A new automatic method for tracking rats in the Morris water maze

• DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e18367
• Publication Date: 2023-07-15T05:58:35Z
• Authors: Manuel G. Forero; Natalia C. Hernández; Cristian M. Morera; Luis A. Aguilar; Ruth Aquino; Laura E. Baquedano
• Keywords: Advanced Techniques in Bioimage Analysis and Microscopy; Artificial intelligence; Science (General); Phenotypic Profiling; Biophysics; Prueba del Laberinto Acuático de Morris; Plug-in; Pattern recognition (psychology); Hippocampal formation; Procesamiento de Imagen Asistido por Computador; Q1-390; Segmentation; Image processing; Memory; Pattern recognition; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Image (mathematics); Memoria; Pendiente; Molecular Biology; Internal medicine; H1-99; Morris water navigation task; Tracking; Projection (relational algebra); Pendiente / Pendiente; Life Sciences; Computer science; ImageJ; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#5.01.00; Advances in Metabolomics Research; Social sciences (General); Algorithm; Operating system; Computational Theory and Mathematics; Hough transform; Computer Science; Physical Sciences; Telecommunications; Medicine; Computer vision; Morris water maze; Software; Research Article; Computational Methods in Drug Discovery; Frame (networking)

Le test du labyrinthe d'eau de Morris (MWM) est largement utilisé pour évaluer les déficits d'apprentissage et de mémoire chez les rongeurs. Le traitement d'image et la reconnaissance de formes peuvent être utilisés pour analyser des vidéos et reconnaître automatiquement le suivi en MWM. Il existe plusieurs logiciels commerciaux et d'accès libre qui permettent d'analyser les tâches comportementales bien qu'ils aient également des limitations telles que l'automatisation, le coût, l'intervention de l'utilisateur, entre autres. Le but de cet article était de développer une nouvelle technique de traitement d'image pour analyser automatiquement la trace du rat dans le MWM, que nous avons appelé RatsTrack. Le test MWM a été effectué avec un modèle animal pour la maladie d'Alzheimer, et les vidéos ont été enregistrées pour mesurer la distance, le temps et la vitesse. La méthode de segmentation basée sur la projection des trames vidéo a été réalisée pour l'identification de la piscine, en éliminant le rat, tout en conservant la forme de la piscine. Ensuite, la transformation de Hough a été utilisée pour reconnaître la position et le rayon de la piscine. Enfin, le cadre dans lequel le rat est libéré dans la piscine a été établi automatiquement à l'aide de techniques de morphologie mathématique et ajouté en tant que plugin sur le logiciel ImageJ en libre accès. La nouvelle technique de traitement d'image, RatsTrack, a détecté et localisé avec succès la piscine et le rat sans intervention de l'utilisateur, réduisant considérablement le temps de fonctionnement et fournissant des résultats pour la distance, le temps, la vitesse et les paramètres d'accélération du test MWM. Les rats atteints de la maladie d'Alzheimer par rapport au groupe témoin ont présenté des données significatives mesurées avec le RatsTrack. RatsTrack est un plugin du logiciel ImageJ et sera mis gratuitement à la disposition du public.<br/>La prueba del laberinto de agua de Morris (MWM) se utiliza ampliamente para evaluar los déficits de aprendizaje y memoria en roedores. El procesamiento de imágenes y el reconocimiento de patrones se pueden utilizar para analizar vídeos y reconocer automáticamente el seguimiento en MWM. Existen varios softwares comerciales y de libre acceso que permiten analizar las tareas de comportamiento aunque también tienen limitaciones como la automatización, el costo, la intervención del usuario entre otras cosas. El objetivo de este trabajo era desarrollar una nueva técnica de procesamiento de imágenes para analizar automáticamente la huella de la rata en el MWM, que denominamos RatsTrack. La prueba MWM se realizó con un modelo animal para Alzheimer, y los videos se grabaron para medir la distancia, el tiempo y la velocidad. El método de segmentación basado en la proyección de los fotogramas de vídeo se realizó para la identificación del grupo, eliminando la rata y conservando la forma del grupo. Luego, se utilizó la transformación de Hough para reconocer la posición y el radio de la piscina. Finalmente, el marco en el que se libera la rata en el grupo se estableció automáticamente utilizando técnicas de morfología matemática y se añadió como un complemento en el software ImageJ de acceso gratuito. La nueva técnica de procesamiento de imágenes, RatsTrack, detectó y localizó con éxito la piscina y la Rat sin intervención del usuario, disminuyendo significativamente el tiempo operativo y proporcionando resultados para los parámetros de distancia, tiempo, velocidad y aceleración de la prueba MWM. Las ratas con Alzheimer en comparación con el grupo de control presentaron datos significativos medidos con el RatsTrack. RatsTrack es un complemento del software ImageJ y estará disponible gratuitamente para uso público.<br/>Morris water maze (MWM) test is widely used to evaluate the learning and memory deficits in rodents. Image processing and pattern recognition can be used to analyse videos and recognize automatically the tracking in MWM. There are several commercial and free access software that allows analyzing the behavioral tasks although they also have limitations such as automation, cost, user intervention among other things. The aim of this paper was to develop a new image processing technique to automatically analyse the track of the rat in the MWM, which we called RatsTrack. The MWM test was performed with an animal model for Alzheimer, and the videos were recorded to measure the distance, time, and speed. The segmentation method based on the projection of the video frames was made for pool identification, eliminating the rat, while conserving the shape of the pool. Then, the Hough transformation was used to recognize the position and radius of the pool. Finally, the frame in which the rat is released into the pool was established automatically using mathematical morphology techniques and added as a plugin on free access ImageJ software. The new image processing technique, RatsTrack, successfully detected and located the pool and rat without user intervention, significantly decreasing operational time and providing results for distance, time, speed, and acceleration parameters of the MWM test. Alzheimer's rats compared with the control group presented significant data measured with the RatsTrack. RatsTrack is a plugin of ImageJ software and will be made freely available for public use.<br/>يستخدم اختبار متاهة موريس المائية (MWM) على نطاق واسع لتقييم عجز التعلم والذاكرة في القوارض. يمكن استخدام معالجة الصور والتعرف على الأنماط لتحليل مقاطع الفيديو والتعرف تلقائيًا على التتبع في MWM. هناك العديد من البرامج التجارية وبرامج الوصول الحر التي تسمح بتحليل المهام السلوكية على الرغم من وجود قيود عليها مثل الأتمتة والتكلفة وتدخل المستخدم من بين أمور أخرى. كان الهدف من هذه الورقة هو تطوير تقنية جديدة لمعالجة الصور لتحليل مسار الفئران تلقائيًا في MWM، والتي أطلقنا عليها اسم RatsTrack. تم إجراء اختبار MWM باستخدام نموذج حيواني لمرض الزهايمر، وتم تسجيل مقاطع الفيديو لقياس المسافة والوقت والسرعة. تم تصميم طريقة التقسيم بناءً على إسقاط إطارات الفيديو لتحديد المسبح، والقضاء على الفئران، مع الحفاظ على شكل المسبح. بعد ذلك، تم استخدام تحويل Hough للتعرف على موضع ونصف قطر المسبح. أخيرًا، تم إنشاء الإطار الذي يتم فيه إطلاق الفأر في البركة تلقائيًا باستخدام تقنيات المورفولوجيا الرياضية وإضافته كمكون إضافي على برنامج ImageJ المجاني. نجحت تقنية معالجة الصور الجديدة، RatsTrack، في اكتشاف وتحديد موقع حمام السباحة والجرذ دون تدخل المستخدم، مما قلل بشكل كبير من وقت التشغيل وقدم نتائج لمعلمات المسافة والوقت والسرعة والتسارع لاختبار MWM. قدمت فئران مرض الزهايمر مقارنة بالمجموعة الضابطة بيانات مهمة تم قياسها باستخدام RatsTrack. RatsTrack هو مكون إضافي لبرنامج ImageJ وسيتم إتاحته مجانًا للاستخدام العام.<br/>