Kinematik und Ground Reaction Force Bestimmung: Eine Demonstration Quantifizierung Bewegungsapparat Fähigkeiten der jungen Erwachsenen im mittleren Alter, und Geriatrische Rats

1. Voraussetzungen für die biomechanische Analysen Locomotion Vor Einschiffung auf den Ankauf teurer Bewegungsapparates Analyse Ausrüstung und Planung von Experimenten, wo Kinematik und / oder kinetische Bewegungsapparates Beurteilung durchgeführt wird, ist es unerlässlich, dass der Experimentator mit den technischen und praktischen Aspekte der biomechanischen Analysen werden, sensomotorische Verhalten, operante Konditionierung von Tieren und Handhabung / Lagerung / Verwaltung großer Mengen an digitalen Daten. Obwohl diese Voraussetzungen offensichtlich viele scheinen, ist es nur nach der Einschiffung auf diese Art von Experimenten, in denen Auszubildende realisieren die technischen und praktischen Komplexität der Durchführung relativ detaillierte Bewegungs-Analyse. Die Autoren empfehlen, Experimentatoren in einem Kurs den Umgang mit einleitenden Biomechanik einschreiben, werden vertraut mit oder mieten Sie jemandem vertraut mit einer Programmiersprache für die Datenverwaltung erforderlich, und von gleicher Bedeutung, verbringen viel Zeit interagieren, Handhabung und Umgang mit Versuchstieren. Für das Verständnis Fortbewegung Analyse und sensomotorischen Verhaltensanalyse in den Neurowissenschaften, sind Experimentatoren einige wichtige Hinweise bezeichnet (siehe 1, 4-7). 2. Kinematischen und kinetischen Prüfgeräte Eine kinematische und kinetische Prüfgeräte, nützlich für die Erhebung der bilateralen Daten wird aus den folgenden Komponenten (siehe "Tabelle der spezifischen Reagenzien und Ausrüstung" für weitere Details) zusammen: Ruhig und ausreichend großer Raum (nicht unbedingt schalldicht, wenn auch in geringem Verkehrsaufkommen Bereich) Radio zum "Hintergrundrauschen" liefern, um störende Geräusche von außerhalb des Raumes zu begrenzen, um Tiere Klare Plexiglas, geschlossenen, flachen Oberfläche Start-und Landebahn (180 cm lang x 20 cm breit x 60 cm hoch) mit einem viereckigen Loch (11 cm X 11 cm) in der Mitte der Landebahn gleich weit von beiden Enden entfernt Piece of Plexiglas (10,5 cm x 10,5 cm) Doppelseitig klebenden Klebeband 3M reflektierende Klebeband für Hautmarker Lochung für die Erstellung von Hautmarker Isofluoran Narkosegerät für Anästhesie Tiere für die Rasur vor der Platzierung der Haut Marker erforderlich Cheerios zur Förderung Bewegung des Tieres entlang der Länge der Start-und Landebahn AMTI HE6X6 Kraftmessplatte Vicon Motus maßgeschneidertes System (Software, Computer, etc.) 4 Video-Kameras (mindestens 60 Hz sampling) und Stative mit entsprechenden Anschlusskabeln 4 Kamera montiert Halogenlampen sorgt für eine optimale Beleuchtung zur Ausleuchtung des tierischen Patienten und der reflektierenden Hautmarker Angemessene Größe Kalibrierung Rahmen oder notwendige Volumen für Vicon Motus System x, y, z-Positionen in sinnvolle Distanzmaße kalibrieren 3. Animal Training Vor der Datenerhebung, muss jedes Tier geschult, um eine ebene Oberfläche, geschlossene Start-und Landebahn zu überqueren. Nach Erhalt Ratten aus einem geeigneten Tierversuch Anbieter, sollten die Tiere in ihre neue Heimat für 1 Woche akklimatisiert werden. Während dieser Gewöhnungsphase Zeit sind mehrere cheerios täglich in der Ratte in den Käfig gelegt. Die Tiere sind Nahrung beschränkt, ihre Wartung Energiebedarf zu Übergewicht zu verhindern und die Motivation für diese Aufgabe. Danach wird jedes Tier vom Versuchsleiter für 10-15 Minuten täglich für 1 Woche behandelt. Während dieser Zeit wird jedes Tier in die Start-und Landebahn mit cheerios an beiden Enden platziert. Sobald das Tier wird sich mit ihrer Umwelt, werden sie anfangen zu essen die cheerios. Sobald das Tier ist bequem und essen cheerios innerhalb der Start-und Landebahn, muss der Experimentator dann operant Zustand des Tieres, um die Länge der Start-und Landebahn für ein Lebensmittel Belohnung ausgeführt werden. Dies ist durch das Werfen ¼ cheerio zum entgegengesetzten Ende der Landebahn, wo die Ratten positioniert ist vollbracht. Sobald die Ratte frisst diese cheerio, ist ein weiteres ¼ cheerio am anderen Ende der Start-und Landebahn gestellt. Dies ist für 15-20 Minuten täglich, bis die Ratte konsequent (> 90% der Würfe) bewegt sich entlang der Start-und Landebahn mit einer konstanten Geschwindigkeit durchgeführt (dh ohne das Starten, Stoppen, zu erforschen, oder ohne Gang), um die cheerio ohne Galopp / bounding essen . Die Ratte sollte nur unter Verwendung eines Trab Gang. Over-Konditionierung der Tiere, um diese Aufgabe können Tieren führen galoppieren und begrenzenden diese Gangarten sind bezeichnend für Tiere Reisen> 90 cm / s. Bounding und Galopp Gangarten, biomechanisch, sind schwieriger zu für eine Vielzahl von Gründen (z. B. Bein führen Einschlusskriterien, etc) zu interpretieren. In unserer Erfahrung, einmal Ratten konsequent durchziehen galoppieren oder begrenzenden Grundgangarten, ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, haben sie einen Trab Gang, während locomoting in der Start-und Landebahn. Geschwindigkeiten> 90 cm / s werden nur selten gesehen, nachdem ein Tier aus dem peripheren oder zentralen Nervensystem Verletzungen erlitten hat. Zeit für eine erfolgreiche Ausbildung zu erreichen, ist variaBLE zwischen Stämmen und Geschlechtern von Ratten. Wistar, Lewis, Long-Evans und Sprague-Dawley-Stämme sind in der Lage, konsequent durchziehen die Start-und Landebahn innerhalb von 2 Wochen ab Beginn der Ausbildung 8. Nach unseren Erfahrungen neigen Fischer (F-344) Ratten nach oben von 4-6 Wochen dauern, bis diese Aufgabe 8 zu lernen. 4. Gemeinsame Position Marking Vorderbein kinematische Analyse ist unzuverlässig wegen Haut Bewegung Artefakt, indem Haut Markierungen auf der Vorderbeine, die in Arten verschärft wird, wie die Ratten, die eine geduckte Körperhaltung 9 haben verhängt. Stattdessen müssen Kinematik der Vorderbeine erreicht mit Röntgen-Kinematografie oder Durchleuchtung 10-13 sein. Als solches Hinterbein gemeinsame Position Marker Platzierung ist nur hier beschrieben. Vor der Datenerhebung, muss jede Ratte narkotisiert werden mindestens 24 Stunden im Voraus über die Datenerhebung mit Hilfe eines geeigneten Inhalationsanästhetika (z. B. Isofluoran, 1.5-2% gewählt auf einer Präzisionswaage vaporizor) und verwaltet in Sauerstoff über Maske, und die wichtigsten topographischen Anatomie Landmarken markiert werden muss. Angesichts der Kürze des Verfahrens, und weil lang wirkenden Anästhetika nicht verwendet werden, der ein Tier Erwärmung Gerät benutzen müssen nicht verwendet werden, um das Tier seine Körpertemperatur zu halten. Sobald das Tier narkotisiert, sind die hinteren Gliedmaßen und dem Rücken, auf der Ebene der Beckenkamm rasiert. Das Tier wird dann in Brustlage gelegt und seine Hinterbeine sind in einer ungefähren stehender Position mit festen Packung Schaum zu unterstützen platziert. Die Haut über den Schädel und die meisten Teile der Beckenkamm, wird der Trochanter major des Oberschenkelknochens, die seitlichen Tuberositas, der Sprunggelenk und den distalen und lateralen Seite des 5 th Mittelfußknochen mit einer ungiftigen Filzstift markiert. Das Tier ist aus der Narkose erholt. Für zeitliche Studien kann eine periodische Narkose erforderlich, um die Hinterbeine wodurch eine spätere reflektierende Marker Platzierung (siehe unten) rasieren. Außerdem werden täglich Hervorhebung des zuvor markierten anatomischen Landmarken (mit der gleichen ungiftig Marker) erforderlich, da Ratten langsam entfernen Sie die Markierungen durch natürliche Pflege Verhalten sein. 5. Datenaufzeichnung Alle Kamera-Ansichten werden untersucht, um sicherzustellen, dass ihre Position angemessen und Erfassung der gleichen Sichtfeld ist. Jede Kamera sollte bei ca. 60-80 Grad zueinander angeordnet werden. Das Sichtfeld sollte die Kraftmessplatte in der Mitte und einer Länge von Start-und Landebahn aus, um zwei Schritte zu erfassen. Die Kalibrierung Volumen ist innerhalb der vorgegebenen Bereich der Start-und Landebahn gestellt. Ein einzelnes Bild der Kalibrierung Volumen innerhalb der Start-und Landebahn, von jeder der Kameras erfasst wird. Alle kalibrierten Markierungen entlang der Länge der einzelnen Stangen sind digitalisiert. Nur einmal eine zufriedenstellende Fehler bei der Digitalisierung erreicht ist, kann der Experimentator vor dem Sammeln Bewegungsapparates Daten. Diese Kalibrierung Schritt ist wichtig vor dem Sammeln von Daten. Wenn die Kalibrierung nicht durchgeführt wird genau, oder wenn die Kalibrierung nicht sofort geschehen, bevor eine Aufnahme-Session werden alle resultierenden Daten ungenau und unbrauchbar. Wichtig ist, dass, wenn eine der Kameras berührt oder bewegt, ist es am sichersten, anzunehmen, dass die Kalibrierung des Systems muss wiederholt werden. Unmittelbar vor dem Einbringen des Tieres in der Start-und Landebahn, sein Gewicht wird aufgezeichnet und vorgefertigte konische reflektierenden Haut Marker (mit 3M Reflexstreifen, siehe Tabelle) sind die vorgegebenen fühlte Markierungen auf der hinteren Gliedmaßen topographischen Landmarken gemacht eingehalten werden. Recording das Gewicht des Tieres wird erlauben Retrospektive Normalisierung der Bodenreaktionskräfte auf das Körpergewicht – ein wichtiger Aspekt, wenn man will Vergleiche zwischen den Gruppen zu machen. Darüber hinaus erleichtert das Körpergewicht Messung, Überwachung des Tieres den allgemeinen Gesundheitszustand für die Dauer des Experiments. Marker Platzierung benötigt nur artgerechte Handhabung und erfordert keine Narkose des Tieres. Wenn der Klebstoff auf die Reflexfolie nicht ausreicht, um auf der Haut des Tieres halten, kann eine sehr kleine Menge von nicht-toxischen Kleber (zB 3M VetBond Gewebekleber) verwendet, um die Einhaltung der Marker auf dem Körper des Tieres zu erleichtern. Sobald der Marker auf die Hinterbeine gestellt werden, sollte der Experimentator bequem in der Nähe der Tastatur des Computers positioniert und haben in Hand der Veranstaltung Marker durch die Vicon Motus System angeschlossen. Mit den kalibrierten Datei als Vorlage, mehrere Dateien im Vorfeld der Aufnahme gemacht. Normalerweise müssen 25 bis 30 Dateien gespeichert werden. Jede Datei sollte eindeutig benannt werden. Jede Datei wird stellen eine aufgezeichnete des Tieres aufgezeichnet laufen. Fünfundzwanzig bis 30 Dateien sind erforderlich, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Anzahl von Läufen, die die Einschlusskriterien Kriterium Geschwindigkeit (dh 60-90 cm / s) erhoben werden. Nach einer ausreichenden Zahl von Dateien erstellt der Experimentator kann mit der Datenerhebung beginnen. Die experimenter muss die Ratte zu Shuttle prompt innerhalb der Start-und Landebahn durch das Werfen ¼ Stücke cheerios an beiden Enden der Landebahn. Mit einer sorgfältigen Koordination und Timing, ist der Event-Marker bei der Initiierung ausgelöst und kurz vor dem Abschluss der Ratte erfolgreichem Abschluss einen Pass entlang der Start-und Landebahn. Nach Prüfung der Roh Bodenreaktionskraft Tracing, und nach der Aufnahme, ob die linke oder die rechte Glieder der Kraftplatte getroffen, wird die Datei gespeichert und geschlossen. Gleich viele linke und rechte Bein Kraftmessplatte Treffer sollte aufgezeichnet werden. Der Prozess der Aufnahme der Daten aus einer vorgegebenen Laufzeit wird wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Durchläufen aufgezeichnet wurden. 6. Data Analysis Nach Abschluss der Datenerhebung für die Kinematik und Bodenreaktionskräfte, muss jedem Lauf von jedem Tier für die Geschwindigkeit ausgewertet werden. Mit Hilfe von zwei relativ festen Markern (zB Flügel der iliums) kann man beurteilen einen virtuellen Punkt zwischen den Markern (vor bei der Erstellung eines Vicon Motus Dateivorlage getan). Vor der Berechnung der Geschwindigkeit dieser "virtuellen" Punkt muss Marker für die iliaca Marker digitalisiert werden. Mit Vicon Motus Software, Geschwindigkeit dieser virtuellen Punkt in X-Richtung (horizontal in Bewegungsrichtung) wird berechnet. Dabei läuft nur innerhalb eines bestimmten Bereichs Geschwindigkeiten (bestimmt a priori) sind in den letzten Analysen verwendet. Wir finden, dass Tiere, die zwischen 60-90 cm / s sind nach einheitlichen Trab Gangarten. Ein Minimum von 10 Läufen (5 läuft, wo der linke Bein in Kontakt mit der Kraft-Plattform und 5 verläuft, wo das Recht des Körpers in Kontakt mit der Kraft-Plattform) erforderlich sind. Sobald die akzeptabel läuft für jedes Tier identifiziert werden, muss die Digitalisierung der übrigen Haut Marker abgeschlossen sein. Um für die Haut Bewegung Artefakt über das Knie zu kompensieren, die Einschätzung des Knies Position errechnet Triangulation (Kreuzung zwischen zwei Kreisen 2D-Kinematik, oder Schnittpunkte zwischen 2 Kugeln 3D Kinematik), wie bereits zuvor beschrieben. Hüft-, Knie und Sprunggelenk Winkeln, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen kann nun bestimmt werden. Stand-und Schwungphase Zeiten können auch ausgewertet werden, wenn ihre Genauigkeit auf der Grundlage der Abtastrate der Kameras werden eingesetzt begrenzt ist. Diese und andere Berechnungen können direkt ausgeführt werden (dh ohne Export) mit Vicon Motus KineCalc Software oder Daten können als ASCII Daten exportiert und analysiert werden mit Hilfe von anpassbaren Routinen in Software wie MATLAB. Bodenreaktionskraft Daten gemessen und durch die AMTI Kraft-Plattform verstärkt und gesammelt bei 1200 Hz von Vicon Motus. Als solcher, sobald die Bodenreaktionskraft Daten gesammelt werden, eine geeignete digitale Filter, um die Daten mit Vicon Motus angewendet wird. Da der Experimentator hat bereits die Fahrgeschwindigkeit und identifiziert akzeptabel läuft nach der Digitalisierung angemessene Hautmarker, Bodenreaktionskraft Daten, die gleichzeitig als kinematische Daten erhoben wurden, analysiert werden mit Vicon Motus KineCalc direkt oder indirekt über eine andere anpassbare Software bestimmt werden Routine. Eine Vielzahl von Variablen für Kräfte, in jeder der drei orthogonalen Richtungen, berechnet werden kann. Solche Variablen sind Spitzenkraft, Fläche und die Kurve (dh Impuls), etc. Wichtig ist jedoch, den Experimentator muss rechts und links des Körpers Daten für jeden Durchlauf der einzelnen Tiere zu trennen. Daten von rechts oder links Gliedmaßen extrahiert wird für jedes Tier gemittelt und als repräsentative Daten für dieses Tier. Die Daten werden dann mit Hilfe geeigneter statistischer Verfahren. 7. Repräsentative Ergebnisse Zur Darstellung der Nutzen dieser Form des Bewegungsapparates Analyse wurden Kinematik und Bodenreaktionskräfte für junge, im mittleren Alter, und geriatrische weibliche Wistar-Ratten bestimmt. Aus dieser Analyse wurden altersbedingte Unterschiede bei weiblichen Wistar-Ratten gefunden. Insbesondere zeigt Bodenreaktionskraft Analyse, dass geriatrische Ratten haben forelimb Bremsen Fähigkeit reduziert, und neigen dazu, ihre Hinterbeine mehr zur seitlichen Stabilisierung Nutzung im Vergleich zu anderen Tiergruppen (Abbildung 1). Kinematische Analyse ergab keine statistischen Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, aber zeigt, dass Kinematik leicht aus nahezu jedem Zeitalter der Ratte (Abb. 2) aufgezeichnet werden. Abbildung 1 Bodenreaktionskraft Tracing von der linken Extremitäten junger genommen. (4 Monate alt, n = 7), im mittleren Alter (13-14 Monate alt; n = 7), und geriatrischen (24 Monate alt, n = 5) weibliche Wistar-Ratten. Rechten Extremitäten waren ähnlich. Es ist leicht ersichtlich, dass geriatrische Ratten ihre Vorderbeine verbrauchen weniger zum Abbremsen (* = p <0,05) im Vergleich zu jungen und mittleren Alters Ratten und geriatrische Ratten neigen dazu, ihre Hinterbeine mehr zur seitlichen Stabilisierung im Vergleich zu jungen Ratten verwenden (**). Die durchgezogenen Linien repräsentieren den Mittelwert, gestrichelte Linien stellen Mittelwerte + SE, gestrichelteLinien stellen Mittelwerte SE. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Abbildung zu sehen. Abbildung 2. Kinematische Strichmännchen für den linken Schenkel des jungen, mittleren Alters und geriatrische Ratten. Strichmännchen stellen den Mittelwert Bewegung der linken Gliedmaßen für jede der Gruppen. Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen von Tieren für Gelenkwinkel während der Schritt-Zyklus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Abbildung zu sehen.