Summary

א-סימטרי טיילת: רומן התנהגות Assay עבור לימוד אסימטרית תנועה

Published: January 15, 2016
doi:

Summary

Here, we present a protocol to quantify precise stepping in rodents. Cortical and the spinal central pattern generator signals are required for precise foot-placement during obstructed locomotion. We report here the novel constrained walking task that directly examines precise stepping behavior.

Abstract

מבחני התנהגות משמשים בדרך כלל להערכת ירידת הערך הסנסורית במערכת העצבים המרכזית (CNS). השיטות המתוחכמות ביותר לכימות גירעונות של תנועה במכרסמים היא למדוד הפרעות דקות של הליכה עילית מאולצת (למשל., ציון מדריך לBBB או מסלול אוטומטי). עם זאת, תשומות בקליפת המוח אינן נדרשות עבור הדור של תנועה בסיסית המיוצרת על ידי גנרטור השדרה המרכזי הדפוס (CPG). כך, משימות הליכה בלתי מוגבלות לבדוק גירעונות של תנועה בשל ירידת ערך בקליפת המוח מוטורית רק בעקיפין. במחקר זה, אנו מציעים רומן, משימה של תנועה רגל-מיקום מדויקת שמעריך תשומות בקליפת המוח לCPG השדרה. וו-דרך instrumented שימשה להטיל משימות של תנועה סימטריות וא-סימטריים מחקה גירעונות תנועת לטרלית. אנו מראים כי משמרות מאורכים בין-צעד במרחק שווה של 20% שינויי תוצרת במאפייני שלב עמדת forelimb בזמן תנועה עם עדיפויותאורך צעד טעה. יתר על כן, אנו מציעים שביל א-סימטרי מאפשר למדידות של תוצאות התנהגותיות המיוצרות על ידי אותות בקרה בקליפת המוח. אמצעים אלה הם רלוונטיים להערכת ירידת הערך לאחר נזק בקליפת המוח.

Introduction

תחלואת שבץ הודעה באוכלוסייה ששרדה כוללת ליקויים מוטוריים גסים שמהווים אתגר להערכה כמותית בשני בני האדם לפרסם דגמי שבץ ובעלי החיים של ירידת ערך נוירולוגית 1. במסגרת הקלינית, ליקויים המוטוריים אלה נמדדים תוך שימוש בקריטריונים סובייקטיביים אשר רגישים יותר לפגיעה קשה ולא מתונה הוצגה על ידי רוב החולים. באופן דומה, ערכות סובייקטיביות כזה של התנהגות מוטורית לאחר פציעה בבעלי חיים הן נפוצות, למשל., 2,3 השיטה בקנה מידה של תנועה באסו, ביטי, וBresnahan (BBB). בעוד שיטות הערכה סובייקטיבית אלה עוזרות תרגום בין מחקרי שיקום הליכה במודלים של בעלי חיים ובני אדם על ארבעה, הפרטים של גירעונות מנוע הקשורים לפעילות של קבוצות שרירים נפרדות לא העריכו. יתר על כן, ההערכה של תרומה בקליפת המוח המוטורית לתנועה, כאשם המשוער של גירעון מוטורי בתאונת כלי דם במוח,ניתן להשיג רק באופן עקיף גם באמצעות השיטות כמותיות האוטומטיות הרומן ביותר 4,5, כפי שהם מסתמכים על שטח פתוח או משימות הליכה ליניארי. משימות אלה אינם דורשות תרומת קליפת המוח ויכולות להתבצע על ידי המנגנונים העצביים של חוט השדרה, בעלי החיים, כלומר, גנרטור הדפוס המרכזי ברשת (CPG) שחסך ברוב המודלים של בעלי החיים של נזק עצבי, לדוגמא, spinalized 6 -.. 8 . תרומת קליפת המוח חיונית למנגנוני השדרה אלה היו מעורבות בניסוי במשימות שדורשות התאמות צפויות יציבה 9 והגיעו 10, כמו גם מדויק דריכה 10.

יתר על כן, רוב נזק נוירולוגים הוא א-סימטרי; למשל, שבץ גורם hemiparesis, כלומר, חולשה בצד אחד של הגוף, מה שגורם הליכה סימטרית 11 -. 14. אסימטריה של הליכה משותקת מופקת על ידי spatiotempor סימטריהפעלת השרירים אל באה לידי ביטוי באופן משמעותי ביותר בקיצור שלב העמדה הקשורים פושטי וההתארכות של שלב הנדנדה הקשורים המכופף של מחזור הצעד בצד שתקונית 15,16. מגמה זו עדיין לא נחקרה על פני מגוון של מהירויות של תנועה בבעלי חיים בריאים או שתקונית. במחקר הנוכחי, שהועסקנו הניתוח של מאפייני משך שלב 17 שמתאר את מערכת היחסים בין משך שלבי עמדת נדנדה או כפונקציה של משך מחזור בכל שלב. מודל רגרסיה ליניארית הושג תואר אז עוד יותר עם ניתוח של א-סימטריה בכל הגפיים.

אנו מדווחים על שיטת עלות נמוכה רומן להערכת הפעילות של תשומות יורדים בקליפת המוח במערכת המוטורית של בעלי חיים על ארבעה המבוססים על משימה של תנועה דריכה מדויקת. משימה זו נועדה לאתגר את הקורטקס המוטורי על ידי הטלת דרישות על מיקום רגל על ​​פני טווח טבעי של מהירויות הליכה. בנוסף, דרישות רגל-מיקום הן מניפולציה לקרוא תיגר על צד השמאל או ימין של המערכת המוטורית מועדף. במשימה של תנועה דומה, מץ וWhishaw (2009) בחן את שיעורי כישלון, את מספר צעדים שלא נענו על שביל שלב לא סדיר, בחולדות. השיטה שלנו היא ללא תשלום למחקר קודם זה, ומפרט את איכות בקרת פאזות ב" מוצלח "על שלבים 18.

Protocol

הפרדיגמה האימון הבאה מעסיקה הניתוח של התאמות שלב של עכברוש Sprague-Dawley הבוגר הממוצע. ודא שהפרוטוקול המתואר במסמך זה בהתאם להנחיות הטיפול בבעלי החיים המוסדיים שלך. כל הנהלים במחקר זה בוצעו בהתאם לועדה המוסדית הטיפול בבעלי חיים והשימוש (IACUC) ומשרד למעבדת צער בעלי חיים (OLAW) …

Representative Results

איור 2 מציג את הניתוח של א-סימטריה במשימות של תנועה לנושא הנציג יחיד. הערכים חושבו לכל תנאי שימוש במשוואה 1 ו- 2 מכל הנושאים בנפרד (איור 2) ומנתונים מורכבים של חולדות נקבות 8 Sprague-Dawley (250-400 גר ', איור 3). בדרך כלל, האפנון של שלב ע?…

Discussion

The rationale for this study was to develop a behavioral task that quantitatively assesses the changes in precise control of asymmetric locomotor behaviors. The existence of the spinal CPG has been functionally demonstrated for some time20, but the anatomical and functional characteristics that describe its mechanism as well as its modulatory inputs from descending or sensory feedback pathways have not been characterized until the past decade6,21,22. The current consensus is that the intrinsic spina…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Kriss Franklin, Amanda Pollard and Justine Shaffer assisted in animal training and data collection. Sarah Freeman and Alisa Ivanova contributed to data analysis. This study is supported by WVU School of Medicine Start-Up, NIH/NIGMS U54GM104942, and NIH CoBRE P20GM109098.

Materials

MATLAB® R2013a MathWorks Design platform for custom videoa video annotation software
Sony HDR-CX380/B High Definition Handycam Sony 27-HDRCX330/B Video acquisition device.
Jif Creamy Peanut Butter – Gluten Free 454 g J.M. Smucker Company NA Food reward stimulus.
Sucrose Tablet – Chocolate 1800 g TestDiet 1811256 Food reward stimulus.
Manzanita Wood Gnawing Sticks BioServe W0016 For presentation of food reward stimulus.

Riferimenti

  1. Curzon, P., Zhang, M., Radek, R. J., Fox, G. B. . The Behavioral Assessment of Sensorimotor Processes in the Mouse: Acoustic Startle, Sensory Gating, Locomotor Activity, Rotarod, and Beam Walking. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience.. , (2009).
  2. Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
  3. Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. Graded histological and locomotor outcomes after spinal cord contusion using the NYU weight-drop device versus transection. Experimental Neurology. 139 (2), 244-256 (1996).
  4. Li, S., Shi, Z., et al. Assessing gait impairment after permanent middle cerebral artery occlusion in rats using an automated computer-aided control system. Behavioural Brain Research. 250, 174-191 (2013).
  5. Vandeputte, C., Taymans, J. -. M., et al. Automated quantitative gait analysis in animal models of movement disorders. BMC Neuroscience. 11, 92 (2010).
  6. Yakovenko, S. Chapter 10 – A hierarchical perspective on rhythm generation for locomotor control. Progress in Brain Research. 188, 151-166 (2011).
  7. Giszter, S. F., Hockensmith, G., Ramakrishnan, A., Udoekwere, U. I. How spinalized rats can walk: biomechanics, cortex and hindlimb muscle scaling – implications for rehabilitation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1198, 279-293 (2010).
  8. Smith, J. L., Edgerton, V. R., Eldred, E., Zernicke, R. F. The chronic spinalized cat: a model for neuromuscular plasticity. Birth Defects Original Article Series. 19 (4), 357-373 (1983).
  9. Yakovenko, S., Drew, T. A motor cortical contribution to the anticipatory postural adjustments that precede reaching in the cat. Journal of Neurophysiology. 102 (2), 853-874 (2009).
  10. Yakovenko, S., Krouchev, N., Drew, T. Sequential Activation of Motor Cortical Neurons Contributes to Intralimb Coordination During Reaching in the Cat by Modulating Muscle Synergies. Journal of Neurophysiology. 105, 388-409 (2011).
  11. Pizzi, A., Carlucci, G., Falsini, C., Lunghi, F., Verdesca, S., Grippo, A. Gait in hemiplegia: Evaluation of clinical features with the Wisconsin Gait Scale. Journal of Rehabilitation Medicine. 39 (9), 170-174 (2007).
  12. Bohannon, R. W., Horton, M. G., Wikholm, J. B. Importance of four variables of walking to patients with stroke. International Journal of Rehabilitation Research. 14 (3), 246-250 (1991).
  13. Richards, C., Malouin, F., Dumas, F., Tardif, D. Gait velocity as an outcome measure of locomotor recovery after stroke. Gait Analysis. Theory and Application. , 355-364 (1995).
  14. Thaut, M. H., McIntosh, G. C., Rice, R. R. Rhythmic facilitation of gait training in hemiparetic stroke rehabilitation. Journal of the Neurological Sciences. 151, 207-212 (1997).
  15. Hsu, A. -. L., Tang, P. -. F., Jan, M. -. H. Analysis of impairments influencing gait velocity and asymmetry of hemiplegic patients after mild to moderate stroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (8), 1185-1193 (2003).
  16. Jansen, K., De Groote, F., Duysens, J., Jonkers, I. Muscle contributions to center of mass acceleration adapt to asymmetric walking in healthy subjects. Gait & Posture. 38 (4), 739-744 (2013).
  17. Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta physiologica Scandinavica. 521, 1-75 (1983).
  18. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (28), 4-7 (2009).
  19. Hogg, R. V., Ledolter, J. Engineering Statistics. , (1987).
  20. Brown, T. G. The intrinsic factors in the act of progression in the mammal. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. 84 (572), 308-319 (1911).
  21. Kiehn, O. Locomotor circuits in the mammalian spinal cord. Annual Review of Neuroscience. 29, 279-306 (2006).
  22. Blitz, D. M., Nusbaum, M. P. State-dependent presynaptic inhibition regulates central pattern generator feedback to descending inputs. The Journal of Neuroscience. 28 (38), 9564-9574 (2008).
  23. Martin, J. H., Ghez, C. Red nucleus and motor cortex: parallel motor systems for the initiation and control of skilled movement. Behavioural Brain Research. 28 (1-2), 271-223 (1998).
  24. Drew, T., Jiang, W., Kably, B., Lavoie, S. Role of the motor cortex in the control of visually triggered gait modifications. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 74 (4), 426-442 (1996).
  25. Drew, T., Andujar, J. -. E., Lajoie, K., Yakovenko, S. Cortical mechanisms involved in visuomotor coordination during precision walking. Brain Research Reviews. 57 (1), 199-211 (2008).
  26. Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
  27. Uluç, K., Miranpuri, A., Kujoth, G. C., Aktüre, E., Başkaya, M. K. Focal Cerebral Ischemia Model by Endovascular Suture Occlusion of the Middle Cerebral Artery in the Rat. Journal of Visualized Experiments : JoVE. 48, e1978 (2011).
  28. Hackney, D. B., Finkelstein, S. D., Hand, C. M., Markowitz, R. S., Black, P. Postmortem Magnetic Resonance Imaging of Experimental Spinal Cord Injury Magnetic Resonance Findings versus In Vivo Functional Deficit. Neurosurgery. 35 (6), 1104-1111 (1994).
  29. Kjaerulff, O., Kiehn, O. Distribution of Networks Generating and Coordinating Locomotor Activity in the Neonatal Rat Spinal Cord In Vitro: A Lesion Study. The Journal of Neuroscience. 16 (18), 5777-5794 (1996).
  30. Liddell, E. G. T., Phillips, C. G. Striatal and pyramidal lesions in the cat. Brain. 69 (4), 264-279 (1946).
  31. Beloozerova, I. N., Sirota, M. G. The Role of the Motor Cortex in the Control of Accuracy of Locomotor Movements in the Cat. Journal of Physiology. 461, 1-25 (1993).
  32. Hill, K. D., Goldie, P. A., Baker, P. A., Greenwood, K. M. Retest reliability of the temporal and distance characteristics of hemiplegic gait using a footswitch system. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (5), 577-583 (1994).
  33. Hillyer, J. E., Joynes, R. L. A new measure of hindlimb stepping ability in neonatally spinalized rats. Behavioural Brain Research. 202 (2), 291-302 (2009).

Play Video

Citazione di questo articolo
Tuntevski, K., Ellison, R., Yakovenko, S. Asymmetric Walkway: A Novel Behavioral Assay for Studying Asymmetric Locomotion. J. Vis. Exp. (107), e52921, doi:10.3791/52921 (2016).

View Video