Computer-assisted analysis of the developing brain motor system and coordinated locomotion in the foal

Abstract

The purpose of the present study was to correlate the structural maturation of the horse brain with the developement of coordinated locomotion of the animal. A newly emerging method of gait analysis is being based on computerized measurements of recordings of the horse moving on a treadmill. However, informaton collected this was is still scarce in the literature and lacks a reliable basis of evaluation. We assumed that the development of the majos motor centres and pathways of the brain may serve as safe reference for evaluating gait measurements. Equine brains from 14 days before expected birth to adulthood were fixed in formaldehyde and embedded in paraffin. After taking outer parameters of the brains, full series of large-area coronal sections were prepared on a special microtome and stained with Nissl's cresyl violet and Haidenhain's iron-haematoxylin. Microscopic images of sections were digitized and were subjected to computer-aided image analysis. Recordings of the moving foal and adult were made either with the CODA-system or, with our newly developed computer program, based on VHS recordings. The gross morphology of the brains and the image analysis of histological preparations suggest that in the perinatal period studied there is no substantial increase in brain size and mass, while the amount of Nissl-substance myelin grows rapidly till postnatal day 45. Then a relative decrease of both is observed till adulthood accompanied by a doubling of brain size and mass. In monitoring the moving horse, our home video analysis system proved to be comparable to CODA. Computer-generated curves of different joint angles during walk and trot allow a clear distinction between immature and mature types of locomotion. The same was observed for the temporal variables of stride phases. Maturation of gait, as indicated by the above objective measurements was paralell to the structural maturation of the perinatal brain. It is concluded that during the maturation of the equine brain, decisive changes of the motor system such as synaptogenesis and full myelination of motor tracts may coincide with the onset of economic, target-oriented, coordinated locomotion of the developing foal. Our studies may contribute to world-wide efforts to develope objective tools for predictions as to the future performance of the foal.

Jelen munkánk célja az volt, hogy összefüggést találjunk a ló agyának strukturális érése és az állat összehangolt mozgásának kifejlődése között. A számítógépes méréseken alapuló, jelen tanulmány céljaira kifejlesztett mozgásanalízis rendszer futószalagon mozgó lóról készült felvételeket dolgoz fel. A szakirodalomban rendelkezésre álló vonatkozó irodalom szegényes, megbízható értékelésre nem ad lehetőséget. Feltételezésünk szerint a főbb motoros központok és pályák fejlődése megbízható támpontot szolgáltat a mozgásanalízis eredményeinek objektív megítéléséhez. Hét ló agyát vizsgáltuk a várható ellés előtti 14 napos kortól a felnőtt korig, amelyeket formalinban való fixálást, majd az agyak külső paramétereinek felvételét követően egyben ágyaztunk paraffinba. A teljes agy keresztmetszeti preparátumokat speciális mikrotómmal metszettük le, majd Nissi krezilibolyával és Haidenhain vas- haematoxylinnak festettük meg. A metszetsorokat digitalizáltuk és komputeres képanalízis technikával vizsgáltuk. A csikó és a felnőtt ló mozgását párhuzamos CODA és VHS felvételek alapján elemeztük. A digitalizált VHS felvételeket saját fejlesztésű szoftverrel analizáltuk. Az agyvelő átfogó morfológiai és részletes szövettani vizsgálata azt mutatja, hogy a vizsgált perinatális időszakban nincs jelentős növekedés az agyvelő méretében és tömegében, viszont a Nissl-anyag és a myelin mennyisége növekszik a 45 napos korig. Az ezt követő felnőtt korig tartó időszakban az utóbbi két paraméter értéke relatíve csökken, ugyanakkor ezt az agyvelő méretének és tömegének megkétszereződése kíséri. A videó felvételek alkalmazása a mozgásanalízis területén a CODA rendszerrel való összehasonlításban megbízhatónak bizonyult. Az ízületi szögeket leíró komputeres görbék, amelyeket lépésnél és ügetésnél vettünk fel, eltérést mutatnak a fejletlen és fejlett mozgásformák között. Hasonló eredményeket hoztak a lépés fázisainak megoszlására irányuló vizsgálataink is. A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy párhuzamosság áll fenn a perinatális agyfejlődés és a mozgásanalízis objektív eredményei között. Megállapítható továbbá, hogy a ló agyának maturációs időszakában a motoros rendszerbe olyan döntő változások zajlanak, mint pl. a teljes myelinizáció kialakulása, a synaptogenesis, stb., amelyek egybeesnek a mozgás célorientáltságának, koordináltságának megjelenésével a fejlődő csikóban. Eredményeink remélhetően hasznosan járulnak hozzá azokhoz a világszerte folyó kutatásokhoz, amelyek a csikók felnőttkori teljesítményének korai megítélését célozzák.