Omfattende forståelse af inaktivitetsinduceret gangændring hos gnavere
Summary
Den nuværende protokol beskriver tredimensionel bevægelsessporing / evaluering for at skildre gangbevægelsesændring af rotter efter udsættelse for et simuleret disusemiljø.
Abstract
Det er velkendt, at brug påvirker neurale systemer, og at ledbevægelser bliver ændret; Hvilke resultater der korrekt udviser disse egenskaber, er dog stadig uklart. Denne undersøgelse beskriver en bevægelsesanalysemetode, der bruger tredimensionel (3D) rekonstruktion fra videooptagelser. Ved hjælp af denne teknologi blev der observeret use-fremkaldte ændringer af gangpræstationer hos gnavere udsat for et simuleret mikrogravitetsmiljø ved at losse deres bagben ved deres hale. Efter 2 ugers losning gik rotterne på et løbebånd, og deres gangbevægelser blev fanget med fire opladningskoblede enhedskameraer (CCD). 3D-bevægelsesprofiler blev rekonstrueret og sammenlignet med kontrolpersoners ved hjælp af billedbehandlingssoftwaren. De rekonstruerede resultatmål skildrede med succes forskellige aspekter af forvrænget gangbevægelse: hyperextension af knæ- og ankelledene og højere position af hofteleddene i holdningsfasen. Bevægelsesanalyse er nyttig af flere grunde. For det første muliggør det kvantitative adfærdsmæssige evalueringer i stedet for subjektive observationer (f.eks. Bestået / mislykket i visse opgaver). For det andet kan flere parametre udtrækkes, så de passer til specifikke behov, når de grundlæggende datasæt er opnået. På trods af forhindringer for bredere anvendelse kan ulemperne ved denne metode, herunder arbejdsintensitet og omkostninger, afhjælpes ved at bestemme omfattende målinger og eksperimentelle procedurer.
Introduction
Mangel på fysisk aktivitet eller brug fører til forringelse af lokomotoriske effektorer, såsom muskelatrofi og knogletab1 og dekonditionering af hele kroppen2. Desuden er det for nylig blevet bemærket, at inaktivitet ikke kun påvirker strukturelle aspekter af muskuloskeletale komponenter, men også kvalitative aspekter af bevægelsen. For eksempel var lemmernes positioner for rotter, der blev udsat for et simuleret mikrogravitetsmiljø, forskellige fra intakte dyr, selv 1 måned efter, at interventionen sluttede 3,4. Ikke desto mindre er der kun rapporteret lidt om bevægelsesunderskud forårsaget af inaktivitet. Desuden er de omfattende bevægelseskarakteristika for forringelserne ikke blevet fuldt ud bestemt.
Den nuværende protokol demonstrerer og diskuterer anvendelsen af kinematisk evaluering til at visualisere bevægelsesændringer ved at henvise til gangbevægelsesunderskud fremkaldt ved brug hos rotter, der udsættes for aflæsning af bagben.
Det har vist sig, at hyperextensions af lemmer i gang efter et simuleret mikrogravitetsmiljø observeres både hos mennesker5 og dyr 4,6,7,8. Derfor fokuserede vi for universalitet på generelle parametre i denne undersøgelse: vinkler på knæ- og ankelleddet og lodret afstand mellem metatarsophalangealleddet og hoften (omtrent svarende til hoftehøjden) i midten af holdningsfasen (midstance). Endvidere foreslås potentielle anvendelser af videokinematisk evaluering i diskussionen.
En række kinematiske analyser kan være et effektivt mål til at vurdere funktionelle aspekter af neural kontrol. Men selvom bevægelsesanalyser er udviklet fra fodaftryksobservation eller simpel måling på optaget video9,10 til flere kamerasystemer11,12, er universelle metoder og parametre endnu ikke etableret. Metoden i denne undersøgelse er beregnet til at give denne fælles bevægelsesanalyse omfattende parametre.
I det foregående arbejde13 forsøgte vi at illustrere gangændringer i nervelæsionsmodelrotter ved hjælp af omfattende videoanalyse. Generelt er de potentielle resultater af bevægelsesanalyser imidlertid ofte begrænset til forudbestemte variabler, der leveres i analyserammerne. Derfor har denne undersøgelse nærmere beskrevet, hvordan brugerdefinerede parametre, der finder bred anvendelse, kan indarbejdes. Kinematiske evalueringer ved hjælp af videoanalyser kan være til yderligere nytte, hvis der implementeres korrekte parametre.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ændring af miljøer fører til svingende funktionelle aspekter og muskuloskeletale komponenter i lokomotoriske systemer26,27. Aberrationer i kontraktile strukturer eller miljøer kan påvirke funktionelle evner, der vedvarer, selv efter at have løst mekaniske / miljømæssige forvrængninger19. Objektiv bevægelsesanalyse hjælper med at måle disse funktionelle evner kvantitativt. Som vist ovenfor er videoanalyse en kraftfuld metode til…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev delvist støttet af Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (nr. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) og Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) (nr. 15bk0104037h0002).
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 |
Referências
- 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).
- 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).
- Walton, K. Postnatal development under conditions of simulated weightlessness and space flight. Brain Research Reviews. 28 (1-2), 25-34 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Experimental Neurology. 230 (2), 280-290 (2011).
- Zörner, B., et al. Profiling locomotor recovery: Comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-711 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bojados, M., Herbin, M., Jamon, M. Kinematics of treadmill locomotion in mice raised in hypergravity. Behavioural Brain Research. 244, 48-57 (2013).
- Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: Technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dupont, E., Canu, M. H., Falempin, M. A 14-day period of hindpaw sensory deprivation enhances the responsiveness of rat cortical neurons. Neurociência. 121 (2), 433-439 (2003).
- Langlet, C., Bastide, B., Canu, M. H. Hindlimb unloading affects cortical motor maps and decreases corticospinal excitability. Experimental Neurology. 237 (1), 211-217 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
