Comment se déplace un squelette ? Une nouvelle méthode de suivi pour quantifier la cinématique squelettique chez les rongeurs en mouvement libre

Comment mesurer le mouvement du squelette d’un animal à fourrure lorsqu’il se déplace dans son environnement ? Des chercheurs de l’Institut Max Planck de neurobiologie du comportement ont développé une méthode pour quantifier le mouvement du squelette chez les rongeurs en mouvement libre avec un nouveau niveau de précision et de détail.

Il est basé sur la construction d’un modèle de squelette qui calcule le mouvement des articulations osseuses en utilisant des principes anatomiques de base, tels que les limites de rotation des articulations et les vitesses auxquelles les corps peuvent se déplacer. Cette approche, publiée dans Méthodes naturellesouvre une nouvelle capacité à lire comment les animaux interagissent avec leur environnement et commence à démêler la relation entre l’activité neuronale et les comportements complexes tels que la prise de décision.

Avez-vous déjà pensé à la façon dont votre squelette bouge au cours de votre journée ? Lorsque nous réfléchissons à cette question, les images radiographiques nous viennent immédiatement à l’esprit. Mais comment mesurer le mouvement d’un squelette sans utiliser de rayons X chez un animal qui court ou saute et interagit avec son environnement ? Et pourquoi cela serait-il important ?

L’étude de l’animal en mouvement libre donne un aperçu inégalé de la façon dont les animaux se comportent et prennent des décisions, par exemple lorsqu’ils évitent la prédation, trouvent des partenaires et élèvent leurs petits. Alors que de nombreuses études ont mesuré le comportement des animaux, les études qui mesurent la mécanique de leur mouvement manquent. Mais comme l’activité dans le système nerveux central conduit finalement à des décisions qui sont mises en œuvre par les mouvements du corps, mesurer ces mécanismes et les relier à l’activité neuronale est essentiel pour acquérir des connaissances approfondies sur le fonctionnement du cerveau.

Sans appareil à rayons X, l’analyse des mouvements des os individuels est extrêmement difficile, car l’occlusion de la fourrure, de la peau et des tissus mous complique la mesure du mouvement du squelette. Récemment, plusieurs méthodes avancées d’apprentissage automatique ont été capables de mesurer avec précision la pose d’un animal et même les changements dans l’expression faciale d’un animal ; cependant, jusqu’à présent, aucune des techniques existantes n’a été en mesure de suivre les changements dans la position des os et le mouvement des articulations sous la surface visible du corps.

Des chercheurs du département Comportement et organisation cérébrale de l’Institut Max Planck de neurobiologie du comportement à Bonn (MPINB), dirigé par le Prof.Dr. Jason Kerr, ont maintenant développé une méthode basée sur la vidéographie pour le suivi 3D du squelette à la résolution d’articulations simples chez des animaux non attachés pendant qu’ils interagissent avec leur environnement.

Leur modèle anatomiquement contraint (ACM) est basé sur un squelette anatomiquement fondé qui déduit la cinématique squelettique d’un animal lorsqu’il se déplace librement. À partir de ces données, il était possible de mesurer le fonctionnement interne d’un squelette, d’instant en instant, alors que les animaux sautaient, marchaient, s’étiraient et couraient.

Cette nouvelle approche peut être appliquée à plusieurs espèces à fourrure telles que les souris et les rats de tailles et d’âges différents. Pour s’assurer que les données étaient correctes, les chercheurs ont travaillé avec des collègues de l’Institut Max Planck pour la cybernétique biologique et de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents à Tübingen en utilisant l’IRM des animaux pour comparer le modèle ACM au squelette réel.

« Notre nouvelle méthode est relativement simple, sans attache et utilise des caméras aériennes. Elle résout de nombreux problèmes associés au suivi des rongeurs en mouvement libre, en particulier ceux qui sont couverts de fourrure et lorsque le corps couvre les jambes et les pieds », explique le professeur Dr. Jason Kerr, qui a dirigé l’étude avec le professeur Jakob Macke de Tübingen.

L’une des prochaines étapes consiste à combiner cette approche avec des enregistrements simultanés de neurones dans le cerveau à l’aide des microscopes multiphotons miniatures montés sur la tête que les chercheurs du MPINB ont mis au point. Cela permettrait de corréler exactement l’activité neuronale avec le comportement réel pour en savoir plus sur la façon dont le cerveau contrôle même un comportement complexe.

Les chercheurs appliqueront également leur nouvelle méthode pour mesurer la cinématique du mouvement chez d’autres espèces animales dans des environnements plus naturels et simultanément chez plusieurs animaux en interaction. « Grâce à notre nouvelle méthode, nous allons d’une part mieux comprendre comment les animaux interagissent avec leur environnement et, d’autre part, nous espérons acquérir des connaissances sur la façon dont les animaux interagissent les uns avec les autres », explique Jason Kerr.