Использование MouseWalker для количественной оценки локомоторной дисфункции в мышиной модели травмы спинного мозга

Эффективная координация четырех конечностей характерна не только для четвероногих животных. Координация передних и задних конечностей у людей по-прежнему важна для выполнения нескольких задач, таких как плавание и изменение скорости при ходьбе¹. Различные кинематические² конечностей и двигательная программа 1,3,4, а также проприоцептивные цепи^{обратной связи 5} сохраняются между людьми и другими млекопитающими и должны учитываться при анализе терапевтических возможностей при двигательных расстройствах, таких как повреждение спинного мозга (ТСМ)^6,7,8.

Для того, чтобы ходить, несколько позвоночных соединений от передних и задних конечностей должны быть правильно подключены и ритмично активированы, что требует входных данных от мозга и обратной связи от соматосенсорной системы ^2,9,10. Эти связи достигают кульминации в центральных генераторах паттернов (CPG), которые расположены на шейном и поясничном уровнях для передних и задних конечностей, соответственно ^1,9,10. Часто после ТСМ нарушение нейронных связей и образование ингибирующего глиального рубца¹² ограничивают восстановление двигательной функции, при этом исходы варьируются от полного паралича до ограниченной функции группы конечностей в зависимости от тяжести травмы. Инструменты для точной количественной оценки опорно-двигательной функции после ТСМ имеют решающее значение для мониторинга выздоровления и оценки эффектов лечения или других клинических вмешательств⁶.

Стандартным метрическим анализом для моделей ушиба мышей при ТСМ является шкала мышей Бассо (BMS)^13,14, непараметрическая оценка, которая учитывает устойчивость туловища^, положение хвоста, подошвенный шаг и координацию передних и задних конечностей на арене открытого поля. Несмотря на то, что BMS чрезвычайно надежен для большинства случаев, для наблюдения за всеми углами движения животных требуется, по крайней мере, два опытных оценщика, чтобы учесть естественную изменчивость и уменьшить смещение.

Другие анализы также были разработаны для количественной оценки двигательных характеристик после ТСМ. К ним относятся испытание ротародом, в ходе которого измеряется время, затраченное на вращающийся цилиндр¹⁵; горизонтальная лестница, которая измеряет количество пропущенных перил и положительных захватов^{лестницы 16,17}; и тест на ходьбу по лучу, который измеряет время, необходимое животному, и количество отказов, которые оно совершает при пересечении узкой балки¹⁸. Несмотря на то, что они отражают комбинацию двигательного дефицита, ни один из этих тестов не дает прямой локомоторной информации о координации передних и задних конечностей.

Чтобы конкретно и более тщательно проанализировать поведение при ходьбе, были разработаны другие анализы для реконструкции циклов шагов и стратегий ходьбы. Одним из примеров является тест на след, когда нарисованные чернилами лапы животного рисуют узор на листе белой бумаги¹⁹. Несмотря на простоту выполнения, извлечение кинематических параметров, таких как длина шага, является громоздким и неточным. Кроме того, отсутствие динамических параметров, таких как продолжительность цикла шага или координация ног, ограничивает его применение; Действительно, эти динамические параметры можно получить, только анализируя покадровые видео грызунов, идущих по прозрачной поверхности. Для исследований SCI исследователи проанализировали поведение при ходьбе с бокового обзора с использованием беговой дорожки, включая реконструкцию цикла шагов и измерение угловых вариаций каждого сустава ног 4,20,21. Несмотря на то, что этот подход может быть чрезвычайно информативным⁶, он по-прежнему ориентирован на определенный набор конечностей и не имеет дополнительных особенностей походки, таких как координация.

Чтобы восполнить эти пробелы, Хамерс и его коллеги разработали количественный тест на основе оптического сенсорного датчика с использованием фрустрированного полного внутреннего отражения (fTIR)²². В этом методе свет распространяется через стекло через внутреннее отражение, рассеивается при нажатии на лапу и, наконец, улавливается высокоскоростной камерой. Совсем недавно была выпущена версия этого метода с открытым исходным кодом, называемая MouseWalker, и этот подход сочетает в себе проход fTIR с пакетом программного обеспечения для отслеживания и количественной оценки²³. Используя этот метод, пользователь может извлечь большой набор количественных параметров, включая шаги, пространственные и походочные паттерны, позиционирование следа и координацию передних и задних конечностей, а также визуальные выходы, такие как паттерны следа (имитирующие анализ чернильной лапы⁶) или фазы стойки относительно оси тела. Важно отметить, что из-за его природы с открытым исходным кодом новые параметры могут быть извлечены путем обновления пакета сценариев MATLAB.

Здесь обновлена ранее опубликованная сборка системы MouseWalker²³ . Предоставляется описание того, как его настроить, со всеми шагами, необходимыми для достижения наилучшего качества видео, условий отслеживания и получения параметров. Также используются дополнительные инструменты постколичественной оценки для улучшения анализа выходного набора данных MouseWalker (MW). Наконец, полезность этого инструмента демонстрируется получением количественных значений общих двигательных характеристик, в частности циклов шагов и координации передних и задних конечностей, в контексте травмы спинного мозга (ТСМ).