Analyse de la patte-Print des enregistrements améliorés par contraste (PrAnCER) : Un système automatisé d'analyse de la démarche à faible coût et à accès ouvert pour évaluer les déficits moteurs
Summary
Nous décrivons un nouveau système d’analyse de la démarche, Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings (PrAnCER), un système automatisé en libre accès pour la quantification des caractéristiques de la démarche chez les rats qui utilise un nouveau plancher semi-transparent pour automatiquement quantifier la démarche. Ce système a été validé à l’aide du modèle halopéridol de la maladie de Parkinson.
Abstract
L’analyse de la démarche est utilisée pour quantifier les changements dans la fonction motrice dans de nombreux modèles de maladies pour rongeurs. Malgré l’importance d’évaluer la démarche et la fonction motrice dans de nombreux domaines de recherche, les options commerciales disponibles ont plusieurs limites telles que le coût élevé et le manque de code ouvert accessible. Pour résoudre ces problèmes, nous avons mis au point PrAnCER, Paw-Print Analysis of Contrast-Enhanced Recordings, pour la quantification automatisée de la démarche. Les enregistrements améliorés par contraste sont produits à l’aide d’un plancher translucide qui obscurcit les objets qui ne sont pas en contact avec la surface, isolant efficacement les empreintes de pattes du rat pendant qu’il marche. À l’aide de ces vidéos, notre logiciel simple mesure de manière fiable une variété de paramètres de démarche spatiotemporal. Pour démontrer que PrAnCER peut détecter avec précision les changements dans la fonction motrice, nous avons utilisé un modèle halopéridol de la maladie de Parkinson (PD). Nous avons testé des rats à deux doses d’halopéridol : une dose élevée (0,30 mg/kg) et une faible dose (0,15 mg/kg). Haloperidol a considérablement augmenté la durée de position et la zone de contact de patte arrière dans l’état de basse dose, comme on pourrait s’y attendre dans un modèle de. Dans l’état de dose élevée, nous avons trouvé une augmentation semblable de la zone de contact mais également une augmentation inattendue de la longueur de foulée. Avec d’autres recherches, nous avons constaté que cette longueur de foulée accrue est compatible avec le phénomène d’évasion de contreventement couramment observé à des doses plus élevées d’halopéridol. Ainsi, PrAnCER a été en mesure de détecter à la fois les changements attendus et inattendus dans les modèles de démarche des rongeurs. En outre, nous avons confirmé que PrAnCER est cohérent et précis par rapport à la notation manuelle des paramètres de démarche.
Introduction
Les rongeurs sont couramment utilisés comme modèles pour étudier un large éventail de maladies et de blessures, y compris l’arthrite1, la maladie de Parkinson (PD)2,3, troubles neuromusculaires4,5, hydrocéphalie6 , et les lésions de la moelle épinière7. Dans ces conditions, les symptômes tels que la douleur, l’équilibre et la fonction motrice peuvent être mesurés en étudiant les habitudes de démarche des animaux. Ces motifs sont quantifiés à l’aide d’un ensemble de paramètres de démarche spatiotemporal qui résument l’emplacement et le moment des empreintes de pattes ainsi que la zone de contact avec les pattes au sol.
Bien qu’il existe de nombreuses options d’analyse de la démarche, les systèmes actuels présentent plusieurs inconvénients. Dans les tests traditionnels d’encre et de papier, les pattes d’un animal sont recouvertes d’encre avant qu’il ne traverse une feuille de papier blanc (figure 1A). Les empreintes de pattes qui en résultent peuvent ensuite être mesurées pour la longueur de la foulée et la largeur de position, mais les paramètres clés de la démarche temporelle, comme la vitesse ou la durée de l’étape, ne peuvent pas être évalués. Les systèmes vidéo modernes sont plus fiables, mais l’analyse vidéo nécessite une notation laborieuse image par image à moins qu’un système automatisé approprié ne soit utilisé8. Il existe actuellement de nombreux systèmes de notation automatisés commerciaux, mais ces systèmes peuvent être prohibitifs. En outre, ces systèmes reposent sur un plancher clair ou, dans certains cas, des tapis roulants, qui altèrent tous deux le mouvement naturel. Les tapis roulants ont été montrés pour masquer des déficits moteurs dans certains modèles de maladie9, tandis que le plancher clair (figure 1B) fait que les souris passent plus de temps sur le périmètre d’un champ ouvert, indiquant l’inquiétude accrue10. Idéalement, un appareil d’analyse de la démarche ne s’appuierait pas sur l’un ou l’autre, produisant les modèles de mouvement les plus naturels avec le moins de stress pour l’animal.
Les options open-source et commerciales disponibles utilisent une variété de méthodes pour surmonter la difficulté d’isoler une empreinte du corps de l’animal en dépit des conditions d’éclairage variables, de la couleur animale et des formes d’impression. Certains améliorent le contraste de contact avec les pattes en utilisant des surfaces qui libèrent la lumière en réponse à la pression7,11,12, mais ceux-ci sont coûteux et techniquement difficiles à construire. D’autres systèmes utilisent des angles de vue multiples qui permettent l’observation de la coordination du corps entier8,13. Bien que ces options offrent des avantages pour mesurer des paramètres moteurs supplémentaires au-delà de la démarche, elles sont inutilement complexes pour une simple analyse de la démarche. En outre, toutes ces techniques reposent sur un revêtement de sol clair, ce qui modifie le comportement naturel.
PrAnCER est basé sur ce que nous appelons Contrast-Enhanced Recordings, qui utilisent une combinaison d’éclairage et un plancher semi-transparent pour améliorer la détection des impressions. Vu d’en bas, cela crée une image à fort contraste (empreinte de patte) tout en obscurcissant la vue des objets non en contact avec la surface (le corps de l’animal) (Figure 1D). Vu d’en haut, le sol semble opaque. La salience résultante des pattes dans notre méthode permet l’identification précise d’une série de démarches et de caractéristiques locomotrices par notre système automatisé nouvellement développé. Dans la présente étude, nous décrivons l’appareil, notre protocole d’analyse de la démarche et notre système de notation automatisé, PrAnCER. Notre appareil est facilement assemblé et PrAnCER peut être utilisé pour évaluer les déficits moteurs dans un large éventail de modèles de maladies et de blessures.
Pour démontrer que PrAnCER peut être utilisé pour détecter les modèles de démarche anormaux, nous avons utilisé un modèle halopéridol de, un modèle simple pour l’induction transitoire des changements locomoteurs14. Haloperidol est un antagoniste des récepteurs de dopamine largement utilisé comme antipsychotique1. Il affecte les systèmes moteurs en modifiant la signalisation de dopamine dans le striatum, un composant important de la voie motrice dans les ganglions basiques14. Même une seule dose d’halopéridol réduit rapidement les niveaux de dopamine extracellulaire dans le striatum, provoquant des défectants moteurs de type Parkinsonien15. Les effets comportementaux sont la rigidité musculaire, l’akinesia, et la catalepsie, qui est définie comme une incapacité à revenir à une posture normale après avoir été placé dans une position inhabituelle11,16. Les doses aigues d’halopéridol causent des déficits locomoteurs identifiables dans l’essai rotarod de la fonction motrice17. Nous avons estimé que les déficiences locomotrices à médiation halopéridole seraient également évidentes dans un certain nombre de caractéristiques accessibles à l’analyse automatisée de la démarche.
Bien que les réponses à l’halopéridol varient considérablement d’une étude à l’autre, les effets cataleptiques de l’halopéridol émergent à des doses de 0,5 mg/kg et plus, tandis qu’une réactivité réduite et une déficience motrice sont détectables à des doses plus faibles (0,1 à 0,3 mg/kg)16, 17. Afin d’éviter les effets cataleptiques de l’halopéridol, nous avons décidé de tester deux doses d’halopéridol : une dose élevée (0,30 mg/kg) et une faible dose (0,15 mg/kg). Comme le montre le tableau 1, l’expérience 1 a examiné les effets de l’halopéridol à forte dose, tandis que l’expérience 2 a testé les effets de l’halopéridol à faible dose. Nous avons utilisé une conception à l’intérieur du sujet dans laquelle chaque rat a été testé dans les conditions de dose élevée, faible dose, et de contrôle (saline). L’ordre de l’état a été contrebalancé par les rats. Nous avons prédit que l’administration aigue de l’halopéridol causerait des affaiblissements de démarche semblables à ceux trouvés dans d’autres modèles de tels que la vitesse diminuée, la longueur diminuée de foulée, et la durée plus longuedeposition 3,14,18 ,19. Nous avons observé des changements comportementaux comprenant l’akinesia suivant l’administration d’halopéridol aux deux dosages. Dans l’état de basse dose, les rats avaient sensiblement augmenté la durée de position et la zone de contact de patte arrière, comme prévu. Ces changements de démarche sont comparables aux étapes lentes et mélangées communes parmi des patientsde2,20. Dans l’état de dose élevée, cependant, nous avons vu une augmentation de la longueur de foulée aussi bien qu’une augmentation de la zone de contact de patte. Bien que l’augmentation de la longueur de foulée ait été inattendue, un examen plus approfondi de la littérature a indiqué qu’il fait probablement partie d’une réponse d’évasion de contreventeinduite par l’halopéridol. Nous concluons que PrAnCER est en effet capable de détecter des changements de Parkinson-comme dans la démarche de rongeur compatible s’est acquiesçant à l’utilisation des neuroleptiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette étude, nous avons testé PrAnCER, un nouveau système automatisé d’analyse de la démarche qui utilise des vidéos améliorées par contraste produites à l’aide d’un plancher translucide pour masquer le corps de l’animal et pour produire des empreintes de pattes clairement définies pour une détection automatisée simple. PrAnCER identifie avec précision les empreintes de pattes et est sensible aux changements dans la fonction motrice. Nous avons utilisé PrAnCER pour évaluer les altérations de la démarche dans un modèle halopéridol aigu de la. Bien que l’halopéridol n’ait pas induit les déficits moteurs attendus d’un modèle robuste de, nous avons néanmoins pu démontrer que PrAnCER peut détecter avec précision des changements dans des modèles de démarche. Enfin, nous avons quantifié l’exactitude de PrAnCER et démontré que sa mesure des paramètres clés de la démarche est comparable à celle de la notation manuelle.
Dans les deux conditions traitées d’halopéridol, nous avons observé une incidence élevée de comportement de congélation (akinesia) suivie d’une réponse d’évasion de courir ou de délimitation en avant. Tandis que l’akinesia a été observée à une dose semblable (0.25 mg/kg) dans plusieurs études16,23, ce comportement limitant n’est pas compatible avec les symptômes parkinsoniens typiques3,14,19, 24. Intéressant, nous avons constaté que le traitement élevé d’halopéridol de dose a eu comme conséquence la longueur sensiblement accrue de foulée. Cette conclusion a d’abord été surprenante parce que d’autres modèles d’halopéridol de ont montré une diminution de la longueur de foulée3,19. Cependant, ils ont un sens à la lumière du modèle de comportement de « contreventement-évasion » décrit par De Ryck et autres (1980), qui ont rapporté que les rats courent pour s’échapper après des périodes anétique, et que les démarches à grande vitesse telles que la course et la délimitation sont associées à la foulée accrue longueur4,25 (Figure 8C). Le traitement à haute dose a également eu comme conséquence la zone maximale significativement accrue de contact des pattes postérieures. Le traitement à faible dose d’halopéridol a entraîné des altérations plus caractéristiques de la démarche de la, y compris une augmentation significative de la durée de position et de la zone de contact maximale (figure8A-B). Ces résultats peuvent être un reflet de la rigidité de muscle liée à l’akinesia halopéridol-induite.
En dépit du comportement peu commun de contreventement-évasion, nous avons pu démontrer que PrAnCER peut en effet détecter des changements dans la démarche. Nous avons montré que dans les conditions d’éclairage correctes, un plancher translucide peut produire une image très contrastée et détaillée des pattes. Dans la présente étude, nous avons fait un plancher transparent translucide en le recouvrant de vélin. Le même effet pourrait être obtenu en plaçant un autre revêtement translucide, comme Mylar, sur un plancher transparent. Alternativement, le plancher lui-même pourrait être translucide en utilisant, par exemple, le plexiglas givré. Le sol translucide et la passerelle en plexiglas simple sont peu coûteux et peuvent être construits en un après-midi. Notre système d’analyse basé sur la détection des bords est résistant à de nombreuses variations de l’appareil et offre des seuils réglables pour adapter le système à différentes configurations, modèles de maladies, ou de plus petits animaux tels que les souris.
Certaines analyses de paramètres de démarche ont été modifiées par rapport aux formules conventionnelles en raison d’aspects de la passerelle. Par exemple, notre méthode de calcul de la vitesse diffère des autres études de démarche; le plancher translucide combiné avec l’éclairage LED obscurcit la vue du corps, ainsi il n’est pas possible de suivre la position de corps pour calculer la vitesse comme est habituellement fait. Pour cette étude, la vitesse a été calculée en divisant la distance parcourue entre deux contacts d’une même patte par le moment du premier contact au deuxième contact. Bien sûr, d’autres formules pourraient être utilisées. Par exemple, si une mesure globale de la vitesse est nécessaire, on pourrait diviser la distance par rapport à la moyenne des emplacements des pattes avant au début et à la fin de la course par la durée de la course.
Notre analyse confirme que, bien qu’il ne soit pas identique à la notation manuelle, notre système automatisé fonctionne avec une grande précision et génère des mesures fiables de la démarche. L’appareil décrit ici a été optimisé pour une analyse simple et peu coûteuse de la fonction motrice. Cependant, plusieurs modifications pourraient être apportées qui élargiraient l’utilité de PrAnCER. Une limitation de notre système est que le plancher semi-transparent, tout en permettant une excellente détection des pattes, obscurcit l’axe du corps des animaux. Bien que nous n’ayons pas jugé nécessaire, cela pourrait être résolu en ajoutant une caméra aérienne au système. Une autre amélioration serait l’utilisation d’une caméra vidéo avec un taux d’images plus élevé. Bien que nous ayons pu obtenir des estimations cohérentes des paramètres temporels, l’exactitude de ces mesures est compromise à des taux d’images inférieurs à 100 fps8. L’ajout d’une caméra vidéo haute vitesse ne nécessiterait aucune modification du logiciel d’analyse tout en augmentant la précision et la précision des mesures temporelles. En outre, plusieurs autres systèmes de démarche utilisent un miroir pour enregistrer simultanément les vues latérales et ventrales du rat2,8,13. L’ajout de cette fonctionnalité à notre appareil permettrait une quantification plus précise de la vitesse et une meilleure observation du comportement pendant les courses.
Dans cette étude, nous avons montré que l’utilisation d’un plancher semi-transparent isole efficacement les empreintes de pattes en bloquant la visibilité des objets qui ne sont pas en contact avec le plancher de la passerelle. Nous avons développé un système de notation automatisé qui tire parti de cette empreinte de patte à contraste élevé pour identifier avec précision les pattes. Nous avons montré que ce système, PrAnCER, quantifiait les paramètres de démarche avec une précision comparable à celle des systèmes commerciaux. Nous avons déterminé que l’administration d’une dose élevée d’halopéridol augmentait la longueur de foulée et la zone de contact maximale par rapport à la saline. Bien que ce changement soit à l’opposé de ce à quoi nous nous attendions, un examen plus approfondi de la littérature existante indique qu’il fait probablement partie du comportement d’évasion observé en réponse à l’administration aigue de l’halopéridol. Le traitement à faible dose d’halopéridol a eu comme conséquence des symptômes plus typiques de tels que la durée accrue de position et la zone de contact maximale. Nous concluons que tandis que l’administration aigue d’halopéridol de dose élevée est un modèle pauvre pour étudier des affaiblissements de démarche liés à, notre étude a néanmoins démontré la capacité de PrAnCER de détecter avec précision des changements dans la fonction motrice. À l’avenir, nous espérons valider davantage PrAnCER en étudiant les changements locomoteurs dans d’autres modèles de maladies.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Carney Institute for Brain Science de l’Université Brown.
Materials
| 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. |
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| 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 |
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| 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. |
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| Plastic ramp | Pets Warehouse | Approximate Price: $6 Optional: Ramp to assist the animals descend into home cage |
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| 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 |
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| 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 |
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