Omfattende forståelse av inaktivitetsindusert gangendring hos gnagere
Summary
Denne protokollen beskriver tredimensjonal bevegelsessporing / evaluering for å skildre gangbevegelsesendring av rotter etter eksponering for et simulert disuse-miljø.
Abstract
Det er velkjent at misbruk påvirker nevrale systemer og at leddbevegelser blir endret; Hvilke utfall som riktig viser disse egenskapene er imidlertid fortsatt uklart. Denne studien beskriver en bevegelsesanalysetilnærming som benytter tredimensjonal (3D) rekonstruksjon fra videoopptak. Ved hjelp av denne teknologien ble det observert bruksfremkalte endringer i gangegenskaper hos gnagere utsatt for et simulert mikrogravitasjonsmiljø ved å losse bakbenet ved halen. Etter 2 ukers lossing gikk rottene på tredemølle, og gangbevegelsene deres ble fanget med fire ladningskoblede enheter (CCD) kameraer. 3D-bevegelsesprofiler ble rekonstruert og sammenlignet med kontrollpersoner ved hjelp av bildebehandlingsprogramvaren. De rekonstruerte utfallsmålene skildret med suksess forskjellige aspekter ved forvrengt gangbevegelse: hyperekstensjon av kne- og ankelleddene og høyere stilling av hofteleddene i stillingsfasen. Bevegelsesanalyse er nyttig av flere grunner. For det første muliggjør det kvantitative atferdsevalueringer i stedet for subjektive observasjoner (f.eks. Bestått / ikke bestått i visse oppgaver). For det andre kan flere parametere trekkes ut for å passe til spesifikke behov når de grunnleggende datasettene er oppnådd. Til tross for hindringer for bredere anvendelse, kan ulempene ved denne metoden, inkludert arbeidsintensitet og kostnad, lindres ved å bestemme omfattende målinger og eksperimentelle prosedyrer.
Introduction
Mangel på fysisk aktivitet eller misbruk fører til forverring av lokomotoriske effektorer, som muskelatrofi og bentap1 og helkroppsdekondisjonering2. Videre har det nylig blitt lagt merke til at inaktivitet ikke bare påvirker strukturelle aspekter av muskuloskeletale komponenter, men også kvalitative aspekter av bevegelsen. For eksempel var lemposisjonene til rotter utsatt for et simulert mikrogravitasjonsmiljø forskjellig fra intakte dyr, selv 1 måned etter at intervensjonen ble avsluttet 3,4. Likevel er det rapportert lite om bevegelsesunderskudd forårsaket av inaktivitet. Også omfattende bevegelsesegenskaper av forverringene er ikke fullstendig bestemt.
Den nåværende protokollen demonstrerer og diskuterer anvendelsen av kinematisk evaluering for å visualisere bevegelsesendringer ved å referere til gangbevegelsesunderskudd fremkalt ved bruk hos rotter utsatt for lossing av bakben.
Det har vist seg at hyperekstensjoner av lemmer i å gå etter et simulert mikrogravitasjonsmiljø observeres både hos mennesker5 og dyr 4,6,7,8. Derfor, for universalitet, fokuserte vi på generelle parametere i denne studien: vinkler av kne- og ankelleddene og vertikal avstand mellom metatarsophalangeal ledd og hofte (omtrent tilsvarende hoftehøyden) ved midtpunktet i stillingsfasen (midstance). Videre foreslås potensielle anvendelser av videokinematisk evaluering i diskusjonen.
En rekke kinematiske analyser kan være et effektivt tiltak for å vurdere funksjonelle aspekter ved nevral kontroll. Men selv om bevegelsesanalyser er utviklet fra fotavtrykksobservasjon eller enkel måling på tatt video9,10 til flere kamerasystemer11,12, er universelle metoder og parametere ennå ikke etablert. Metoden i denne studien er ment å gi denne felles bevegelsesanalysen omfattende parametere.
I det forrige arbeidet13 forsøkte vi å illustrere gangendringer i nervelesjonsmodellrotter ved hjelp av omfattende videoanalyse. Generelt er imidlertid de potensielle utfallene av bevegelsesanalyser ofte begrenset til forhåndsbestemte variabler gitt i analyserammene. Av denne grunn detaljerte denne studien ytterligere hvordan man kan innlemme brukerdefinerte parametere som er bredt anvendelige. Kinematiske evalueringer ved hjelp av videoanalyser kan være til videre nytte dersom riktige parametere implementeres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Endring av miljøer fører til svingende funksjonelle aspekter og muskuloskeletale komponenter i lokomotoriske systemer26,27. Aberrasjoner i kontraktile strukturer eller miljøer kan påvirke funksjonsevnen, og vedvarer selv etter å ha løst mekaniske/miljømessige forvrengninger19. Objektiv bevegelsesanalyse bidrar til å måle disse funksjonelle evnene kvantitativt. Som vist ovenfor er videoanalyse en kraftig metodikk for å skaffe slik…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble delvis støttet av 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).
