Summary

Geliştirilmiş Rat Eğitim Performans Yenilikçi Running Tekerlek tabanlı Mekanizma

Published: September 19, 2016
doi:

Summary

Bu çalışmada sıçanlarda etkili bir egzersiz aktivitesini ölçmek için yenilikçi bir çalışan tekerlek tabanlı hayvan hareketlilik sistemi sunuyor. Bir sıçan dostu testbed önceden tanımlanmış adaptif hızlanma eğrisi kullanılarak inşa edilir ve etkili bir egzersiz oranı ve infarkt hacmi arasında yüksek bir korelasyon inme önleme deneyleri için protokolün potansiyelini göstermektedir.

Abstract

Bu çalışma sıçanlarda inme etkilerin şiddetini hafifletmek için bir egzersiz aktivitesinin etkinliğini ölçmek için bir yol olarak, bir konumlandırma çalışan tekerlek (prw) ile donatılmış bir hayvan hareket sistemi sunulur. Bu sistem, koşu bandı ve motorlu koşu tekerlekler (MRWs) ticari olarak mevcut sistemlerin daha etkili hayvan egzersiz eğitimi vermektedir. yalnızca aşağıda hızları elde edebilirsiniz bir MRW aksine 20 m / dak, sıçanlar 30 m istikrarlı bir hızda çalışmasına izin verilir / dak 15 cm genişliğinde akrilik tekerlek ile desteklediği daha geniş ve yüksek yoğunluklu kauçuk koşu pistinde Bu çalışmada, 55 sm bir çapa sahiptir. Önceden tanımlanmış bir adaptif hızlanma eğrisi kullanılarak, sistem yalnızca operatör hataları azaltır, aynı zamanda belirli bir yoğunluk ulaşana kadar ısrarla çalıştırmak için fareleri eğitiyor. Egzersiz etkinliğini değerlendirmek için bir yol olarak, bir sıçan gerçek zamanlı konum çalışan tekerlek üzerinde konuşlanmış kızılötesi sensörlerin dört çift ile tespit edilir. bir kereadaptif ivme eğrisi, bir mikrodenetleyici kullanılarak başlatılan kızılötesi sensörler ile elde edilen veriler otomatik olarak bir bilgisayara kaydedilir ve analiz edilir. Karşılaştırma amacıyla, 3 hafta eğitim bir koşu bandı, bir MRW ve PRW kullanarak sıçanlar üzerinde yürütülmüştür. cerrahi orta serebral arter tıkanıklığı (MCAO) oluşturulduktan sonra, modifiye nörolojik şiddet skorları (mnss) ve eğik düzlem testi farelere nörolojik hasarlar değerlendirmek için yapılmıştır. PRW deneysel, hayvan hareketlilik sistemleri arasında en etkin olarak doğrulanmıştır. Ayrıca, sıçan pozisyon analizine dayalı bir egzersiz etkinliği ölçmek, orada etkili egzersiz ve infarkt hacmi arasında yüksek bir negatif korelasyon olduğu ve beyin hasarı azaltma deneyleri her türlü bir sıçan eğitimi ölçmek için kullanılabilir olduğunu göstermiştir.

Introduction

The Strokes, fiziksel ve 1, 2 zihinsel engelli sayısız hastayı bırakarak, küresel ülkelere mali yük olarak sürekli var. Orada düzenli egzersiz sinir rejenerasyonu artırmak ve sinirsel bağlantılar 3, 4 güçlendirmek olduğunu öne süren klinik kanıtlar olduğunu ve aynı zamanda egzersiz iskemik inme 5 acı riskini azaltabilir gösterilmiştir. 8 Bir koşu bandı ya da sıçanlar gibi bir egzersiz eğitim sistemi, kemirgenler gibi çalışan bir tekerleği ile ya, klinik deneyler 6 geniş bir çoğunluğunda egzersizlerinin etkinliğini test etmek için insanlar için bir vekil olarak hizmet vermektedir. Bir eğitim sistemi normal sıçan belli bir hızda çalışır sırasında belli bir süre için bir sıçan eğitim gerektirir. 8 Bu nedenle, eğitim yoğunluğu genellikle egzersiz hızı ve süresi 6'ya göre hesaplanır. Aynı yaklaşım uygulanırnörofizyolojik koruma için gerekli egzersiz miktarını tahmin. 11 Bununla birlikte, deneysel egzersizleri bazen böyle bir sıçan sendeler, düşer, ya da çalışan tekerlek hızı 9 yakalamak mümkün değildir kez raylar kapmak olduğu gibi, etkisiz olduğu tespit edilmiştir. Tabii etkisiz egzersiz olayları önemli ölçüde egzersiz yarar azaltmak demek. Hiçbir evrensel olarak kabul edilmiş bir yaklaşım olsa da, şu anda beyin hasarı azaltmak için etkili egzersizler ölçmek için, etkili egzersizlerin seviyesi hala klinik araştırmacılar nörofizyoloji disiplin egzersizin yararlarını göstermek için objektif bir değerlendirme olarak duruyor.

Günümüz beyin hasarı azaltma deneyleri 12 kullanılan ticari olarak temin edilebilen hayvan hareket sistemlerinde sınırlamalar vardır mevcuttur. Bir koşu bandı durumda, fareler psikolojik muazzam uyaran, elektrik şoku yoluyla çalıştırmak zorundaNihai nörofizyolojik test hayvanları gerilme ve böylece müdahale 8, 13, 14 oluşur. Koşu tekerlekleri yani gönüllü ve zorunlu iki tip olarak kategorize edilebilir. Motorlu çalışan tekerlekler (MRWs) çalıştırmak için sıçanları zorlayarak, tekerleği çevirmek için bir motor istihdam ederken Gönüllü çalışan tekerlekler nedeniyle farelerin fiziksel özellikleri ve yetenekleri 15 farklılıkların aşırı değişkenlik yaratan, fareler doğal çalışmasına izin. Ayrıca zorla bir eğitim biçimi olmasına rağmen, MRWs koşu bandı 13, 16, 17 den sıçanlar üzerinde az psikolojik stres uygular. Ancak, MRWs kullanarak deneyler fareler bazen tekerlek izlerinde raylar kapma ve 20 m / dak 9 aşan hızlarda çalıştırmak reddederek egzersiz kesme bildirmiştir. Bu örnekler, şu anda temin edilebilen hayvan hareket sistemleri, egzersiz etkili inhibe bir dezavantaj olduğunu göstermektedir. İçinobjektif sıçan eğitim amaçlı, oldukça etkili bir eğitim sisteminin geliştirilmesi ancak düşük parazit ile bu nedenle nörofizyolojik egzersiz deneyleri için acil bir mesele olarak görülüyor.

Bu çalışma, inme 11 etkilerinin şiddetini azaltmak üzerine deneyler için son derece etkili bir koşu tekerlek sistemini sunuyor. Bir eğitim sürecinde parazit faktörlerin az sayıda ek olarak, bu sistem dolayısıyla etkili bir egzersiz aktivitesinin daha güvenilir bir tahmin elde tekerlek gömülü kızılötesi sensörler kullanılarak bir sıçan çalışan konumunu algılar. Geleneksel koşu bandı ve MRWs hem de sık sık egzersiz kesintileri dayattığı psikolojik stres nedeniyle egzersiz tahminlerinin nesnelliği çarpık. Etkili exe ölçülmesi için güvenilir bir eğitim modeli sağlarken bu çalışmada sunulan bir konumlandırma çalışan tekerlek (PRW) sistem istenmeyen parazitleri en aza indirmek için bir girişim geliştirilmiştirrcise.

Protocol

Etik Beyanı: deneysel prosedürleri Bilim ve Teknoloji Laboratuar Hayvan Merkezi Güney Tayvan Üniversitesi, Ulusal Bilim Konseyi, Çin Halk Cumhuriyeti (Tainan, Tayvan) hayvan etik komitesi tarafından onaylandı. 1. Koşu Tekerlek Yapısı oluşturma NOT: Tüm Akrilik şeffaf olmalıdır. Her kullanımdan sonra lastik parça ve akrilik levha silmek için alkol kullanmayın, daha sonra su ile demonte tekerleği yıkayın. çapında 55 cm geni…

Representative Results

Bu bölüm, karşılaştırmalar ayrılan beş gruplar arasında mnss skorları, eğim düzlemi test sonuçları ve beyin enfarktüsü birimlerinde, ameliyattan 1 hafta sonra yaptı. Şekil 4A ve sırasıyla ortalama mnss puanları ve eğim düzlemi test sonuçlarının ortalamasını sunmak 4B edilir. PRW grubu mnss iyileştirme açısından en iyi olarak görünür. PRW ve MRW arasında koşu bandı ile PRW arasında önemli farklar açıkça PRW mevcu…

Discussion

Bu protokol, hayvan felç etkilerinin şiddetinin azaltılması için son derece etkili çalışan tekerlek sistemi tarif eder. Bir fare için uygun test yeri olarak, bu platform, bir sabit bir çalışma hızı önceden tespit edilmiş bir adaptif hızlanma eğrisi vasıtasıyla bir çalışma süreci boyunca fareler tarafından korunabilir şekilde de tasarlanmıştır. Tipik bir eğitim sistemlerinde, önceden ayarlanmış eğitim hızları ve süreleri elle ayarlanır. bir egzersiz başladıktan sonra, önceden ayar…

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Raichlen, D. A., Gordon, A. D. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 6 (6), (2011).
  4. 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).
  5. Zhang, F., Wu, Y., Jia, J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance. Neuroscience. 177, 170-176 (2011).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Leasure, J. L., Jones, M. Forced and voluntary exercise differentially affect brain and behavior. Neuroscience. 156 (3), 456-465 (2008).
  10. 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).
  11. Chen, C. -. C., et al. Improved infrared-sensing running wheel systems with an effective exercise activity indicator. PLoS One. 10 (4), (2015).
  12. 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).
  13. Hayes, K., et al. Forced, not voluntary, exercise effectively induces neuroprotection in stroke. Acta Neuropathol. 115 (3), 289-296 (2008).
  14. 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).
  15. Waters, R. P., et al. Selection for aerobic capacity affects corticosterone, monoamines and wheel-running activity. Physiol Behav. (4-5), 1044-1054 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. . C8051F330/1/2/3/4/5 datasheet Available from: https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F33x.pdf (2006)
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

Play Video

Cite This Article
Chen, C., Yang, C., Chang, C. An Innovative Running Wheel-based Mechanism for Improved Rat Training Performance. J. Vis. Exp. (115), e54354, doi:10.3791/54354 (2016).

View Video