אנו מתארים מערכת ניתוח הילוך הרומן, כפה הדפסה ניתוח של הקלטות ניגודיות-משופרת (PrAnCER מנסר), גישה פתוחה מערכת אוטומטית עבור כימות של מאפייני הליכה חולדות העושה שיטה הספר השקוף למחצה הרצפה באופן אוטומטי לכמת הילוך. מערכת זו אומתה באמצעות מודל לופרידול של מחלת פרקינסון.
ניתוח הילוך משמש לכמת שינויים בתפקוד מנוע במודלים מכרסמים רבים של מחלות. למרות החשיבות של הערכת הילוך ותפקוד המנוע בתחומים רבים של מחקר, האפשרויות המסחריות הזמינות יש מספר מגבלות כגון עלות גבוהה והעדר נגיש, קוד פתוח. כדי לטפל בנושאים אלה, פיתחנו PrAnCER נסר, כפה להדפיס ניתוח של הקלטות משופרות ניגודיות, עבור כימות אוטומטי של הילוך. ההקלטות המשופרות מופקים על ידי שימוש ברצפה שקופה שאינה מסתירה עצמים שאינם במגע עם פני השטח, ומבודד באופן יעיל את הדפסים של כף היד של העכברוש בזמן ההליכה. באמצעות קטעי וידאו אלה, תוכנית התוכנה הפשוטה שלנו מודד באופן אמין מגוון של פרמטרים הליכה הזמני זמן כדי להדגים כי prancer נסר יכול במדויק לזהות שינויים בתפקוד המנוע, העסקנו מודל לופרידול של מחלת פרקינסון (PD). בדקנו חולדות בשתי מנות של haloperidol: מינון גבוה (0.30 מ”ג/ק”ג) ומינון נמוך (0.15 מ”ג/ק”ג). Haloperidol הגביר באופן משמעותי את משך העמידה ואת האזור האחוריות הקשר במצב מינון נמוך, כפי שניתן לצפות במודל PD. במצב מינון גבוה, מצאנו עלייה דומה באזור המגע, אך גם עלייה בלתי צפויה באורך פסיעה. עם מחקר נוסף, מצאנו כי אורך צעד מוגבר זה תואם את תופעת הגברת לברוח בדרך כלל נצפתה במינונים גבוהים יותר של haloperidol. כך, PrAnCER נסר הצליח לזהות שינויים צפויים ובלתי צפויים בדפוסי הליכה מכרסמים. בנוסף, אנו אישר כי PrAnCER נסר הוא עקבי ומדויק בהשוואה הבקיע ידני של פרמטרים הליכה.
מכרסמים משמשים בדרך כלל מודלים ללמוד מגוון רחב של מחלות ופציעות כולל דלקת פרקים1, פרקינסון מחלת (PD)2,3, הפרעות נוירוסקולריות4,5, הידרוצפלוס6 ופגיעה בחוט השדרה7. בתנאים אלה, תסמינים כגון כאב, איזון, פונקציה מוטורית ניתן למדוד על ידי לימוד דפוסי הליכה של בעלי חיים. דפוסים אלה הם כימות באמצעות קבוצה של פרמטרים הילוך ההילוך הזמני המסכמים את המיקום ואת העיתוי של הדפסים כפה, כמו גם את האזור של מגע כפה על הקרקע.
למרות אפשרויות רבות לניתוח הילוך קיים, מערכות נוכחיות יש החסרונות מספר. בדיו מסורתי ובדיקות נייר, כפות הידיים של בעל החיים מצופות בדיו לפני שהוא הולך על פני גיליון של נייר לבן (איור 1A). הדפסים כפה כתוצאה מכך ניתן למדוד לאורך פסיעה ורוחב העמידה, אך פרמטרים מפתח הילוך זמני כגון מהירות או משך צעד לא ניתן להעריך. מערכות מודרניות המבוססות על וידאו אמינות יותר, אבל ניתוח וידאו דורש הבקיע מסגרת על ידי מסגרת, אלא אם מערכת אוטומטית מתאימה משמש8. יש הרבה מערכות הבקיע אוטומטיות מסחריות הזמינות כרגע, אך מערכות אלה יכולות להיות יקרות מאוד. בנוסף, מערכות אלה להסתמך על ריצוף ברור או במקרים מסוימים, הליכונים, שניהם לשנות את התנועה הטבעית. הליכונים הוכחו מסכה להחלי מנוע בכמה דגמי מחלות9, בעוד ריצוף ברור (איור 1b) גורם עכברים לבלות יותר זמן על היקף של שדה פתוח, המציין חרדה מוגברת10. באופן אידיאלי, מנגנון ניתוח הילוך לא היה להסתמך על או, הפקת דפוסי התנועה הטבעית ביותר עם הלחץ הנמוך ביותר לחיה.
אפשרויות מקור פתוח ומסחרי זמינות משתמשות במגוון שיטות כדי להתגבר על הקושי של בידוד טביעת רגל מגוף החיה למרות תנאי תאורה משתנים, צבע בעלי חיים וצורות הדפסה. חלק לשפר את הניגוד של יצירת קשר עם כפות רגליים שחרור אור בתגובה ללחץ7,11,12, אבל אלה יקרים ומבחינה טכנית קשה לבנות. מערכות אחרות לנצל זוויות תצוגה מרובות המאפשרים התבוננות של תאום גוף שלם8,13. בעוד אפשרויות אלה מציעות יתרונות עבור מדידת פרמטרים נוספים מנוע מעבר הילוך, הם מורכבים ללא צורך עבור ניתוח הילוך פשוטה. יתר על כן, כל הטכניקות הללו להסתמך על ריצוף ברור, אשר משנה התנהגות טבעית.
פרנסר מבוסס על מה שאנו מכנים הקלטות חדות-משופרות, אשר משתמשות בשילוב של תאורה ורצפה שקופה למחצה כדי לשפר את הזיהוי של הדפסים. כאשר מתבוננים מלמטה, הדבר יוצר תמונה בעלת ניגודיות גבוהה (כפה הדפסה) תוך כדי טשטוש המראה של אובייקטים שאינם במגע עם המשטח (גוף החיה) (איור 1D). כאשר מתבוננים מלמעלה, הרצפה נראית אטומה. הערבה כתוצאה של כפות הידיים בשיטה שלנו מאפשרת זיהוי מדויק של מגוון של הליכה ומאפיינים locomotor על ידי המערכת החדשה שפיתחנו האוטומטי. במחקר הנוכחי, אנו מתארים את המנגנון, את הפרוטוקול ניתוח הילוך שלנו, ואת מערכת הניקוד האוטומטי שלנו, הפרנסר. המנגנון שלנו הוא התאספו בקלות ו-PrAnCER נסר ניתן להשתמש כדי להעריך את מנועי מנוע מגוון רחב של מחלות ומודלים פציעה.
כדי להדגים כי prancer נסר ניתן להשתמש כדי לזהות דפוסי הליכה חריגים, השתמשנו מודל לופרידול של PD, מודל פשוט עבור אינדוקציה ארעית של שינויים locomotor14. Haloperidol הוא יריב קולטן דופמין בשימוש נרחב כאנטי פסיכוטיות1. היא משפיעה על מערכות מוטוריות על ידי שינוי דופמין איתות בסטריאטום, מרכיב חשוב של מסלול המנוע ב גרעינים בסיס14. אפילו מנה אחת של לופרידול מפחיתה במהירות רמות דופמין החילוץ בסטריאטום, גורם parkinsonian מנוע כמו להפריש15שלה. ההשפעות ההתנהגותית הן קשיחות שרירית, אסקיסיה וקטלאפסי, המוגדרת כחוסר יכולת לחזור לתנוחה נורמלית לאחר ההנחה בתנוחה יוצאת דופן11,16. מינונים חריפה של לופרידול לגרום locomotor לזיהוי במבחן rotarod של פונקציה מוטורית17. היינו מנומקת כי haloperidol-תיווך locomotor ליקויים יהיה גם ברור במספר מאפיינים נגישים לניתוח הילוך אוטומטי.
למרות התגובות לופרידול להשתנות באופן נרחב על פני מחקרים, אפקטים קטלטיים של לופרידול להגיח במינונים של 0.5 מ”ג/ק”ג ומעלה, בעוד תגובתיות מופחתת ליקוי מנוע מתגלה במינונים נמוכים (0.1-0.3 מ”ג/ק”ג)16, 17. במאמץ למנוע את ההשפעות הקטלטיות של haloperidol, החלטנו לבדוק שתי מנות של haloperidol: מינון גבוה (0.30 מ”ג/ק”ג) ומינון נמוך (0.15 מ”ג/ק”ג). כפי שמוצג בטבלה 1, ניסוי 1 בדק את ההשפעות של מינון גבוה haloperidol, בעוד ניסוי 2 בדק את ההשפעות של מינון נמוך הלפרידול. השתמשנו בעיצוב בתוך נושא שבו כל חולדה נבדקה במינון גבוה, במינון נמוך, ובקרה (מלוחים) תנאים. סדר התנאי היה מאוזן. על פני חולדות אנו חזו כי מינהל אקוטי של לופרידול יגרום ליקויי הילוך דומה לאלה שנמצאו במודלים אחרים של משטרת כגון מהירות ירידה, אורך פסיעה ירידה, ועוד עמידה במשך3,14,18 ,19. הבחנו בשינויי התנהגות, כולל כקינססיה בעקבות ממשל הלופריאיידול בשתי המינונים. במצב במינון נמוך, חולדות הגדילו באופן משמעותי את משך העמידה ואת האזור האחוריות המגע, כצפוי. השינויים האלה הילוך הם דומים האיטי, ערבוב צעדים נפוצים בקרב חולי PD2,20. במצב מינון גבוה, עם זאת, ראינו עלייה באורך פסיעה, כמו גם עלייה באזור המגע כפה. למרות העלייה באורך פסיעה היה בלתי צפוי, סקירה נוספת של הספרות עולה כי סביר להניח שהוא חלק מתגובת הגברת המרעננת המושרה-הלפרידול. אנו מסיקים כי PrAnCER נסר הוא אכן מסוגל לזהות שינויים כמו Parkinsonian בהילוך מכרסם עקבי עם שימוש של נוירולפטיקה.
במחקר זה, בדקנו את PrAnCER נסר, מערכת חדשה אוטומטית ניתוח הילוך המשתמש ניגודיות משופרת קטעי וידאו המיוצר באמצעות רצפה שקופה להסתיר את הגוף של בעל החיים כדי להניב הדפסים מוגדרים בבירור כפה עבור זיהוי אוטומטי פשוט. PrAnCER נסר מזהה במדויק הדפסים כפה רגיש לשינויים בתפקוד המנוע. השתמשנו בפרמנסר כדי להעריך שינויים הילוך במודל של הלופריאיידול חריפה של PD. למרות לופרידול לא לזרז את המנועים הצפויים של מודל PD חזקה, היינו בכל זאת מסוגלים להדגים כי prancer נסר יכול במדויק לזהות שינויים דפוסי הליכה. בסופו של דבר, אנו לכמת את הדיוק של PrAnCER והפגינו כי המדידה שלה של פרמטרים מפתח הילוך הוא דומה לזה של ניקוד ידני.
בשני התנאים שטופלו על ידי לופרידול, הבחנו בשכיחות גבוהה של התנהגות הקפאה (הקנקיסיה) ואחריו תגובה בריחה של ריצה או התוחמת קדימה. בעוד akinesia נצפתה במינון דומה (0.25 mg/ק”ג) במספר מחקרים16,23, התנהגות זו תוחמת אינה עקבית עם סימפטומים parkinsonian האופייני3,14,19, . עשרים וארבע מעניין, מצאנו כי מינון גבוה הטיפול לופרידול הביא אורך פסיעה משמעותית מוגברת. ממצא זה היה מפתיע בתחילה, כי מודלים אחרים לופרידול של המשטרה הראו ירידה באורך פסיעה3,19. עם זאת, הם הגיוני לאור התנהגות ‘ הגברת לברוח ‘ דפוס ההתנהגות המתוארת על ידי De ryck ואח ‘ (1980), מי דיווח כי חולדות לרוץ לברוח אחרי תקופות הקינטית, וכי מהירות גבוהה ילוך כגון ריצה ותוחמת משויכים צעד מוגבר אורך4,25 (איור 8c). טיפול במינון גבוה גם הביא באופן משמעותי הגדלת האזור המרבי של הכפות האחוריות. במינון נמוך טיפול לופרידול הביא שינויים אופייני PD הילוך כולל עלייה משמעותית במשך העמידה ואזור הקשר המקסימלי (איור 8a-B). תוצאות אלו עשויות להיות השתקפות של קשיחות השריר הקשורה לקיקינסזיה הנגרמת על ידי הלואופרל.
למרות התנהגות יוצאת דופן-escape, היינו מסוגלים להדגים כי PrAnCER נסר באמת יכול לזהות שינויים בהילוך. הצגנו כי בתנאי תאורה נכונה, קומה שקופה יכולה לייצר תמונה מאוד בניגוד ומפורט של הכפות. במחקר הנוכחי, עשינו רצפה שקופה שקופה על ידי כיסוי אותו עם קלף. ניתן להשיג את אותה השפעה על-ידי הצבת כיסוי שקוף נוסף, כגון יילר, בקומה שקופה. לחילופין, הרצפה עצמה יכולה להיות שקופה למחצה באמצעות, למשל, חלבית פלקסיגלס. הרצפה השקופה ושביל הפלקסיגלס הפשוטים הינם זולים, וניתן לבנות אותן בשעות אחר הצהריים. מערכת הניתוח המבוסס על זיהוי קצוות שלנו היא גמישה לווריאציות רבות במנגנון ומציעה סף מתכוונן להתאמת המערכת לכיוונונים שונים, למודלים של מחלות או לבעלי חיים קטנים יותר כגון עכברים.
כמה ניתוחים הילוך הליכה שונו מנוסחאות קונבנציונליות בשל היבטים של המעבר. לדוגמה, השיטה שלנו לחישוב מהירות שונה ממחקרים הליכה אחרים; הרצפה שקופה בשילוב עם תאורת LED מטשטש את התצוגה של הגוף, כך לא ניתן לעקוב אחר מיקום הגוף כדי לחשב מהירות כפי שנעשה בדרך כלל. עבור מחקר זה, המהירות חושבה על-ידי חלוקת המרחק בין שני אנשי קשר של אותו כפה בזמן המגע הראשון לקשר השני. כמובן, ניתן להשתמש בנוסחאות אחרות. לדוגמה, אם יש צורך במדידה כוללת של מהירות, ניתן לחלק את המרחק מהממוצע של מיקומי הקדמי בהתחלה ובסיום של ההפעלה במהלך ההפעלה.
האנליזה שלנו מאשרת כי, בעוד לא זהה לניקוד ידני, המערכת האוטומטית שלנו מבצעת עם דיוק גבוהה ומייצר אמצעים אמינים של הליכה. המנגנון המתואר כאן היה אופטימיזציה עבור ניתוח פשוט, בעלות נמוכה של תפקוד המנוע. עם זאת, שינויים מספר יכול להתבצע כי יהיה להרחיב את התועלת של PrAnCER. מגבלה אחת של המערכת שלנו היא כי הרצפה השקוף למחצה, תוך מתן המאפשר לזיהוי כף יד מעולה, מטשטש את ציר הגוף של בעלי החיים. למרות שאנחנו לא מצאנו את זה הכרחי, זה יכול להיות ממוען על ידי הוספת מצלמה תקורה למערכת. שיפור נוסף יהיה שימוש במצלמת וידאו עם קצב מסגרות גבוה יותר. בעוד הצלחנו להשיג הערכות עקבית של פרמטרים הזמן, את הדיוק של הצעדים האלה הוא נפרץ בשערי מסגרת מתחת 100 fps8. הוספת מצלמת וידאו במהירות גבוהה לא תדרוש שינוי בתוכנת הניתוח תוך הגברת דיוק ודיוק של הצעדים הטמפורלית. בנוסף, מספר מערכות הליכה אחרות להשתמש במראה כדי להקליט בו את הנוף לרוחב והגחוני של החולדה2,8,13. הוספת תכונה זו למנגנון שלנו יאפשר קוונפיקציה מדויקת יותר של מהירות ותצפית טובה יותר על התנהגות במהלך הריצות.
במחקר זה, הראנו כי השימוש ברצפה שקופה למחצה מבודד באופן יעיל הדפסים של כף היד על ידי חסימת הנראות של אובייקטים לא במגע עם הרצפה המסדרון. פיתחנו מערכת הבקיע אוטומטית כי מנצל את כף הניגודיות הגבוהה הזאת להדפיס כדי לזהות במדויק את הכפות. הראנו כי מערכת זו, המנסר, פרמטרים הילוך הליכה עם דיוק דומה למערכות מסחריות. קבענו כי הממשל של מנה גבוהה של לופרידול מוגברת אורך פסיעה ואזור הקשר המקסימלי לעומת תמיסת מלח. למרות ששינוי זה הוא ההיפך ממה שציפינו, סקירה נוספת של הספרות הקיימת מצביעה על כך שסביר להניח שהוא חלק מהתנהגות הבריחה שנצפתה בתגובה לניהול אקוטי של הלופרידול. במינון נמוך טיפול לופרידול הביא סימפטומים יותר אופייני PD כגון משך העמידה מוגברת ואזור הקשר המקסימלי. אנו מסיקים כי בעוד מינון גבוה חריפה הממשל הלאופרל הוא מודל עני כדי ללמוד הילוך ליקויים הקשורים PD, המחקר שלנו בכל זאת הפגינו את היכולת של PrAnCER נסר לזהות במדויק שינויים בתפקוד המנוע. בעתיד, אנו מקווים לשוב לאמת PrAnCER נסר ידי לימוד שינויים locomotor במודלים של מחלות אחרות.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכת על ידי מכון קרני למדעי המוח באוניברסיטת בראון.
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 |