קינמטיקה ואת תגובת קרקע חיל קביעת: הפגנה כימות של תנועה היכולות של מבוגרים צעירים, בגיל העמידה, ועל החולדות הגריאטרי

1. טרום דרישות עבור ניתוח תנועה ביומכנית לפני היציאה על רכישת ציוד יקר ניתוח של תנועה, ותכנון ניסויים שבהם קינמטיקה ו / או הערכה של תנועה קינטית יבוצעו, זוהי חובתו של הנסיין להכיר את ההיבטים הטכניים והמעשיים של מנתח ביומכנית, התנהגות הסנסורית, התניה אופרנטית בבעלי חיים , טיפול / אחסון / בניהול כמויות גדולות של נתונים דיגיטליים. למרות דרישות אלה מראש נראה ברור הרבה, זה רק לאחר היציאה על סוגים אלה של הניסויים שבו החניכים להבין את המורכבות הטכנית והמעשית של ביצוע ניתוח מפורט של תנועה יחסית. החוקרים ממליצים כי הנסיינים לקורס העוסק ביומכניקה מבוא, להכיר או לשכור מישהו מכיר את שפת התכנות הדרוש לניהול נתונים, שווה בחשיבותו, לבלות זמן הטיפול אינטראקציה משמעותית, ועבודה עם חיות מעבדה. להבנה וניתוח תנועה וניתוח הסנסורית התנהגותיים בתחום מדעי המוח, הנסיינים מתייחסים הפניות חשובים (ראה 1, 4-7). 2. בדיקת kinematic ו קינטי Apparatus מנגנון בדיקה kinematic ו קינטי, שימושי עבור איסוף נתונים דו צדדי, מורכבת את הרכיבים הבאים (ראה "לוח של ריאגנטים ספציפיים ציוד" לקבלת פרטים נוספים): חדר שקט מספיק בגודל (לא בהכרח קול proofed, הממוקם אף באזור תנועה נמוכה) רדיו כדי לספק רקע "רעש" כדי להגביל את הרעשים מבחוץ מסיח את החדר לבעלי חיים פרספקס שקוף, סגור, משטח שטוח מסלול (180 ס"מ X 20 ס"מ X 60 ס"מ) עם חור רבוע (11 ס"מ X 11 ס"מ) הממוקמים במרכז המסלול במרחק שווה מן הקצוות חתיכת plexi זכוכית (10.5 ס"מ X 10.5 ס"מ) פעמיים צדדי קלטת דבק סקוטש 3M דבק רעיוני עבור סמנים העור ניקוב חורים ליצירת סמנים העור מכונת הרדמה Isofluorane נדרש חיות הרדמה עבור גילוח לפני המיקום של סמנים העור צ'יריוס לתנועה עידוד של החיה לאורך המסלול AMTI HE6X6 forceplate Vicon Motus מערכת אישית (, תוכנת מחשב וכו ') 4 מצלמות וידאו (לפחות 60 הדגימה הרץ) ו חצובות עם כבלים מחבר מתאים 4 מצלמה רכוב נורות הלוגן מספק תאורה אופטימליים הארה של הנושא בעלי חיים סמנים העור רעיוני מסגרת הולמת כיול בגודל או נפח הדרושים מערכת Motus Vicon לכייל x, y, z לתוך עמדות במרחק צעדים משמעותיים 3. אילוף בעלי חיים לפני איסוף הנתונים, כל בעל חיים חייב להיות מאומן לחצות שטוח פני השטח, המסלול המצורף. עם קבלת חולדות מהספק בעל חיים מתאים, בעלי חיים צריכים להיות acclimated לביתם החדש למשך שבוע 1. במהלך תקופה זו הסתגלות, צ'יריוס מספר ממוקמים יומי לכלוב של חולדה. בעלי חיים מזון מוגבלת אנרגיה דרישות התחזוקה שלהן כדי למנוע השמנה ולהבטיח את המוטיבציה לבצע משימה זו. לאחר מכן, כל חיה מתבצע על ידי הנסיין במשך 10-15 דקות ביום למשך שבוע 1. במהלך תקופה זו באותו זמן, כל חיה היא להציב לתוך המסלול עם צ'יריוס הממוקם בקצה אחד. לאחר החיה הופך מוכר עם סביבתם, הם יתחילו לאכול את צ'יריוס. לאחר החיה נוחה צ'יריוס אכילה בתוך המסלול, הנסיין צריך אז operantly מצב החיה כדי להפעיל את אורך המסלול תמורה מזון. מטרה זו מושגת על ידי השלכת שלום ¼ לקצה השני של המסלול שבו חולדה ממוקם. לאחר החולדה אוכלת את זה להתראות, להתראות עוד ¼ ממוקם בקצה השני של המסלול. זה נעשה עבור 15-20 דקות מדי יום עד עכברוש בעקביות (> 90% זורק) נע לאורך המסלול במהירות קבועה (כלומר מבלי להפעיל, לעצור, לחקור, או מבלי לשנות הילוך) לאכול את שלום ללא דוהר / תוחמת . החולדה צריך רק להיות המעסיקים הליכה בריצה קלה. במהלך מיזוג של החיות למשימה זו יכולה להוביל החיות דוהר ו תוחמת ההליכה אלה מעיד על חיות נסיעה> 90 ס"מ / שניה תוחמת ושועט ההליכה, biomechanically, קשה יותר לפרש עבור מגוון רחב של סיבות (למשל להוביל רגל הכללת קריטריונים, וכו '). מניסיוננו, פעם חולדות בעקביות להעסיק דוהר או תוחמת ההליכה, קשה, אם לא בלתי אפשרי לקבל אותם להשתמש בהליכה בריצה קלה תוך locomoting על המסלול. מהירויות> 90 ס"מ / ים נתפסים לעתים רחוקות אחרי לחיה סבל מפציעה היקפי או מערכת העצבים המרכזית. זמן להגיע אימון מוצלח הוא Variable בין הזנים והמינים של חולדות. Wistar, לואיס, לונג אוונס, ו-ספראג Dawley זנים מסוגלים בעקביות לעבור את המסלול בתוך 2 שבועות מתחילת ההכשרה 8. מניסיוננו, פישר (F-344) חולדות נוטים לקחת כלפי מעלה של 4-6 שבועות כדי ללמוד את המשימה 8. 4. עמדה משותפת לציון ניתוח Forelimb kinematic אינו מהימן בשל חפץ העור התנועה שהוטלו על ידי הנחת סמנים העור על forelimbs אשר החריפה של מינים, כמו עכברושים, בעלי בתנוחת הכריעה 9. במקום זאת, קינמטיקה של forelimbs חייב להיות מושגת באמצעות צילום רנטגן או הצילום fluoroscopy 10-13. ככזה, איבר האחוריות עמדה משותפת מיקום הסמן מתואר רק בזאת. לפני איסוף הנתונים, עכברוש אחד חייב להיות בהרדמה לפחות 24 שעות מראש של איסוף נתונים באמצעות הרדמה שאיפה המתאים (למשל isofluorane, 1.5-2% שחויגו על vaporizor דיוק) ומנוהלים חמצן דרך מסכה הפנים, אנטומי הטופוגרפי מפתח ציוני חייב להיות מסומן. לנוכח קוצר הנוהל, כי ארוך טווח סוכני הרדמה לא רגילים, השימוש במכשיר התחממות חיים לא צריך לשמש כדי לשמור על טמפרטורת הגוף של בעל החיים. לאחר החיה הוא הרדים, הגפיים האחוריות ואת dorsum, לרמה של פסגות הכסל הם מגולח. חיה ממוקם אז שעינת חזה ו hindlimbs שלה ממוקמים בעמדה עומד בקירוב באמצעות קצף מוצק האריזה כדי לתמוך בה. העור שמעל הגולגולת ביותר חלקים של פסגות הכסל, trochanter גדולה יותר של עצם הירך, את גבששת השוקה לרוחב, המפרק tarsal, וההיבט דיסטלי ו רוחבי של כף הרגל 5 th מסומן בטוש לא רעיל קבע. החיה היא התאוששה מן ההרדמה. עבור מחקרים הזמני, הרדמה תקופתי עשוי להידרש לגלח את hindlimbs ובכך לאפשר סמן הבאים השמה רעיוני (ראה להלן). כמו כן, הדגשת יומי של ציוני דרך אנטומיים סימנה בעבר (באמצעות סמן אותו רעיל) יידרש כמו חולדות יהיה לאט להסיר את סמני דרך התנהגות טיפוח טבעיים. 5. נתונים הקלטה כל התצוגות מצלמה נבדקות על מנת להבטיח כי עמדתם היא מתאימה ללכוד את אותו שדה הראייה. כל מצלמה צריך להיות ממוקם על כ 60-80 מעלות זה לזה. שדה הראיה צריך לכלול את forceplate במרכז אורך המסלול מספיק כדי ללכוד שתי פסיעות. היקף כיול ממוקם בתוך אזור שנקבע מראש של המסלול. מסגרת אחת של נפח כיול בתוך המסלול, מתוך כל המצלמות, הוא נתפס. כל הסימנים מכויל לאורך כל הקטבים הם דיגיטציה. רק פעם אחת טעות משביע רצון ב digitizing מושגת, הנסיין להמשיך לאסוף נתונים של תנועה יכול. שלב זה הוא קריטי כיול לפני איסוף הנתונים. אם לא מתבצע כיול מדויק, או אם כיול אינה מתרחשת מיד לפני הפעלת ההקלטה, כל הנתונים שיתקבלו יהיו מדויקים שמיש. חשוב לציין, אם בכלל של המצלמות הם נגע או עבר, היא הבטוחה ביותר להניח כי הכיול של המערכת צריך להיות חוזרות ונשנות. מיד לפני הצבת בעלי חיים המסלול, משקלו מוקלט מראש עשוי חרוטי סמנים העור רעיוני (באמצעות קלטת 3M רעיוני, ראו טבלה) הם דבקו מראש סימני הרגיש שנעשו על ציוני דרך הגפיים האחוריות טופוגרפית. הקלטה משקל של החיה יאפשר נורמליזציה רטרוספקטיבית של כוחות התגובה הקרקע משקל הגוף – היבט חשוב אם אדם רוצה לעשות השוואות בין הקבוצות. בנוסף, מדידת משקל הגוף מאפשר ניטור של הבריאות הכללית של החיה במשך תקופת הניסוי. מיקום מרקר רק דורש טיפול בבעלי חיים מתאים ואינו דורש הרדמה של החיה. אם דבק בקלטת רעיוני אינו מספיק כדי לדבוק העור של החיה, כמות קטנה מאוד של דבק רעיל (למשל 3M דבק VetBond רקמות) ניתן להשתמש כדי להקל על הדבקות של הסמן על הגוף של בעל החיים. לאחר סמנים ממוקמות על hindlimbs, הנסיין צריך להיות ממוקם בנוחות ליד המקלדת של המחשב ויש לי ביד את הסמן האירוע מצורף דרך מערכת Vicon Motus. באמצעות קובץ מכויל כתבנית, מספר קבצים נעשות מראש של ההקלטה. בדרך כלל, 25 עד 30 קבצים צריך להיות נשמר. כל קובץ יש שם ייחודי. כל קובץ יהיה לייצג את אחד רשמה ריצה של החיה מוקלט. עשרים וחמישה עד 30 קבצים נדרשים על מנת להבטיח כי בכמות מספקת של מנהל הישיבה הקריטריון להכללה מהירות (כלומר 60-90 ס"מ / s) נאספים. לאחר מספר מספיק של קבצים שנוצרו הנסיין יכול להתחיל לאסוף נתונים. הדוארxperimenter חייב להנחות את חולדה על מעבורת בתוך המסלול על ידי זריקת פיסות ¼ של צ'יריוס בכל צד של המסלול. בתיאום העיתוי זהיר, סמן את האירוע מופעלת על ייזום קצר לפני השלמת החולדה בהצלחה השלמת לעבור לאורך המסלול. לאחר בחינת הקרקע גולמי התגובה כוח העתקה, ואחרי הקלטה אם שמאל או בגפיים זכות להכות את הצלחת כוח, הקובץ נשמר סגור. מספר שווה של להיטים forceplate על ימין ועל שמאל איבר צריך להיות מוקלט. התהליך של הקלטת נתונים לרוץ מסוים חוזר על עצמו עד בכמות מספקת של פועל נרשמו. 6. ניתוח נתונים עם סיום איסוף הנתונים קינמטיקה התגובה לכוחות הקרקע, כל אחד לברוח כל בעל חיים צריך להיות מוערך על מהירות. באמצעות שני סמנים קבועים יחסית (למשל כנפיים של iliums) אפשר להעריך את נקודת וירטואלי בין סמנים (נעשה לפני בעת יצירת תבנית Motus Vicon הקובץ). לפני חישוב מהירות של נקודה זו "וירטואלי", סמנים עבור סמנים הכסל חייב להיות דיגיטציה. שימוש Vicon motus תוכנה, מהירות בשלב זה וירטואלית בכיוון ה-X (בכיוון אופקי של התנועה) מחושב. בעשותו כן, פועל רק בתוך טווח מהירויות מסוים (שנקבע מראש) משמשים את הניתוחים הסופי. אנו מוצאים כי החיות נע בין 60-90 ס"מ / s משתמש ההליכה בריצה קלה עקבית. מינימום של 10 ריצות (5 ריצות שבו איבר שמאל יוצר קשר עם פלטפורמת כוח 5 רץ שם את האיבר הנכון יוצר קשר עם פלטפורמה לכוח) נדרשים. לאחר ריצות מקובל מזוהים עבור כל חיה, דיגיטציה של סמנים העור שנותר חייב להסתיים. כדי לפצות על תנועת חפץ העור מעל הברך, הערכת עמדת הברך מחושב באמצעות טריאנגולציה (בצומת בין שני עיגולים קינמטיקה 2D, או בצומת בין 2 התחומים 3D קינמטיקה), כפי שתואר קודם לכן. , היפ הברך, קרסול זוויות משותף, מהירויות, והאצות יכולים עכשיו להיות נחושים. עמידה בזמנים, תתנדנד ניתן גם להעריך, אם כי מידת הדיוק שלהן מוגבלת המבוססת על מהירות הדגימה של מצלמות להיות מועסק. חישובים אלה ואחרים יכול להתבצע ישירות (כלומר מבלי לייצא) באמצעות Vicon Motus תוכנה KineCalc, או ניתן לייצא נתונים כנתוני ASCII ונותחו באמצעות השגרה הניתנים להתאמה אישית בתוכנה כגון Matlab. תגובה קרקע נתונים כוח נמדד מוגבר על ידי פלטפורמת כוח AMTI ואסף הרץ ב 1200 על ידי Vicon Motus. ככזה, פעם אחת התגובה הקרקע נתוני כוח נאסף, מתאים דיגיטלית מסנן מוחל על הנתונים באמצעות Motus Vicon. בהתחשב בכך הנסיין קבע כבר את מהירות הנסיעה ומפעיל מקובל לזהות סמנים לאחר digitizing העור המתאים, תגובת הקרקע בכוח נתונים שנאסף בו זמנית כמו הנתונים kinematic, ניתן לנתח באמצעות Vicon Motus KineCalc ישירות, או בעקיפין באמצעות כמה תוכנות אחרות להתאמה אישית השגרה. מגוון של משתנים עבור הכוחות, בכל אחד משלושה כיוונים אורתוגונליים, יכול להיות מחושב. משתנים אלה כוללים כוח שיא, und באזור העקומה (כלומר דחף), וכו 'חשוב לציין, עם זאת, הנסיין חייב לשמור נתונים איבר ימין ועל שמאל עבור כל מחזור של כל חיה בנפרד. הנתונים שחולצו מן הגפיים ימינה או שמאלה הוא בממוצע עבור כל חיה ושימש נציג את הנתונים עבור החיה. הנתונים נותחו לאחר מכן באמצעות נהלים סטטיסטי המתאים. 7. נציג תוצאות כדי לייצג את השירות של סוג זה של ניתוח של תנועה, קינמטיקה התגובה לכוחות הקרקע נקבעו עבור נשים חולדות צעירות, בגיל העמידה, ו גריאטרי Wistar. מניתוח זה, הקשורות לגיל נמצאו הבדלים עבור נשים חולדות Wistar. בפרט, תגובת הקרקע ניתוח כוח מוכיח כי חולדות גריאטרי צמצמו את יכולת הבלימה forelimb נוטים להשתמש hindlimbs שלהם יותר לייצוב לרוחב לעומת קבוצות אחרות של בעלי חיים (איור 1). ניתוח kinematic לא נמצאו הבדלים סטטיסטיים בין כל קבוצה, למרות קינמטיקה מוכיח כי ניתן להקליט בקלות מגיל כמעט כל של עכברוש (איור 2). איור 1 תגובת כוח קרקע התחקות שנלקחו גפיים השמאלי של צעירים. (4 חודש הישן, n = 7), בגיל העמידה (13-14 חודשים, n = 7), גריאטרי (24 חודשים; n = 5) הנקבה Wistar חולדות. גפיים העכבר היו דומות. ניכר בנקל כי חולדות גריאטרי להשתמש forelimbs שלהם פחות בלימה (= * p <0.05) לעומת חולדות צעירות בגיל העמידה, וחולדות גריאטריות נוטים להשתמש hindlimbs שלהם יותר לייצוב לרוחב לעומת חולדות צעירות (**). קווי מוצק מייצגים כלומר, קווים מקווקווים מייצגים ממוצע + SE; מקווקוהקווים מייצגים ממוצע SE. אנא לחץ כאן כדי לראות דמות גדולה. איור 2. דמויות מקל kinematic עבור איבר שמאל של חולדות צעירות, בגיל העמידה, ו גריאטרי. דמויות Stick מייצגים את התנועה הממוצע של איבר שמאל עבור כל הקבוצות. לא היו הבדלים משמעותיים בין קבוצות של חיות עבור זווית משותפת במהלך מחזור צעד. אנא לחץ כאן כדי לראות דמות גדולה.