لتشغيل الآلية المبتكرة القائمة على عجلة لتحسين الأداء الجرذ التدريب
Summary
تقدم هذه الدراسة نظام التنقل الحيوان المبتكرة القائمة على عجلات تشغيل لقياس نشاط ممارسة فعالة في الفئران. وبنيت اختبارات سهلة الفئران، وذلك باستخدام منحنى تسريع التكيف محددة سلفا، وعلاقة ارتباط قوية بين معدل ممارسة فعالة وحجم احتشاء تشير إمكانات بروتوكول للتجارب الوقاية من السكتة الدماغية.
Abstract
تقدم هذه الدراسة نظام التنقل الحيوان، ومجهزة عجلة المواقع التوالي (PRW)، باعتبارها وسيلة لقياس فعالية من ممارسة النشاط للحد من شدة آثار السكتة الدماغية لدى الفئران. ويوفر هذا النظام التمرينات الحيوان أكثر فعالية من النظم المتاحة تجاريا مثل المطاحن وعجلات تشغيل الآلية (MRWs). وعلى النقيض من مخلفات التي يمكن أن تحقق سرعات فقط أقل من 20 م / دقيقة، ويسمح الفئران لتشغيلها في سرعة ثابتة 30 م / دقيقة على مسار أكثر اتساعا والمطاط عالي الكثافة التوالي بدعم من عجلة الاكريليك 15 سم واسعة مع يبلغ قطرها 55 سم في هذا العمل. باستخدام منحنى تسريع التكيف محدد مسبقا، والنظام ليس فقط يقلل من خطأ من المشغل ولكن أيضا بتدريب الفئران لتشغيل باستمرار حتى يتم التوصل إلى كثافة محددة. باعتبارها وسيلة لتقييم فعالية العملية، تم الكشف عن موقف في الوقت الحقيقي من الفئران قبل أربعة أزواج من أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء المنتشرة على عجلة دوارة. مرة واحدةيبدأ منحنى تسريع التكيف باستخدام متحكم، البيانات التي حصلت عليها أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء يتم تسجيلها تلقائيا وتحليلها في جهاز كمبيوتر. لأغراض المقارنة، وأجرى 3 التدريب الاسبوع على الفئران باستخدام حلقة مفرغة، ومخلفات وPRW. بعد حمل جراحيا انسداد الشريان الدماغي الأوسط (MCAo)، أجريت تعديل عشرات العصبية شدة (mNSS) واختبار طائرة يميل لتقييم الأضرار العصبية للفئران. التحقق من صحة PRW تجريبيا باعتبارها الأكثر فعالية بين تلك الأنظمة التنقل الحيوان. وعلاوة على ذلك، وهو مقياس فعالية ممارسة، استنادا إلى تحليل موقف الفئران، أظهرت أن هناك علاقة سلبية عالية بين الممارسة الفعلية وحجم احتشاء، ويمكن استخدامها لقياس تدريب الفئران في أي نوع من التجارب للحد من تلف في الدماغ.
Introduction
السكتات الدماغية موجودة باستمرار باعتباره عبئا ماليا على دولة حول العالم، وترك المرضى لا تعد ولا تحصى جسديا والمعاقين ذهنيا 1 و 2. وهناك أدلة سريرية تشير إلى أن ممارسة التمارين الرياضية بانتظام يمكن أن تحسن تجديد الأعصاب وتقوية الروابط العصبية 3، 4، وتبين أيضا أن التمارين الرياضية يمكن أن تقلل من خطر المعاناة السكتات الدماغية الإقفارية 5. إما حلقة مفرغة أو عجلة دوارة كنظام التمرينات والقوارض، مثل الفئران، بمثابة وكيل لالبشر لاختبار فعالية من التمارين في الغالبية العظمى من التجارب السريرية 6-8. ويشمل نظام التدريب عادة تدريب الفئران لفترة معينة من الزمن، حيث يدير الفئران في سرعة معينة. لذلك، يتم حساب كثافة التدريب بشكل عام وفقا لسرعة العملية ومدتها 6-8. يتم تطبيق نفس النهج لتقدير كمية التدريبات اللازمة لحماية العصبية. ومع ذلك، يتم العثور على تمارين تجريبية في بعض الأحيان إلى أن تكون غير فعالة، مثل عندما يتعثر الفئران، يقع، أو الاستيلاء على القضبان مرة واحدة أنهم غير قادرين على اللحاق سرعة عجلة دوارة 9-11. وغني عن القول، حوادث ممارسة فعالة تقلل إلى حد كبير فائدة ممارسة الرياضة. على الرغم من عدم وجود أي نهج المقبولة عالميا حاليا لتحديد تمارين فعالة للحد من تلف في الدماغ، ومستوى التمارين الفعالة لا يزال قائما كما إجراء تقييم موضوعي للباحثين السريري لتوضيح فوائد التمارين الرياضية في الانضباط في الفسيولوجيا العصبية.
وتوجد عدد من القيود على أنظمة التنقل الحيوانية المتاحة تجاريا المستخدمة في التجارب للحد من تلف في الدماغ اليوم 12. في حالة حلقة مفرغة، ويضطر الفئران لتشغيل عن طريق الصدمات الكهربائية، الأمر الذي أدى هائلة النفسيةالضغط على الحيوانات، وبالتالي تدخل في الاختبار النهائي العصبي النتائج 8 و 13 و 14. ويمكن تصنيف تشغيل العجلات إلى نوعين، هما الطوعية والقسرية. عجلات تشغيل الطوعية تسمح الفئران لتشغيل بشكل طبيعي، وخلق تقلب المفرط بسبب الاختلافات في الصفات والقدرات البدنية 15 الفئران، في حين بمحركات دوران العجلات (MRWs) تستخدم محرك لتحويل عجلة القيادة، مما اضطر الفئران لتشغيل. على الرغم من كونه أيضا شكل من أشكال التدريب القسري، MRWs يفرض الضغط النفسي أقل على الفئران من المطاحن 13 و 16 و 17. ومع ذلك، فقد ذكرت التجارب باستخدام MRWs أن الفئران يقطع أحيانا ممارسة الاستيلاء على القضبان على مسار عجلة ورفض لتشغيل بسرعات تزيد عن 20 م / دقيقة 9. تظهر هذه الأمثلة أن أنظمة التنقل الحيوانية المتاحة حاليا لديها عيب متأصل الذي يمنع فعالية ممارسة. إلىأغراض التدريب الفئران موضوعية، وتطوير نظام تدريب فعال للغاية ولكن مع تدخل منخفض وبالتالي أصبح ينظر إليها كقضية ملحة لإجراء التجارب العملية العصبية.
تقدم هذه الدراسة نظام عجلة دوارة فعالة للغاية لإجراء التجارب على الحد من شدة آثار السكتة الدماغية 11. بالإضافة إلى عدد محدود من العوامل تدخل أثناء عملية التدريب، وهذا النظام بالكشف عن موقف ادارة فأر باستخدام أجهزة استشعار بالأشعة تحت الحمراء جزءا لا يتجزأ في عجلة القيادة، وبالتالي تحقيق تقدير أكثر موثوقية من ممارسة النشاط الفعال. الضغوط النفسية التي تفرضها المطاحن التقليدية وانقطاع ممارسة متكررة في MRWs كل من الانحراف وموضوعية تقديرات ممارسة الناتجة عن ذلك. تم تطوير عجلة المواقع التوالي (PRW) نظام المقدمة في هذه الدراسة في محاولة للحد من تدخل غير مرغوب فيه في الوقت الذي توفر نموذج التدريب موثوقة لقياس إكس فعالrcise.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول نظام فعال للغاية عجلة دوارة لتقلل من حدة آثار السكتة الدماغية لدى الحيوانات. ونتيجة لاختبارات سهلة الفئران، تم تصميم هذه المنصة وكذلك في مثل هذه الطريقة أن سرعة تشغيل مستقرة يمكن الحفاظ على الفئران طوال عملية التشغيل عن طريق منحنى تسريع التكيف مح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Dr. Jhi-Joung Wang, who is the Vice Superintendent of Education at Chi-Mei Medical Center, and Dr. Chih-Chan Lin from the Laboratory Animal Center, Department of Medical Research, Chi-Mei Medical Center, 901 Zhonghua, Yongkang Dist., Tainan City 701, Taiwan, for providing the shooting venue. They would also like to thank Miss Ling-Yu Tang and Mr. Chung-Ham Wang from the Department of Medical Research, Chi-Mei Medical Center, Tainan, Taiwan, for their valuable assistance in demonstrating the prototype system in real experiments with rats. The author gratefully acknowledges the support provided for this study by the Ministry of Science and Technology (MOST 104- 2218-E-167-001-) of Taiwan.
Materials
| Brushless DC motor | Oriental Motor | BLEM512-GFS | |
| Motor driver | Oriental Motor | BLED12A | |
| Motor reducer | Oriental Motor | GFS5G20 | |
| Speedometer | Oriental Motor | OPX-2A | |
| Treadmill | Columbus Instruments | Exer-6M | |
| Infrared transmitter | Seeed Studio | TSAL6200 | |
| Infrared Receiver | Seeed Studio | TSOP382 | |
| Microcontroller | Silicon Labs | C8051F330 | |
| CCD camera | Canon Inc. | EOS 450D | |
| Image processing software | Adobe Systems Incorporated | ADOBE Photoshop CS5 12.0 | |
| Image analysis | Media Cybernetics | Pro Plus 4.50.29 | |
| Sodium pentobarbital | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA P-3761 | |
| Ketamine | Pfizer (Kent, UK) | 1867-66-9 | |
| Atropine | Taiwan Biotech Co., Ltd. (Taoyuan, Taiwan) | A03BA01 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA X1126 | |
| Buprenorphine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | B9275 | |
| Anesthesia | Sigma Chemical |
References
- Mayo, N. E., Wood-Dauphinee, S., Cote, R., Durcan, L., Carlton, J. Activity, participation, and quality of life 6 months poststroke. Arch Phys Med Rehabil. 83 (8), 1035-1042 (2002).
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Horner, R. D., Landsman, P. B., Samsa, G. P., Matchar, D. B. Similar motor recovery of upper and lower-extremities after stroke. Stroke. 25 (6), 1181-1188 (1994).
- Raichlen, D. A., Gordon, A. D. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 6 (6), (2011).
- Trejo, J. L., Carro, E., Torres-Aleman, I. Circulating insulin-like growth factor I mediates exercise-induced increases in the number of new neurons in the adult hippocampus. J Neurosci. 21 (5), 1628-1634 (2001).
- Zhang, F., Wu, Y., Jia, J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance. Neuroscience. 177, 170-176 (2011).
- Wang, R. Y., Yang, Y. R., Yu, S. M. Protective effects of treadmill training on infarction in rats. Brain Res. 922 (1), 140-143 (2001).
- Ding, Y., et al. Exercise pre-conditioning reduces brain damage in ischemic rats that may be associated with regional angiogenesis and cellular overexpression of neurotrophin. Neuroscience. 124 (3), 583-591 (2004).
- Li, J., Luan, X. D., Clark, J. C., Rafols, J. A., Ding, Y. C. Neuroprotection against transient cerebral ischemia by exercise pre-conditioning in rats. Brain Res. 26 (4), 404-408 (2004).
- Leasure, J. L., Jones, M. Forced and voluntary exercise differentially affect brain and behavior. Neuroscience. 156 (3), 456-465 (2008).
- Chen, C. C., et al. A Forced running wheel system with a microcontroller that provides high-intensity exercise training in an animal ischemic stroke model. Braz J Med Biol Res. 47 (10), 858-868 (2014).
- Chen, C. -. C., et al. Improved infrared-sensing running wheel systems with an effective exercise activity indicator. PLoS One. 10 (4), (2015).
- Fantegrossi, W. E., Xiao, W. R., Zimmerman, S. M. Novel technology for modulating locomotor activity as an operant response in the mouse: Implications for neuroscience studies involving "exercise" in rodents. J Neurosci Methods. 212 (2), 338-343 (2013).
- Hayes, K., et al. Forced, not voluntary, exercise effectively induces neuroprotection in stroke. Acta Neuropathol. 115 (3), 289-296 (2008).
- Arida, R. M., Scorza, C. A., da Silva, A. V., Scorza, F. A., Cavalheiro, E. A. Differential effects of spontaneous versus forced exercise in rats on the staining of parvalbumin-positive neurons in the hippocampal formation. Neurosci Lett. 364 (3), 135-138 (2004).
- Waters, R. P., et al. Selection for aerobic capacity affects corticosterone, monoamines and wheel-running activity. Physiol Behav. (4-5), 1044-1054 (2008).
- Ke, Z., Yip, S. P., Li, L., Zheng, X. -. X., Tong, K. -. Y. The effects of voluntary, involuntary, and forced exercises on brain-derived neurotrophic factor and motor function recovery: A rat brain ischemia model. PLoS One. 6 (2), (2011).
- Caton, S. J., et al. Low-carbohydrate high-fat diets in combination with daily exercise in rats: Effects on body weight regulation, body composition and exercise capacity. Physiol Behav. 106 (2), 185-192 (2012).
- . C8051F330/1/2/3/4/5 datasheet Available from: https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F33x.pdf (2006)
- Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
- Chen, J. L., et al. Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats. Stroke. 32 (4), 1005-1011 (2001).
- Chang, M. -. W., Young, M. -. S., Lin, M. -. T. An inclined plane system with microcontroller to determine limb motor function of laboratory animals. J Neurosci Methods. 168 (1), 186-194 (2008).
- Gartshore, G., Patterson, J., Macrae, I. M. Influence of ischemia and reperfusion on the course of brain tissue swelling and blood-brain barrier permeability in a rodent model of transient focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 147 (2), 353-360 (1997).
- Chen, F., et al. Rodent stroke induced by photochemical occlusion of proximal middle cerebral artery: Evolution monitored with MR imaging and histopathology. Eur J Radiol. 63 (1), 68-75 (2007).
- Almenning, I., Rieber-Mohn, A., Lundgren, K. M., Lovvik, T. S., Garnaes, K. K., Moholdt, T. Effects of high intensity interval training and strength training on metabolic, cardiovascular and hormonal outcomes in women with polycystic ovary syndrome: a pilot study. PLoS One. 10 (9), (2015).
- Costigan, S. A., Eather, N., Plotnikoff, R. C., Taaffe, D. R., Lubans, D. R. High-intensity interval training for improving health-related fitness in adolescents: a systematic review and meta-analysis. Br J Sports Med. 49 (19), (2015).
