De MouseWalker gebruiken om locomotorische disfunctie te kwantificeren in een muismodel van dwarslaesie

De effectieve coördinatie van vier ledematen is niet uniek voor viervoetige dieren. De coördinatie van de voorpoot en de achterpoot bij de mens blijft belangrijk om verschillende taken uit te voeren, zoals zwemmen en veranderingen in snelheid tijdens het lopen¹. Verschillende ledemaat^{kinematisch 2} en motorisch programma ^1,3,4, evenals proprioceptieve feedbackcircuits⁵, worden bewaard tussen mensen en andere zoogdieren en moeten worden overwogen bij het analyseren van therapeutische opties voor motorische aandoeningen, zoals dwarslaesie (SCI)^6,7,8.

Om te kunnen lopen, moeten verschillende spinale verbindingen van de voorpoten en achterpoten goed worden bedraad en ritmisch worden geactiveerd, wat input van de hersenen en feedback van het somatosensorische systeem vereist ^2,9,10. Deze verbindingen culmineren in de centrale patroongeneratoren (CLB’s), die zich op cervicaal en lumbaal niveau bevinden voor de voorpoten en achterpoten, respectievelijk ^1,9,10. Vaak, na dwarslaesie, beperken de verstoring van neuronale connectiviteit en de vorming van een remmend gliaal litteken¹² het herstel van de locomotorische functie, met uitkomsten variërend van totale verlamming tot beperkte functie van een groep ledematen, afhankelijk van de ernst van het letsel. Hulpmiddelen om de locomotorische functie na dwarslaesie nauwkeurig te kwantificeren zijn van cruciaal belang voor het monitoren van herstel en het evalueren van de effecten van behandelingen of andere klinische interventies⁶.

De standaard metrische test voor muiscontusiemodellen van SCI is de Basso-muisschaal (BMS)^13,14, een niet-parametrische score die rekening houdt met rompstabiliteit^, staartpositie, plantaire stepping en voorpoot-achterledemaatcoördinatie in een open veldarena. Hoewel het BMS in de meeste gevallen uiterst betrouwbaar is, vereist het ten minste twee ervaren beoordelaars om alle hoeken van dierbewegingen te observeren om rekening te houden met natuurlijke variabiliteit en vertekening te verminderen.

Andere testen zijn ook ontwikkeld om motorische prestaties na SCI kwantitatief te beoordelen. Deze omvatten de rotarod-test, die de tijd meet die wordt besteed aan een roterende cilinder¹⁵; de horizontale ladder, die het aantal gemiste leuningen en positieve laddergrijpers meet^16,17; en de balklooptest, die de tijd meet die een dier nodig heeft en het aantal fouten dat het maakt bij het overschrijden van een smalle balk¹⁸. Ondanks een combinatie van motorische tekorten, produceert geen van deze tests directe locomotorische informatie over de coördinatie van de voorpoot-achterpoot.

Om loopgedrag specifiek en grondiger te analyseren, zijn andere testen ontwikkeld om stapcycli en loopstrategieën te reconstrueren. Een voorbeeld is de voetafdruktest, waarbij de geïnkte poten van een dier een patroon tekenen over een vel wit papier¹⁹. Hoewel eenvoudig in zijn uitvoering, is het extraheren van kinematische parameters zoals paslengte omslachtig en onnauwkeurig. Bovendien beperkt het ontbreken van dynamische parameters, zoals de duur van de stapcyclus of beengetimede coördinatie, de toepassingen ervan; Inderdaad, deze dynamische parameters kunnen alleen worden verkregen door frame-voor-frame video’s van knaagdieren die door een transparant oppervlak lopen te analyseren. Voor SCI-studies hebben onderzoekers het loopgedrag geanalyseerd vanuit een zijaanzicht met behulp van een loopband, inclusief het reconstrueren van de stapcyclus en het meten van de hoekvariaties van elk beengewricht 4,20,21. Hoewel deze aanpak uiterst informatief kan zijn⁶, blijft het gericht op een specifieke set ledematen en mist het extra loopfuncties, zoals coördinatie.

Om deze hiaten op te vullen, ontwikkelden Hamers en collega’s een kwantitatieve test op basis van een optische aanraaksensor met behulp van gefrustreerde totale interne reflectie (fTIR)²². Bij deze methode plant licht zich via interne reflectie door glas, wordt het verstrooid bij het drukken van de poten en wordt het uiteindelijk vastgelegd door een hogesnelheidscamera. Meer recent werd een open-source versie van deze methode, genaamd MouseWalker, beschikbaar gesteld, en deze aanpak combineert een fTIR-loopbrug met een tracking- en kwantificeringssoftwarepakket²³. Met behulp van deze methode kan de gebruiker een grote reeks kwantitatieve parameters extraheren, waaronder stap-, ruimte- en looppatronen, voetafdrukpositionering en coördinatie van de voorpoot-achterpoot, evenals visuele outputs, zoals voetafdrukpatronen (die de geïnkte poottest⁶ nabootsen) of houdingsfasen ten opzichte van de lichaamsas. Belangrijk is dat vanwege het open-source karakter nieuwe parameters kunnen worden geëxtraheerd door het MATLAB-scriptpakket bij te werken.

Hier wordt de eerder gepubliceerde assemblage van het MouseWalker^23-systeem bijgewerkt. Er wordt een beschrijving gegeven van hoe u het kunt instellen, met alle stappen die nodig zijn om de beste videokwaliteit, trackingcondities en parameteracquisitie te bereiken. Aanvullende post-kwantificeringstools worden ook gedeeld om de analyse van de MouseWalker (MW) outputdataset te verbeteren. Ten slotte wordt het nut van deze tool aangetoond door het verkrijgen van kwantificeerbare waarden voor algemene locomotorische prestaties, met name stapcycli en voorpoot-achterpootcoördinatie, in een context van dwarslaesie (SCI).