A ladder paradigm for studying locomotor coordination in mice

Abstract

The apparent fluent capacity to generate competent movement is a remarkable feature of the intricate information processing that takes place in the brain. Since movement is the ultimate result of processes carried out by the motor system, behavioral experiments are crucial to understand how the brain generates complex body movements. The cerebellum is essential for an accurate and coordinated gait. However, it is still a poorly understood component of the motor system. Our laboratory has previously established a quantitative framework for studying mouse locomotor coordination during overground walking (Machado and Darmohray et al., 2015). In the present project, we have developed the LocoLadder, which comprises a horizontal ladder coupled with force sensors, designed to measure the load exerted by the paws of mice as they traverse the ladder. This was complemented by tracking of mice body parts with high spatiotemporal resolution for measuring locomotor patterns of interest. Using this system, we were able to successfully characterize the locomotor profiles of both wildtype and cerebellar ataxic reeler mice, allowing us to highlight the locomotor deficiencies in the latter. Taken together, the association of load and gait assessment represents a significant step toward sensitively quantify locomotor coordination in a ladder configuration. Such a system combined with new optogenetic tools should yield relevant details about motor control and provide new means of understanding how the cerebellum contributes to skilled locomotion.

A aparente simplicidade de gerar movimento capaz, é uma característica notável do processamento complexo de informação que tem lugar no nosso cérebro. Pelo facto de o movimento ser o resultado final dos processos desempenhados pelo sistema motor, as experiências comportamentais são cruciais para explicar como é que o cérebro gera movimentos corporais complexos. Sabe-se que o cerebelo é fundamental para uma marcha coordenada e exacta. Contudo, é ainda uma estrutura pouco conhecida do sistema motor. No laboratório foi previamente desenvolvida uma nova abordagem quantitativa para o estudo da coordenação motora em ratinhos durante a marcha em superfície plana e contínua (Machado and Darmohray et al. 2015). No presente projecto, foi desenvolvido um sistema, denominado LocoLadder, que inclui uma escada horizontal acoplada a sensores de pressão, com o propósito de aceder à força exercida pelas patas nos degraus, ao longo do percurso do ratinho pela escada. Este sistema foi complementado com o registo do percurso das diferentes partes do corpo do ratinho com elevada resolução espácio-temporal, para medição de padrões locomotores de interesse. Utilizando este método experimental, caracterizouse também, com sucesso, o perfil locomotor dos ratinhos controlo e dos ratinhos reeler com ataxia cerebelar, tendo sido possível identificar várias incapacidades locomotoras nos últimos. Em suma, a associação da medição da pressão exercida pelas patas com a análise da marcha, permitiu uma melhor quantificação sensitiva da coordenação locomotora em escada. Pensamos que, este sistema combinado com os novos métodos de optogenética, poderão fornecer detalhes relevantes sobre o controlo motor e proporcionar novas formas para compreender como é que o cerebelo contribui para a locomoção hábil.