نحن نصف نظام تحليل مشية جديدة، Paw-Print تحليل التسجيلات المحسنة على النقيض (PrAnCER)، وهو نظام آلي مفتوح الوصول لتحديد كمية خصائص مشية في الفئران التي تستخدم أرضية شبه شفافة جديدة تلقائيا تحديد مقدار المشية. تم التحقق من صحة هذا النظام باستخدام نموذج هالوبيريدول لمرض باركنسون.
يستخدم تحليل مشية لتحديد التغيرات في وظيفة المحرك في العديد من نماذج القوارض من المرض. وعلى الرغم من أهمية تقييم المشية ووظيفة المحرك في العديد من مجالات البحث، فإن الخيارات التجارية المتاحة لها عدة قيود مثل ارتفاع التكلفة وعدم وجود شفرة مفتوحة يسهل الوصول إليها. ولمعالجة هذه القضايا، قمنا بتطوير تحليل PrAnCER، وتحليل طباعة Paw-Print للتسجيلات المحسنة على النقيض من التباين، من أجل التحديد الكمي التلقائي للمشية. يتم إنتاج التسجيلات المحسنة على النقيض باستخدام أرضية شفافة تحجب الأجسام غير المتلامسة مع السطح، مما يؤدي إلى عزل بصمات مخلب الفأر بشكل فعال أثناء سيره. باستخدام أشرطة الفيديو هذه، لدينا برنامج بسيط يقيس بشكل موثوق مجموعة متنوعة من المعلمات المشي spatiotemporal. لإثبات أن PrAnCER يمكن الكشف بدقة عن التغيرات في وظيفة المحرك، وظفنا نموذج haloperidol لمرض باركنسون (PD). اختبرنا الفئران بجرعتين من الهالوبيريدول: جرعة عالية (0.30 ملغم/كغم) وجرعة منخفضة (0.15 ملغم/كغم). Haloperidol زيادة كبيرة مدة الموقف والخلفية مخلب منطقة الاتصال في حالة جرعة منخفضة, كما قد يكون من المتوقع في نموذج PD. في حالة الجرعة العالية, وجدنا زيادة مماثلة في منطقة الاتصال ولكن أيضا زيادة غير متوقعة في طول خطوة. مع مزيد من البحوث، وجدنا أن هذا طول خطوة زيادة يتسق مع ظاهرة تستعد الهروب لوحظ عادة في جرعات أعلى من haloperidol. وهكذا، تمكنت PrAnCER من الكشف عن كل من التغيرات المتوقعة وغير المتوقعة في أنماط مشية القوارض. بالإضافة إلى ذلك، أكدنا أن PrAnCER متسقة ودقيقة عند مقارنتها مع التهديف اليدوي لمعلمات مشية.
وتستخدم القوارض عادة كنماذج لدراسة مجموعة واسعة من الأمراض والإصابات بما في ذلك التهاب المفاصل1, مرض باركنسون (PD)2,3, الاضطرابات العصبية العضلية4,5, استسقاء الرأس6 ، وإصابة الحبل الشوكي7. في هذه الحالات، يمكن قياس أعراض مثل الألم والتوازن والوظيفة الحركية من خلال دراسة أنماط مشية الحيوانات. يتم تحديد هذه الأنماط كمياً باستخدام مجموعة من معلمات مشية الفناء الصدغية التي تلخص موقع وتوقيت مطبوعات الكف، فضلاً عن منطقة ملامسة الكفة على الأرض.
على الرغم من وجود العديد من الخيارات لتحليل المشية، فإن الأنظمة الحالية لها العديد من العيوب. في اختبار الحبر والورق التقليدي، يتم تغطية الكفوف الحيوان بالحبر قبل أن يمشي عبر ورقة من الورق الأبيض (الشكل1A). ويمكن بعد ذلك قياس مطبوعات الكف الناتجة لطول الخطوة وعرض الموقف، ولكن لا يمكن تقييم معلمات مشية مؤقتة رئيسية مثل السرعة أو مدة الخطوة. الأنظمة الحديثة القائمة على الفيديو هي أكثر موثوقية، ولكن تحليل الفيديو يتطلب شاقة الإطار على حدة تسجيل ما لم يتم استخدام نظام آلي مناسب8. وهناك العديد من نظم تسجيل النقاط الآلية التجارية المتاحة حاليا، ولكن هذه النظم يمكن أن تكون باهظة التكلفة. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد هذه الأنظمة على أرضيات واضحة أو في بعض الحالات، أجهزة المشي، وكلاهما يغير الحركة الطبيعية. وقد ثبت أن أجهزة المشي تخفي العجز الحركي في بعض نماذج المرض9، في حين أن الأرضيات الواضحة (الشكل 1B) تسبب الفئران لقضاء المزيد من الوقت على محيط حقل مفتوح ، مما يشير إلى زيادة القلق10. من الناحية المثالية، فإن جهاز تحليل مشية لا تعتمد على أي منهما، مما ينتج أنماط الحركة الأكثر طبيعية مع أقل الإجهاد على الحيوان.
تستخدم الخيارات المتاحة المفتوحة المصدر والتجارية مجموعة متنوعة من الطرق للتغلب على صعوبة عزل بصمة عن جسم الحيوان على الرغم من ظروف الإضاءة المتغيرة ولون الحيوان وأشكال الطباعة. بعض تعزيز التباين من الاتصال الكفوف باستخدام الأسطحالتي تطلق الضوء استجابة للضغط 7،11،12،ولكن هذه مكلفة وصعبة من الناحية الفنية لبناء. وتستخدم نظم أخرى زوايا عرض متعددة تسمح بمراقبة التنسيق بين الجسم كله8و13. في حين أن هذه الخيارات توفر مزايا لقياس المعلمات الحركية الإضافية وراء مشية، فهي معقدة دون داع لتحليل مشية بسيطة. وعلاوة على ذلك، كل هذه التقنيات تعتمد على الأرضيات واضحة، مما يغير السلوك الطبيعي.
ويستند PrAnCER على ما نسميه التسجيلات المحسنة التباين، والتي تستخدم مزيج من الإضاءة وأرضية شبه شفافة لتعزيز الكشف عن المطبوعات. عند النظر إليها من أدناه، وهذا يخلق صورة عالية التباين (مخلب الطباعة) في حين حجب وجهة نظر الكائنات غير على اتصال مع السطح (جسم الحيوان) (الشكل1D). عند النظر إليها من فوق، تبدو الكلمة غير شفافة. البروز الناتج من الكفوف في طريقتنا يسمح تحديد دقيق لمجموعة متنوعة من الخصائص مشية والحركية من قبل نظامنا الآلي وضعت حديثا. في هذه الدراسة، ونحن نوصف الجهاز، لدينا بروتوكول تحليل مشية، ونظامنا التهديف الآلي، PrAnCER. يتم تجميع جهازنا بسهولة ويمكن استخدام PrAnCER لتقييم العجز الحركي في مجموعة واسعة من نماذج الأمراض والإصابات.
لإثبات أن PrAnCER يمكن استخدامها للكشف عن أنماط مشية غير طبيعية، استخدمنا نموذج haloperidol من PD، نموذج بسيط للتحريض عابرة من التغييرات الحركية14. هالوبيريدول هو مضاد مستقبلات الدوبامين يستخدم على نطاق واسع كمضاد للذهان1. وهو يؤثر على أنظمة المحرك عن طريق تغيير إشارات الدوبامين في السترياتوم, عنصر مهم من مسار المحرك في العقد القاعدية14. حتى جرعة واحدة من haloperidol يقلل بسرعة مستويات الدوبامين خارج الخلية في السترياتوم, مما تسبب في التغوط السيارات مثل باركنسون15. الآثار السلوكية هي صلابة العضلات، akinesia، وcatalepsy، والتي تعرف على أنها عدم القدرة على العودة إلى وضع طبيعي بعد وضعها في موقف غير عادي11،16. جرعات حادة من haloperidol تسبب العجز الحركي يمكن التعرف عليها في اختبار روتارود من وظيفة المحرك17. وقد سببلنا أن العاهات الحركية الحركية التي يتم التوصل إليها بوساطة هالوبيريدول ستكون واضحة أيضاً في عدد من الخصائص التي يمكن الوصول إليها لتحليل المشية الآلي.
على الرغم من أن الاستجابات لهلوبيريدول تختلف على نطاق واسع عبر الدراسات، تظهر آثار الهالوبيريدول المحفزة بجرعات تبلغ 0.5 ملغم/كغم وأعلى، في حين أن انخفاض الاستجابة وضعف المحرك يمكن اكتشافه بجرعات أقل (0.1 – 0.3 ملغم/كغم)16، 17.في محاولة لتجنب الآثار المحفزة من haloperidol، قررنا اختبار جرعتين من haloperidol: جرعة عالية (0.30 ملغ / كغ) وجرعة منخفضة (0.15 ملغ / كغ). كما هو مبين في الجدول 1، درست التجربة 1 آثار الهالوبيريدول جرعة عالية ، في حين أن التجربة 2 اختبار آثار الهالوبيريدول جرعة منخفضة. استخدمنا تصميمًا داخل الموضوع تم فيه اختبار كل فأر في ظروف الجرعة العالية والجرعة المنخفضة والتحكم (المالحة). تم موازنة ترتيب الحالة عبر الفئران. وتوقعنا أن الإدارة الحادة من haloperidol من شأنه أن يسبب العاهات مشية مماثلة لتلك الموجودةفي نماذج أخرى من PD مثل انخفاض السرعة، وانخفاض طول خطوة، وأطول مدة موقف 3،14،18 ،19. لاحظنا التغيرات السلوكية بما في ذلك akinesia بعد إدارة هالوبيريدول في كلتا الجرعات. في حالة الجرعة المنخفضة، كانت الفئران قد زادت بشكل ملحوظ مدة الموقف ومنطقة الاتصال مخلب الخلفية، كما هو متوقع. هذه التغييرات مشية قابلة للمقارنة مع الخطوات البطيئة، خلط المشتركة بين مرضى PD2،20. في حالة جرعة عالية، ومع ذلك، رأينا زيادة في طول خطوة، فضلا عن زيادة في منطقة الاتصال مخلب. وعلى الرغم من أن الزيادة في طول الخطوة لم تكن متوقعة، فقد أشار استعراض آخر للمؤلفات إلى أنه من المرجح أن يكون جزءاً من استجابة هروب من الهالوبيريدول. نخلص إلى أن PrAnCER هو في الواقع قادرة على الكشف عن التغيرات مثل باركنسون في مشية القوارض بما يتفق مع استخدام neuroleptics.
في هذه الدراسة، اختبرنا PrAnCER، وهو نظام تحليل مشية آلي جديد يستخدم مقاطع فيديو معززة على النقيض من التباين تم إنتاجها باستخدام أرضية شفافة لحجب جسم الحيوان ولإنتاج مطبوعات مخلب محددة بوضوح للكشف الآلي البسيط. PrAnCER يحدد بدقة بصمات مخلب وحساسة للتغيرات في وظيفة المحرك. استخدمنا PrAnCER لتقييم التعديلات مشية في نموذج هالوبيريدول الحاد من PD. على الرغم من أن haloperidol لم تحفز العجز الحركي المتوقع من نموذج PD قوية، كنا مع ذلك قادرة على إثبات أن PrAnCER يمكن الكشف بدقة عن التغيرات في أنماط مشية. وأخيراً، قمنا بتحديد دقة PrAnCER وأثبتنا أن قياسها لبارامترات المشي الرئيسية مماثل لقياس التهديف اليدوي.
في كل من الظروف المعالجة haloperidol، لاحظنا ارتفاع معدل حدوث سلوك التجميد (akinesia) تليها استجابة الهروب من تشغيل أو المحيطة إلى الأمام. في حين لوحظ akinesia في جرعة مماثلة (0.25 ملغ / كغ) في العديد من الدراسات16,23, هذا السلوك المحيطة لا يتسق مع أعراض باركنسون نموذجية3,14,19, 24. ومن المثير للاهتمام, وجدنا أن جرعة عالية العلاج haloperidol أدى إلى زيادة كبيرة في طول خطوة. وكان هذا الاستنتاج في البداية من المستغرب لأن نماذج هالوبيريدول أخرى من PD أظهرت انخفاضا في طول خطوة3،19. ومع ذلك، فإنها منطقية في ضوء نمط السلوك “تستعد الهروب” التي وصفها دي ريك وآخرون (1980)، الذي أفاد أن الفئران تشغيل للهروب بعد فترات حركية، وأن مشيات عالية السرعة مثل تشغيل وحدود ترتبط مع زيادة خطوة طول4،25 (الشكل8C). كما أدى العلاج بالجرعة العالية إلى زيادة كبيرة في منطقة الاتصال القصوى للالكفوف الخلفية. جرعة منخفضة العلاج haloperidol أدى إلى تعديلات مشية PD أكثر تميزا بما في ذلك زيادة كبيرة في مدة الموقف والحد الأقصى لمنطقة الاتصال (الشكل8A-B). قد تكون هذه النتائج انعكاسا لصلابة العضلات المرتبطة akinesia الناجمة عن هالوبيريدول.
على الرغم من السلوك غير عادية تستعد الهروب، كنا قادرين على إثبات أن PrAnCER يمكن في الواقع الكشف عن التعديلات في مشية. أظهرنا أنه في ظروف الإضاءة الصحيحة، يمكن أن تنتج أرضية شفافة صورة متناقضة للغاية ومفصلة من الكفوف. في هذه الدراسة، جعلنا أرضية شفافة شفافة من خلال تغطيتها مع القطيفة. ويمكن تحقيق نفس التأثير بوضع غطاء شفاف آخر، مثل ميلار، على أرضية شفافة. بدلا من ذلك، يمكن أن تكون الكلمة نفسها شفافة باستخدام، على سبيل المثال، زجاج شبكي متجمد. الكلمة شفافة وممر زجاج شبكي بسيط غير مكلفة ويمكن بناؤها في فترة ما بعد الظهر. لدينا نظام تحليل القائم على حافة الكشف هو مرونة لكثير من الاختلافات في الجهاز ويوفر عتبات قابل للتعديل لتكييف النظام مع مختلف الإعدادات، ونماذج المرض، أو الحيوانات الصغيرة مثل الفئران.
تم تغيير بعض تحليلات معلمة مشية من الصيغ التقليدية بسبب جوانب من الممشى. على سبيل المثال، يختلف أسلوبنا في حساب السرعة عن دراسات مشية أخرى. الكلمة شفافة جنبا إلى جنب مع إضاءة LED يحجب وجهة نظر الجسم، لذلك ليس من الممكن لتتبع موقف الجسم لحساب السرعة كما هو الحال عادة. لهذه الدراسة، تم حساب السرعة عن طريق تقسيم المسافة المقطوعة بين اثنين من الاتصالات من نفس مخلب في الوقت من الاتصال الأول إلى الاتصال الثاني. وبطبيعة الحال، يمكن استخدام صيغ أخرى. على سبيل المثال، إذا كانت هناك حاجة إلى قياس إجمالي للسرعة، يمكن تقسيم المسافة من متوسط مواقع الصدارة في بداية ونهاية التشغيل بمدة التشغيل.
يؤكد تحليلنا أنه على الرغم من عدم تطابقه مع التهديف اليدوي، فإن نظامنا الآلي يؤدي بدقة عالية وينشئ مقاييس موثوقة للمشية. تم تحسين الجهاز الموصوف هنا لتحليل بسيط ومنخفض التكلفة لوظيفة المحرك. ومع ذلك، يمكن إجراء عدة تعديلات من شأنها أن توسع من فائدة PrAnCER. أحد القيود على نظامنا هو أن الكلمة شبه شفافة، في حين يسمح الكشف مخلب ممتازة، يحجب محور جسم الحيوانات. على الرغم من أننا لم نجد أنه من الضروري، يمكن معالجة هذا عن طريق إضافة كاميرا علوية إلى النظام. وثمة تحسن آخر هو استخدام كاميرا فيديو ذات معدل إطارات أعلى. في حين كنا قادرين على الحصول على تقديرات متسقة من المعلمات الزمنية، يتم اختراق دقة هذه التدابير بمعدلات الإطار أقل من 100 إطارا في الثانية8. وإضافة كاميرا فيديو عالية السرعة لا يتطلب أي تغيير في برمجيات التحليل مع زيادة دقة ودقة التدابير الزمنية. بالإضافة إلى ذلك، العديد من أنظمة مشية أخرى استخدام مرآة لتسجيل وجهات النظر الجانبية والبطينية للفأر2،8،13. إضافة هذه الميزة إلى جهازنا من شأنه أن يسمح بالقياس الكمي أكثر دقة للسرعة ومراقبة أفضل للسلوك أثناء التشغيل.
في هذه الدراسة، أظهرنا أن استخدام أرضية شبه شفافة يعزل بشكل فعال بصمات مخلب عن طريق منع رؤية الكائنات غير على اتصال مع أرضية الممشى. قمنا بتطوير نظام تسجيل تلقائي يستفيد من طباعة الكفو عالية التباين هذه لتحديد الكفوف بدقة. أظهرنا أن هذا النظام، PrAnCER، معلمات مشية كمية مع دقة مماثلة للنظم التجارية. قررنا أن إعطاء جرعة عالية من haloperidol زيادة طول خطوة وأقصى منطقة اتصال بالمقارنة مع المالحة. في حين أن هذا التغيير هو عكس ما كنا نتوقع، مزيد من الاستعراض للأدب الموجود يشير إلى أنه من المرجح أن يكون جزءا من سلوك الهروب لوحظ ردا على الإدارة الحادة من haloperidol. أدى العلاج الهالوبيريدول جرعة منخفضة في أعراض PD أكثر نموذجية مثل زيادة مدة الموقف والحد الأقصى لمنطقة الاتصال. نخلص إلى أنه في حين أن إدارة هالوبيريدول الجرعة العالية الحادة هي نموذج ضعيف لدراسة ضعف مشية المرتبطة PD، أظهرت دراستنا مع ذلك قدرة PrAnCER على الكشف بدقة عن التغيرات في وظيفة المحرك. في المستقبل، نأمل في مزيد من التحقق من صحة PrAnCER من خلال دراسة التغيرات الحركية في نماذج المرض الأخرى.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعم هذا العمل معهد كارني لعلوم الدماغ في جامعة براون.
Gait Walkway Apparatus | |||
1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 1 piece cut to 3 1/2" W x 36" L; 2 pieces cut to 4 1/2" W x 36" L Note: We made our walkway 36" long based off of an exisiting plexiglass table we had in house, it could easily be made longer if desired. |
|
1/4" clear plexiglass | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $10 4 pieces, cut to 1" W by 4" L These will be used to keep the tunnel in place |
|
10 series 80/20 framing pieces, 1" x 1" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1010-S | Approximate Price: $16 2 pieces cut to 36" L |
12V Flexible LED Strip Lights, 16.4ft/5m LED Light Strips, Daylight White | Amazon | Approximate Price: $10 | |
Bostik Blu-Tack Adhesive | Amazon | Approximate Price: $8 | |
Clearprint 1000H drafting vellum, 16 LB cotton fiber | Dick Blick Art Supplies | 11101-1046 | Approximate Price: $50 Cut to 4" W x 36" L Note: This particular vellum comes as a roll; we kept it on the roll and cut it to 4" 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. |
Logitech HD Pro Webcam C920, 1080p | Amazon | Approximate Price: $50 | |
Mobile Laptop Computer Desk Cart Height-Adjustable | Amazon | Approximate Price: $40 Small table to place the animals' home cage on at the end of the walkway. |
|
Plastic ramp | Pets Warehouse | Approximate Price: $6 Optional: Ramp to assist the animals descend into home cage |
|
RetiCAM Tabletop Tripod with 3-Way Pan/Tilt Head | Amazon | Approximate Price: $30 | |
SCIGRIP #16 solvent cement for acrylic – clear, medium bodied | Amazon | Approximate Price: $8 | |
Plexiglass table | Approximate Price: $ | ||
15 series 80/20 framing pieces, 1.5" x 1.5" T-Slotted Profile | 80/20 Inc. | 1515 | Approximate Price: $110 6 pieces cut to 36" L, 2 pieces cut to 12" With both ends tapped with standard 5/16-18 threads Framing for the plexiglass table top and table legs |
15 series 3 Way – Light Squared Corner Connector | 80/20 Inc. | 14177 | Approximate Price: $24 4 connectors To connect the table top and legs |
1/4" clear plexiglass sheet | RISD 3D Store, Providence, RI | Approximate Price: $50 Cut at 15" W x 39" L |
|
5/16-18 x 1" Button Head Socket Cap Screw | 80/20 Inc. | 3118 | Approximate Price: $5 Quantity = 12 |
Deluxe Leveling Feet, 5/16-18 x 2" | 80/20 Inc. | 2194 | Approximate Price: $50 Quantity = 4 For table legs |
“T” Handle Ball End Hex Wrench, 3/16" | 80/20 Inc. | 6000 | Approximate Price: $5 |