid tussen de aangrenzende proeven binnen en tussen onderwerpen verzekert zal. De beschreven stap-voor-stap technieken introduceren objectiviteit in de procedure voor het verzamelen van gegevens en maken deze zeer reproduceerbaar. De gegenereerde gegevens van deze motion capture-software kunnen frame-voor-frame worden gevisualiseerd voor de kwaliteit van de beweging en automatisch worden bijgehouden. Verder beschreven is hoe deze verzameling of kwantificering van gegevens geen extra algoritmen of modellering vereist. Studenten, medewerkers en onderzoekers kunnen gebruik maken van eenvoudige statistische software om elementaire kinematische uitvoer te genereren zonder te vertrouwen op specifieke technische expertise.
Dit systeem kan ook worden gebruikt voor bovengrondse motoriek, bereiken en grijpen, en andere experimentele opstellingen om het experimentele doel aan te passen. Het aantal en het type markeringen kunnen desgewenst ook worden aangepast voor de staart, achterkant, romp of oren. Een groter voordeel van de gepresenteerde software in vergelijking met systemen is de mogelijkheid om hoge-resolutie videogegevens van het onderwerp te verzamelen. Als zodanig kunnen complexe sets van berekeningen (d.w.z. hoek bewegingen, stok lijnen die meerdere gewrichten verbinden, enz.) worden bovenop de opgenomen video. De plaatsing van de marker en de gegenereerde 3D-gegevens kunnen worden geverifieerd met daadwerkelijke bewegingen van een rat in beweging. In tegenstelling, met de andere 3D motion capture systeem, alleen de markers worden vastgelegd, en elke re-analyse moet worden gedaan op de stok diagrammen (skelet kader) in plaats van de video van de eigenlijke onderwerp. Bijgevolg ontbreekt de controle van de plaatsing van de marker op de eigenlijke beweging van het onderwerp.
Op basis van ervaring met dit systeem speelt kalibratie een cruciale rol in het succes van het verzamelen van gegevens. De kalibratie van het systeem is zeer gevoelig voor verandering. en een lichte beweging van een camera kan het volledige verzamelen en analyseren van gegevens van 3D-coördinaten in gevaar brengen. Er zijn slechts twee camera’s aan elke kant van een kijkvlak vereist voor het verzamelen van gegevens, maar de derde camera wordt ten zeerste aanbevolen om meer nauwkeurigheid te bieden door de locaties van elke marker met andere camera’s te kruisen. Naarmate het aantal tracking camera’s toeneemt, zal de nauwkeurigheid van de 3D-coördinaat voor een specifieke marker ook toenemen. In gevallen waarin markers worden verduisterd als gevolg van gang tekorten (zoals Teen curling of slepen in het geval van gang na neuro trauma), kunnen deze voorwaarden vereisen uitgebreide handmatige tracking. Niettemin, de hoeveelheid gegevens die uiteindelijk gegenereerd uit de tracking is waardig van de tijd geïnvesteerd in het handmatig volgen van de markers, waardoor het een onschatbare hulpmiddel bij het opsporen van subtiele motorische tekorten.
In onze ervaring ligt elke teijdigheid die gepaard gaat met het gebruik van het systeem buiten het gebruik van de apparatuur en technologie zelf. Vergelijkbaar met andere protocollen voor de beoordeling van motorische gedragingen, de methode waarmee ratten worden gehanteerd en getraind voor de taak sterk beïnvloedt resultaten. Bijvoorbeeld, het isoleren van ratten uit hun cohort is van cruciaal belang tijdens het testen; anders, ratten die niet zijn getest, maar nog steeds aanwezig zijn tijdens het testen tonen uiteindelijke verslechtering van de prestaties van de taak. Optimale kamertemperaturen, verlichting en geluidsniveaus zijn andere determinanten. Fouad et al. publiceerde andere uitdagingen die functionele motortesten bij ratten24begeleiden. Zelfs geblindeerde gebruikers uit dit laboratorium die de methodologie correct volgden, ondervinden geen grote hindernissen met gegevensverzameling, bewegingsregistratie en gegevensanalyse.
In dit document wordt een 3D motion capture-systeem voor het effectief verzamelen en analyseren van locomotief gegevens beschreven, zodat onderzoekers enorme hoeveelheden in-depth bewegingsgegevens snel van meerdere ratten kunnen verzamelen. We werken momenteel aan het maken van een geautomatiseerde data analyse-sjabloon die in de software kan worden ingebouwd en in staat zal zijn om binnen enkele seconden een rapport van vooraf bepaalde uitkomsten te genereren voor loopband motoriek bij knaagdieren, vergelijkbaar met wat wordt gedaan in menselijke studies met behulp van motion capture en analysesystemen6,25. De ontwikkeling van deze sjabloon zal preklinische onderzoekers toelaten om gedetailleerde knaagdier locomotief gegevens te verkrijgen met het gemak van een paar klikken van een muisknop. Het is te hopen dat de methoden die in dit werk worden geboden, nuttig zullen blijken voor preklinische onderzoekers om het gedrag van knaagdieren op een meer objectieve wijze te beoordelen. We zijn nu op de hoogte van het gebruik van dit systeem voor het verzamelen van 3D-kinematische gegevens met hoge doorvoer tijdens gemeenschappelijk, bekwaam gedrag van forelimb, zoals bereiken en grijpen. Belangrijk is dat het nut van deze methode kan worden uitgebreid tot ratten met een verscheidenheid van neurotraumatische en niet-neurotraumatische verwondingen.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Onze speciale dank aan Pawan Sharma voor zijn hulp bij de experimentele opstelling voor de video en de intellectuele bijdrage aan dit project. We danken Christopher Palacio ook voor zijn bijdrage aan de demonstratie van het video protocol.
Materials
| 6 camera Basler (Scout scA640-120gu) motion capture system. | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | Recording device for motion analytics. |
| Calibration Frame and Wand | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | L-shaped calibration defining the global coordinate sysetem, and the trident shape wand (100 mm) |
| Markers | Shah Lab | N/A | Recording device for motion analytics. Markers are Custom made in our lab from 0.5cm googly-eyes covered with reflective tape. |
| Matlab | Mathworks, Inc, Natic, Ca | N/A | Data analysis software |
| Rodent Cage | Custom Made within Stony Brook. | N/A | Clear plexiglass cage used to keep the rodent on the treadmill. |
| Simi Reality Motion Systems | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | 3D tracking Software. |
| Treadmill | Mk Automation Inc., Bloomfield, CT 06002 | N/A | Treadmill used for rodent locomotion. |
References
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Cheng, H., et al. Gait analysis of adult paraplegic rats after spinal cord repair. Experimental Neurology. 148 (2), 544-557 (1997).
- Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
- Beare, J. E., et al. Gait analysis in normal and spinal contused mice using the TreadScan system. Journal of Neurotrauma. 26 (11), 2045-2056 (2009).
- Nakamura, A., et al. Low-cost three-dimensional gait analysis system for mice with an infrared depth sensor. Neuroscience Research. 100, 55-62 (2015).
- Pfister, A., West, A. M., Bronner, S., Noah, J. A. Comparative abilities of Microsoft Kinect and Vicon 3D motion capture for gait analysis. Journal of Medical Engineering & Technology. 38 (5), 274-280 (2014).
- Alt Murphy, M., Murphy, S., Persson, H. C., Bergstrom, U. B., Sunnerhagen, K. S. Kinematic Analysis Using 3D Motion Capture of Drinking Task in People With and Without Upper-extremity Impairments. Journal of Visualized Experiments. (133), (2018).
- Karakostas, T., Hsiang, S., Boger, H., Middaugh, L., Granholm, A. C. Three-dimensional rodent motion analysis and neurodegenerative disorders. Journal of Neuroscience Methods. 231, 31-37 (2014).
- Madete, J. K., et al. Challenges facing quantification of rat locomotion along beams of varying widths. Journal of Engineering in Medicine. 224 (11), 1257-1265 (2010).
- Neckel, N. D., Dai, H. N., Burns, M. P. A novel multidimensional analysis of rodent gait reveals the compensation strategies employed during spontaneous recovery from spinal cord and traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. , (2018).
- Valdez, S. I., et al. Modeling hind-limb kinematics using a bio-inspired algorithm with a local search. Biomedical Engineering Online. 17, (2018).
- Shah, P. K., et al. Use of quadrupedal step training to re-engage spinal interneuronal networks and improve locomotor function after spinal cord injury. Brain: A Journal of Neurology. 136 (Pt 11), 3362-3377 (2013).
- Barros Filho, T. E., Molina, A. E. Analysis of the sensitivity and reproducibility of the Basso, Beattie, Bresnahan (BBB) scale in Wistar rats. Clinics (Sao Paulo). 63 (1), 103-108 (2008).
- Jacobs, B. Y., Kloefkorn, H. E., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of osteoarthritis). Currend Pain and Headache Reports. 18 (10), 456 (2014).
- Kloefkorn, H. E., et al. Automated Gait Analysis Through Hues and Areas (AGATHA): A Method to Characterize the Spatiotemporal Pattern of Rat Gait. Annals of Biomedical Engineering. 45 (3), 711-725 (2017).
- Chen, H., Du, J., Zhang, Y., Barnes, K., Jia, X. Establishing a reliable gait evaluation method for rodent studies. Journal of Neuroscience Methods. 283, 92-100 (2017).
- Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
- Preisig, D. F., et al. High-speed video gait analysis reveals early and characteristic locomotor phenotypes in mouse models of neurodegenerative movement disorders. Behavioural Brain Research. 311, 340-353 (2016).
- Fiander, M. D., Chedrawe, M. A., Lamport, A. C., Akay, T., Robertson, G. S. Sagittal Plane Kinematic Gait Analysis in C57BL/6 Mice Subjected to MOG35-55 Induced Experimental Autoimmune Encephalomyelitis. Journal of Visualized Experiments. (129), (2017).
- Fiander, M. D., Stifani, N., Nichols, M., Akay, T., Robertson, G. S. Kinematic gait parameters are highly sensitive measures of motor deficits and spinal cord injury in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Behavioural Brain Research. 317, 95-108 (2017).
- Bhimani, A. D., et al. Functional gait analysis in a spinal contusion rat model. Neuroscience Biobehavioral Reviews. 83, 540-546 (2017).
- Courtine, G., et al. Transformation of nonfunctional spinal circuits into functional states after the loss of brain input. Nature Neuroscience. 12 (10), 1333-1167 (2009).
- Shah, P. K., et al. Unique Spatiotemporal Neuromodulation of the Lumbosacral Circuitry Shapes Locomotor Success after Spinal Cord Injury. Journal of Neurotrauma. 33 (18), 1709-1723 (2016).
- Fouad, K., Hurd, C., Magnuson, D. S. Functional testing in animal models of spinal cord injury: not as straight forward as one would think. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 85 (2013).
- Miller, E., et al. Mechanical testing for three-dimensional motion analysis reliability. Gait & Posture. 50, 116-119 (2016).
