マウス顎運動追跡システムの開発と評価：下顎骨上の任意点における3次元運動軌跡の再構成

Development and evaluation of a jaw-tracking system for mice: reconstruction of three-dimensional movement trajectories on an arbitrary point on the mandible.

抄録

背景:

咀嚼は生命維持のための最も基本的な機能の一つである。近年、咀嚼の神経筋制御機構の解明や口腔運動障害の病因解明のため、動物モデルを用いて下顎運動や咀嚼筋活動を記録するなど、顎運動機能を評価する装置の需要が高まっている。我々は、マウスの顎運動の基本的な特徴を明らかにするために、咀嚼時の下顎骨上の任意の点における3次元的な運動軌跡を再構築する新しい装置を開発した。

BACKGROUND: Mastication is one of the most fundamental functions for the conservation of life. The demand for devices for evaluating stomatognathic function, for instance, recording mandibular movements or masticatory muscle activities using animal models, has been increasing in recent years to elucidate neuromuscular control mechanisms of mastication and to investigate the etiology of oral motor disorders. To identify the fundamental characteristics of the jaw movements of mice, we developed a new device that reconstructs the three-dimensional (3D) movement trajectories on an arbitrary point on the mandible during mastication.

方法:

まず、2台の高速カメラと4つの反射マーカーからなるモーションキャプチャシステムを用いて、6自由度の顎運動を計測した。次に、マイクロCT画像からマーカーを含む下顎の3Dモデルを作成した。次に、顎運動の運動学的データと下顎骨の幾何学的データを統合することにより、ある解剖学的点における顎運動の軌跡を再現した。

METHODS: First, jaw movements with six degrees of freedom were measured using a motion capture system comprising two high-speed cameras and four reflective markers. Second, a 3D model of the mandible including the markers was created from micro-computed tomography images. Then, the jaw movement trajectory on the certain anatomical point was reproduced by integrating the kinematic data of the jaw movements with the geometric data of the mandible.

結果:

咀嚼時の顆頭、大臼歯、切歯など下顎骨上の任意の点における3次元運動が、3次元空間において0.041mmを超える精度で計算・可視化できた。マウスの咀嚼周期は、開口期、閉口期、咬合期の3期に明確に分けられることがわかった。

RESULTS: The 3D movements at any points on the mandible, such as the condyle, molar, and incisor during mastication, could be calculated and visualized with an accuracy > 0.041 mm in 3D space. The masticatory cycle was found to be clearly divided into three phases, namely, the opening, closing, and occlusal phases in mice.

結論:

提案システムは、運動学的データと幾何学的データを組み合わせることにより、顆頭などの解剖学的内部点の動きを精密に再現し、可視化することができる。本システムで得られた知見は、正常マウスと口腔行動異常マウス（遺伝子改変マウス）の顎運動機能パラメータを比較することで、摂食障害やその他の口腔運動障害の病態解明を促進することが期待される。

CONCLUSIONS: The proposed system can reproduce and visualize the movements of internal anatomical points such as condylar points precisely by combining kinematic data with geometric data. The findings obtained from this system could facilitate our understanding of the pathogenesis of eating disorders or other oral motor disorders when we could compare the parameters of stomatognathic function of normal mice and those of genetically modified mice with oral behavioral dysfunctions.