### Como um esqueleto se move? Um novo método de rastreamento para quantificar a cinemática esquelética em roedores que se movem livremente

Resumo

O movimento do esqueleto é essencial para uma ampla gama de comportamentos, incluindo locomoção, alimentação e higiene. No entanto, quantificar a cinemática esquelética em roedores que se movem livremente tem sido um desafio devido ao pequeno tamanho e à anatomia complexa destes animais. Aqui, apresentamos um novo método de rastreamento que utiliza videografia de alta velocidade e aprendizado de máquina para rastrear o movimento de ossos individuais em roedores que se movem livremente. Nosso método é capaz de rastrear o movimento dos ossos com alta exatidão e precisão e pode ser usado para estudar uma ampla gama de comportamentos. Demonstramos a utilidade do nosso método rastreando o movimento dos ossos dos membros anteriores e posteriores durante a locomoção. Nossos resultados fornecem novos insights sobre a cinemática da locomoção dos roedores e destacam o potencial do nosso método para estudar o movimento esquelético em uma variedade de outros comportamentos.

Introdução

O movimento do esqueleto é essencial para uma ampla gama de comportamentos, incluindo locomoção, alimentação e higiene. Compreender a cinemática do movimento esquelético é, portanto, fundamental para compreender como os roedores interagem com o seu ambiente. No entanto, quantificar a cinemática esquelética em roedores que se movem livremente tem sido um desafio devido ao pequeno tamanho e à anatomia complexa destes animais.

Os métodos tradicionais para rastrear o movimento esquelético, como captura de movimento e videografia, são frequentemente limitados pela sua invasividade ou pela sua incapacidade de rastrear o movimento de ossos individuais. Mais recentemente, foram desenvolvidos métodos baseados em aprendizado de máquina que podem rastrear o movimento dos ossos a partir de videografia de alta velocidade. No entanto, estes métodos têm sido normalmente limitados a rastrear o movimento de um pequeno número de ossos e não foram validados para utilização em roedores que se movem livremente.

Aqui, apresentamos um novo método de rastreamento que utiliza videografia de alta velocidade e aprendizado de máquina para rastrear o movimento de ossos individuais em roedores que se movem livremente. Nosso método é capaz de rastrear o movimento dos ossos com alta exatidão e precisão e pode ser usado para estudar uma ampla gama de comportamentos. Demonstramos a utilidade do nosso método rastreando o movimento dos ossos dos membros anteriores e posteriores durante a locomoção. Nossos resultados fornecem novos insights sobre a cinemática da locomoção dos roedores e destacam o potencial do nosso método para estudar o movimento esquelético em uma variedade de outros comportamentos.

Métodos

Animais

Todos os experimentos foram realizados de acordo com o Guia do Instituto Nacional de Saúde para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório e foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidado e Uso de Animais da Universidade da Califórnia, Berkeley. Camundongos machos C57BL/6J (8-12 semanas de idade) foram utilizados em todos os experimentos.

Configuração experimental

Os ratos foram colocados numa arena personalizada (30 cm x 30 cm x 30 cm) feita de Plexiglas transparente. A arena foi colocada sobre uma mesa de isolamento de vibração para minimizar artefatos de movimento. A videografia de alta velocidade foi realizada utilizando uma câmera Photron Fastcam SA3 (Photron, Tóquio, Japão) operando a 500 quadros por segundo. A câmera foi posicionada acima da arena e focada no corpo do rato.

Método de rastreamento

Nosso método de rastreamento é baseado em um algoritmo de aprendizado profundo chamado