Upper limb deficits remain a significant challenge in post-stroke motor recovery. Accurate assessment of these deficits is crucial for translating preclinical research into clinical applications. Traditional methods for quantifying recovery in animal stroke models often rely on observer scoring systems, such as manually counting eaten pellets, which lack the granular resolution needed for precise movement kinematics analysis. This thesis proposes a novel approach for refined motor recovery analysis in preclinical stroke models using machine learning methods. We developed MouseReach, an innovative toolkit that utilizes videos from a modified version of the mouse Staircase test to conduct robust movement analysis of forepaw reaching in mice. Using MouseReach, we analyzed the kinematics of post-stroke motor recovery in two widely studied animal models of ischemic stroke: photothrombosis (PT) and middle cerebral artery occlusion (MCAO). This refined analysis revealed new motor features that elucidate the differing effects of striatal and cortical stroke lesions in mice. In another set of experiments, we investigated the role of serotonergic signaling in enhancing motor recovery after stroke. Targeting the serotonergic nuclei in the brainstem, we built on evidence that serotonin upregulation significantly improves upper limb function in both animal models and humans post-stroke. By specifically activating serotonergic neurons projecting to the cervical spinal cord, we aimed to amplify the plastic reorganization of neuronal fibers. Modifying their activity resulted in substantial changes in motor function post-stroke, highlighting the delicate balance required in serotonergic signaling for maintaining coordinated movement. Additionally, serotonergic neuromodulation led to unexpected changes in mouse body temperature, revealing another physiological role of serotonin unrelated to motor function. These findings underscore the intricate role of the serotonergic system in multiple functional areas within the context of ischemic stroke and pave the way for further research aimed at improving motor deficits caused by stroke.
Defizite der oberen Extremitäten bleiben eine große Herausforderung bei der motorischen Erholung nach einem Schlaganfall. Eine genaue Beurteilung dieser Defizite ist entscheidend für die Übertragung präklinischer Forschung in klinische Anwendungen. Traditionelle Methoden zur Quantifizierung der Erholung in Tiermodellen für Schlaganfälle stützen sich oft auf Beobachter-Bewertungssysteme wie das manuelle Zählen von gefressenen Pellets, die jedoch die notwendige Auflösung für eine präzise Analyse der Bewegungskinematik vermissen lassen. Diese Arbeit schlägt einen neuen Ansatz zur Analyse der motorischen Erholung in präklinischen Schlaganfallmodellen mithilfe maschinellen Lernens vor. Wir haben MouseReach entwickelt, ein innovatives Toolkit, das Videos aus einer modifizierten Version des Staircase-Tests nutzt, um die Bewegungsanalyse des Greifens mit der Vorderpfote bei Mäusen durchzuführen. Mit MouseReach haben wir die Kinematik der motorischen Erholung nach einem Schlaganfall in zwei Tiermodellen analysiert: Photothrombose (PT) und Mittlere Hirnarterienokklusion (MCAO). Diese verfeinerte Analyse offenbarte neue motorische Merkmale, die die unterschiedlichen Auswirkungen von striatalen und kortikalen Schlaganfallläsionen bei Mäusen verdeutlichen. In weiteren Experimenten haben wir die Rolle der serotonergen Signalübertragung bei der motorischen Erholung nach einem Schlaganfall untersucht. Durch das Anvisieren der serotonergen Kerne im Hirnstamm bauten wir auf Beweisen auf, dass eine Serotoninaufregulation die Funktion der oberen Extremitäten sowohl bei Tiermodellen als auch bei Menschen nach einem Schlaganfall verbessert. Durch die spezifische Aktivierung serotonerger Neuronen, die zum zervikalen Rückenmark projizieren, zielten wir darauf ab, die plastische Reorganisation von Nervenfasern zu verstärken. Dies führte zu erheblichen Veränderungen der motorischen Funktion und hob das empfindliche Gleichgewicht hervor, das in der serotonergen Signalübertragung erforderlich ist, um koordinierte Bewegungen aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus führte die serotonerge Neuromodulation zu unerwarteten Veränderungen der Körpertemperatur von Mäusen und offenbarte eine weitere physiologische Rolle des Serotonins, die nicht mit der motorischen Funktion zusammenhängt. Diese Erkenntnisse unterstreichen die komplexe Rolle des serotonergen Systems im Kontext des ischämischen Schlaganfalls und ebnen den Weg für weitere Forschungen zur Verbesserung motorischer Defizite nach Schlaganfall.
