Utilizzo di MouseWalker per quantificare la disfunzione locomotoria in un modello murino di lesione del midollo spinale

L’efficace coordinazione di quattro arti non è esclusiva degli animali quadrupedi. La coordinazione degli arti anteriori-posteriori nell’uomo rimane importante per svolgere diversi compiti, come il nuoto e le alterazioni della velocità mentre si cammina¹. Varie cinematiche degli arti² e del programma motorio ^1,3,4, così come i circuiti di feedback propriocettivo⁵, sono conservati tra l’uomo e altri mammiferi e dovrebbero essere considerati quando si analizzano le opzioni terapeutiche per i disturbi motori, come la lesione del midollo spinale (SCI)^6,7,8.

Per camminare, diverse connessioni spinali dagli arti anteriori e posteriori devono essere correttamente cablate e attivate ritmicamente, il che richiede input dal cervello e feedback dal sistema somatosensoriale ^2,9,10. Queste connessioni culminano nei generatori di pattern centrali (CPG), che si trovano a livello cervicale e lombare per gli arti anteriori e posteriori, rispettivamente ^1,9,10. Spesso, dopo la SCI, l’interruzione della connettività neuronale e la formazione di una cicatrice gliale inibitoria¹² limitano il recupero della funzione locomotoria, con esiti che variano dalla paralisi totale alla funzione ristretta di un gruppo di arti a seconda della gravità della lesione. Gli strumenti per quantificare con precisione la funzione locomotoria dopo SCI sono fondamentali per monitorare il recupero e valutare gli effetti dei trattamenti o di altri interventi clinici⁶.

Il test metrico standard per i modelli di contusione murina della SCI è la scala del topo Basso (BMS)^13,14, un punteggio non parametrico che considera la stabilità del tronco, la posizione della coda^, il passo plantare e la coordinazione degli arti anteriori-posteriori in un’arena di campo aperto. Anche se il BMS è estremamente affidabile per la maggior parte dei casi, richiede almeno due valutatori esperti per osservare tutti gli angoli del movimento animale al fine di tenere conto della variabilità naturale e ridurre i pregiudizi.

Sono stati sviluppati anche altri test per valutare quantitativamente le prestazioni motorie dopo SCI. Questi includono il test rotarod, che misura il tempo trascorso su un cilindro rotante¹⁵; la scala orizzontale, che misura il numero di ringhiere mancate e pinze positive^16,17; e il beam walking test, che misura il tempo impiegato da un animale e il numero di fallimenti che fa quando attraversa una trave stretta¹⁸. Nonostante rifletta una combinazione di deficit motori, nessuno di questi test produce informazioni locomotorie dirette sulla coordinazione degli arti anteriori-posteriori.

Per analizzare in modo specifico e più approfondito il comportamento della camminata, sono stati sviluppati altri saggi per ricostruire i cicli di passi e le strategie di deambulazione. Un esempio è il test dell’impronta, in cui le zampe inchiostrate di un animale disegnano un motivo su un foglio di carta bianca¹⁹. Sebbene semplice nella sua esecuzione, estrarre parametri cinematici come la lunghezza del passo è ingombrante e impreciso. Inoltre, la mancanza di parametri dinamici, come la durata del ciclo di step o la coordinazione leg-timed, ne limita le applicazioni; In effetti, questi parametri dinamici possono essere acquisiti solo analizzando fotogramma per fotogramma video di roditori che camminano attraverso una superficie trasparente. Per gli studi SCI, i ricercatori hanno analizzato il comportamento a piedi da una vista laterale utilizzando un tapis roulant, compresa la ricostruzione del ciclo dei passi e la misurazione delle variazioni angolari di ciascuna articolazione della gamba 4,20,21. Anche se questo approccio può essere estremamente informativo⁶, rimane focalizzato su un insieme specifico di arti e manca di caratteristiche aggiuntive dell’andatura, come la coordinazione.

Per colmare queste lacune, Hamers e colleghi hanno sviluppato un test quantitativo basato su un sensore tattile ottico che utilizza la riflessione interna totale frustrata (fTIR)²². In questo metodo, la luce si propaga attraverso il vetro attraverso la riflessione interna, si disperde premendo la zampa e, infine, viene catturata da una telecamera ad alta velocità. Più recentemente, è stata resa disponibile una versione open source di questo metodo, chiamata MouseWalker, e questo approccio combina una passerella fTIR con un pacchetto software di tracciamento e quantificazione²³. Utilizzando questo metodo, l’utente può estrarre un ampio set di parametri quantitativi, tra cui modelli di passo, spaziali e di andatura, posizionamento dell’impronta e coordinazione degli arti anteriori-posteriori, nonché output visivi, come i modelli di impronta (imitando il saggio della zampa inchiostrata⁶) o le fasi di posizione rispetto all’asse del corpo. È importante sottolineare che, a causa della sua natura open source, è possibile estrarre nuovi parametri aggiornando il pacchetto di script MATLAB.

Qui viene aggiornato l’assembly pubblicato in precedenza del sistema MouseWalker²³ . Viene fornita una descrizione di come configurarlo, con tutti i passaggi necessari per ottenere la migliore qualità video, le condizioni di tracciamento e l’acquisizione dei parametri. Ulteriori strumenti di post-quantificazione sono inoltre condivisi per migliorare l’analisi del set di dati di output MouseWalker (MW). Infine, l’utilità di questo strumento è dimostrata ottenendo valori quantificabili per le prestazioni locomotorie generali, in particolare i cicli di step e la coordinazione arto anteriore-posteriore, in un contesto di lesione del midollo spinale (SCI).