概要

Umfassendes Verständnis der inaktivitätsinduzierten Gangveränderung bei Nagetieren

Published: July 06, 2022
doi:

概要

Das vorliegende Protokoll beschreibt die dreidimensionale Bewegungsverfolgung/-auswertung zur Darstellung der Veränderung der Gangbewegung von Ratten nach Exposition gegenüber einer simulierten Nichtverwendungsumgebung.

Abstract

Es ist bekannt, dass Nichtgebrauch neuronale Systeme beeinflusst und dass Gelenkbewegungen verändert werden; Welche Ergebnisse diese Eigenschaften richtig aufweisen, ist jedoch noch unklar. Die vorliegende Studie beschreibt einen Bewegungsanalyseansatz, der eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion aus Videoaufnahmen verwendet. Mit dieser Technologie wurden bei Nagetieren beobachtet, die einer simulierten Mikrogravitationsumgebung ausgesetzt waren, indem sie ihre Hinterbeine am Schwanz entladen. Nach 2 Wochen des Entladens gingen die Ratten auf einem Laufband und ihre Gangbewegungen wurden mit vier CCD-Kameras (Charge-Coupled Device) erfasst. Mit der Bildverarbeitungssoftware wurden 3D-Bewegungsprofile rekonstruiert und mit denen von Kontrollpersonen verglichen. Die rekonstruierten Ergebnismessungen stellten erfolgreich verschiedene Aspekte der verzerrten Gangbewegung dar: Hyperextension der Knie- und Sprunggelenke und höhere Position der Hüftgelenke während der Standphase. Die Bewegungsanalyse ist aus mehreren Gründen nützlich. Erstens ermöglicht es quantitative Verhaltensbewertungen anstelle von subjektiven Beobachtungen (z. B. bestanden / nicht bestanden bei bestimmten Aufgaben). Zweitens können mehrere Parameter extrahiert werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen, sobald die grundlegenden Datensätze erhalten sind. Trotz Hürden für eine breitere Anwendung können die Nachteile dieser Methode, einschließlich Arbeitsintensität und Kosten, durch die Festlegung umfassender Messungen und experimenteller Verfahren gemildert werden.

Introduction

Mangelnde körperliche Aktivität oder Nichtgebrauch führt zur Verschlechterung der motorischen Effektoren, wie Muskelschwund und Knochenschwund1 und Ganzkörperdekonditionierung2. Darüber hinaus wurde kürzlich festgestellt, dass Inaktivität nicht nur strukturelle Aspekte der Muskel-Skelett-Komponenten, sondern auch qualitative Aspekte der Bewegung betrifft. Zum Beispiel unterschieden sich die Gliedmaßenpositionen von Ratten, die einer simulierten Mikrogravitationsumgebung ausgesetzt waren, von denen intakter Tiere auch 1 Monat nach Ende der Intervention 3,4. Dennoch wurde wenig über Bewegungsdefizite berichtet, die durch Inaktivität verursacht werden. Auch die umfassenden Bewegungsmerkmale der Verschlechterungen sind nicht vollständig bestimmt.

Das aktuelle Protokoll demonstriert und diskutiert die Anwendung der kinematischen Auswertung zur Visualisierung von Bewegungsänderungen unter Bezugnahme auf Gangbewegungsdefizite, die durch Nichtanwendung bei Ratten hervorgerufen werden, die einer Entladung der Hinterbeine unterzogen wurden.

Es wurde gezeigt, dass Hyperextensionen von Gliedmaßen beim Gehen nach einer simulierten Mikrogravitationsumgebung sowohl bei Menschen5 als auch bei Tierenbeobachtet werden 4,6,7,8. Aus Gründen der Universalität haben wir uns daher in dieser Studie auf allgemeine Parameter konzentriert: Winkel der Knie- und Sprunggelenke und vertikaler Abstand zwischen Metatarsophalangealgelenk und Hüfte (entspricht in etwa der Höhe der Hüfte) am Mittelpunkt der Standphase (Mitte). Darüber hinaus werden in der Diskussion mögliche Anwendungen der videokinematischen Auswertung vorgeschlagen.

Eine Reihe von kinematischen Analysen kann eine wirksame Maßnahme sein, um funktionelle Aspekte der neuronalen Kontrolle zu bewerten. Obwohl Bewegungsanalysen von der Fußabdruckbeobachtung oder einfachen Messung des aufgenommenen Videos9,10 bis hin zu mehreren Kamerasystemen11,12 entwickelt wurden, müssen universelle Methoden und Parameter noch etabliert werden. Die Methode in dieser Studie soll diese Gelenkbewegungsanalyse mit umfassenden Parametern versorgen.

In der vorherigen Arbeit13 haben wir versucht, Gangveränderungen bei Nervenläsionsmodellratten mit umfassender Videoanalyse zu illustrieren. Im Allgemeinen sind die potenziellen Ergebnisse von Bewegungsanalysen jedoch häufig auf vorgegebene Variablen beschränkt, die in den Analyserahmen bereitgestellt werden. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Studie detailliert beschrieben, wie benutzerdefinierte Parameter integriert werden können, die breit anwendbar sind. Kinematische Auswertungen mittels Videoanalysen können bei Implementierung geeigneter Parameter von weiterem Nutzen sein.

Protocol

Die vorliegende Studie wurde vom Kyoto University Animal Experimental Committee (Med Kyo 14033) genehmigt und in Übereinstimmung mit den Richtlinien des National Institute of Health (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8th Edition) durchgeführt. Für die vorliegende Studie wurden 7 Wochen alte männliche Wistar-Ratten verwendet. Ein Schema, das die Abfolge der Verfahren darstellt, ist in der Zusatzdatei 1 enthalten. 1. Ratten mit dem Laufbandlaufen vertra…

Representative Results

12 Tiere wurden nach dem Zufallsprinzip einer von zwei Gruppen zugeordnet: der Entladegruppe (UL, n = 6) oder der Kontrollgruppe (Strg, n = 6). Bei der UL-Gruppe wurden die Hinterbeine der Tiere 2 Wochen lang am Schwanz entladen (UL-Periode), während die Tiere der Ctrl-Gruppe frei gelassen wurden. 2 Wochen nach dem Entladen zeigte die UL-Gruppe ein deutliches Gangmuster im Vergleich zur Ctrl-Gruppe. Abbildung 1 zeigt normalisierte Gelenkverläufe repräsentativer Probanden. Während der Sta…

Discussion

Die Veränderung von Umgebungen führt zu fluktuierenden funktionellen Aspekten und muskuloskelettalen Komponenten des Bewegungsapparates26,27. Aberrationen in kontraktilen Strukturen oder Umgebungen können die funktionellen Fähigkeiten beeinträchtigen und auch nach Auflösung mechanischer / Umweltverzerrungen bestehen bleiben19. Die objektive Bewegungsanalyse hilft, diese funktionellen Fähigkeiten quantitativ zu messen. Wie oben gezei…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (Nr. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) und der Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) (Nr. 15bk0104037h0002) unterstützt.

Materials

Adhesive Tape NICHIBAN CO.,LTD. SEHA25F Adhesive tape to secure thread on tails of rats for hindlimb unloading
Anesthetic Apparatus for Small Animals SHINANO MFG CO.,LTD. SN-487-0T
Auto clicker N.A. N.A. free software available to download to PC (https://www.google.com/search?client=firefox-b-1-d&q=auto+clicker)
CCD Camera Teledyne FLIR LLC GRAS-03K2C-C CCD (Charge-Coupled Device) cameras for video capture
Cotton Thread N.A. N.A. Thread to hang tails of rats from the ceiling of cage
ISOFLURANE Inhalation Solution Pfizer Japan Inc. (01)14987114133400
Joint marker TOKYO MARUI Co., Ltd 0.12g BB 6 mm airsoft pellets that were used as semispherical markers with modification
Kine Analyzer KISSEI COMTEC CO.,LTD. N.A. Software for analysis
Konishi Aron Alpha TOAGOSEI CO.,LTD. #31204 Super glue to attach spherical markers on randmarks of rats
Motion Recorder KISSEI COMTEC CO.,LTD. N.A. Software for video recording
Paint Marker MITSUBISHI PENCIL CO., LTD PX-21.13 Oil based paint marker to mark toes of animals
Three-dimensional motion capture apparatus (KinemaTracer for small animals) KISSEI COMTEC CO.,LTD. N.A. 3D motion analysis system that consists of four cameras (https://www.kicnet.co.jp/solutions/biosignal/animals/kinematracer-for-animal/ or https://micekc.com/en/)
Three-dimensional(3D) Calculator KISSEI COMTEC CO.,LTD. N.A. Software fo marker tracking
Treadmill MUROMACHI KIKAI CO.,LTD MK-685 Treadmill equipped with transparent housing, electrical shocker, and speed control unit
Wistar Rats (male, 7-week old) N.A. N.A. Commercially available at experimental animal sources

参考文献

  1. Bloomfield, S. A. Changes in musculoskeletal structure and function with prolonged bed rest. Medicine and Science in Sports and Exercise. 29 (2), 197-206 (1997).
  2. Booth, F. W., Roberts, C. K., Laye, M. J. Lack of exercise is a major cause of chronic diseases. Comprehensive Physiology. 2 (2), 1143-1211 (2012).
  3. Walton, K. Postnatal development under conditions of simulated weightlessness and space flight. Brain Research Reviews. 28 (1-2), 25-34 (1998).
  4. Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on locomotor strategy during treadmill locomotion in the rat. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 74 (4), 297-304 (1996).
  5. Shpakov, A. V., Voronov, A. V. Studies of the effects of simulated weightlessness and lunar gravitation on the biomechanical parameters of gait in humans. Neuroscience and Behavioral Physiology. 48 (2), 199-206 (2018).
  6. Kawano, F., et al. Tension- and afferent input-associated responses of neuromuscular system of rats to hindlimb unloading and/or tenotomy. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 287 (1), 76-86 (2004).
  7. Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on interlimb coordination during treadmill locomotion in the rat. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 78 (6), 509-515 (1998).
  8. Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on two hindlimb muscles during treadmill locomotion in rats. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 75 (4), 283-288 (1997).
  9. Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. F. Gait-stance duration as a measure of injury and recovery in the rat sciatic nerve model. Journal of Neuroscience Methods. 52 (1), 47-52 (1994).
  10. Rui, J., et al. Gait cycle analysis parameters sensitive for functional evaluation of peripheral nerve recovery in rat hind limbs. Annals of Plastic Surgery. 73 (4), 405-411 (2014).
  11. Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Experimental Neurology. 230 (2), 280-290 (2011).
  12. Zörner, B., et al. Profiling locomotor recovery: Comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-711 (2010).
  13. Wang, T., Ito, A., Tajino, J., Kuroki, H., Aoyama, T. 3D kinematic analysis for the functional evaluation in the rat model of sciatic nerve crush injury. Journal of Visualized Experiments. (156), e60267 (2020).
  14. Canu, M. H., Garnier, C., Lepoutre, F. X., Falempin, M. A 3D analysis of hindlimb motion during treadmill locomotion in rats after a 14-day episode of simulated microgravity. Behavioural Brain Research. 157 (2), 309-321 (2005).
  15. Gruner, J. A., Altman, J., Spivack, N. Effects of arrested cerebellar development on locomotion in the rat: Cinematographic and electromyographic analysis. Experimental Brain Research. 40 (4), 361-373 (1980).
  16. Bouët, V., Borel, L., Harlay, F., Gahéry, Y., Lacour, M. Kinematics of treadmill locomotion in rats conceived, born, and reared in a hypergravity field (2 g): Adaptation to 1 g. Behavioural Brain Research. 150 (1-2), 207-216 (2004).
  17. Bojados, M., Herbin, M., Jamon, M. Kinematics of treadmill locomotion in mice raised in hypergravity. Behavioural Brain Research. 244, 48-57 (2013).
  18. Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: Technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
  19. Tajino, J., et al. Discordance in recovery between altered locomotion and muscle atrophy induced by simulated microgravity in rats. Journal of Motor Behavior. 47 (5), 397-406 (2015).
  20. Liu, x., Gao, X., Tong, J., Yu, L., Xu, M., Zhang, J. Improvement of Osteoporosis in Rats With Hind-Limb Unloading Treated With Pulsed Electromagnetic Field and Whole-Body Vibration. Physical Therapy & Rehabilitation Journal. , (2022).
  21. Thota, A. K., Watson, S. C., Knapp, E., Thompson, B., Jung, R. Neuromechanical control of locomotion in the rat. Journal of Neurotrauma. 22 (4), 442-465 (2005).
  22. Canu, M. H., Langlet, C., Dupont, E., Falempin, M. Effects of hypodynamia-hypokinesia on somatosensory evoked potentials in the rat. Brain Research. 978 (1-2), 162-168 (2003).
  23. Dupont, E., Canu, M. H., Falempin, M. A 14-day period of hindpaw sensory deprivation enhances the responsiveness of rat cortical neurons. 神経科学. 121 (2), 433-439 (2003).
  24. Langlet, C., Bastide, B., Canu, M. H. Hindlimb unloading affects cortical motor maps and decreases corticospinal excitability. Experimental Neurology. 237 (1), 211-217 (2012).
  25. Trinel, D., Picquet, F., Bastide, B., Canu, M. H. Dendritic spine remodeling induced by hindlimb unloading in adult rat sensorimotor cortex. Behavioural Brain Research. 249, 1-7 (2013).
  26. Alkner, B. A., Norrbrand, L., Tesch, P. A. Neuromuscular adaptations following 90 days bed rest with or without resistance exercise. Aerospace Medicine and Human Performance. 87 (7), 610-617 (2016).
  27. English, K. L., Bloomberg, J. J., Mulavara, A. P., Ploutz-Snyder, L. L. Exercise countermeasures to neuromuscular deconditioning in spaceflight. Comprehensive Physiology. 10 (1), 171-196 (2020).
  28. Parks, M. T., Wang, Z., Siu, K. C. Current low-cost video-based motion analysis options for clinical rehabilitation: A systematic review. Physical Therapy. 99 (10), 1405-1425 (2019).

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記事を引用
Tajino, J., Aoyama, T., Kuroki, H., Ito, A. Comprehensive Understanding of Inactivity-Induced Gait Alteration in Rodents. J. Vis. Exp. (185), e63865, doi:10.3791/63865 (2022).

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