Сагиттальная плоскость кинематической походка анализа мышей C57BL/6, подвергается MOG35-55 индуцированной Экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит
Summary
Кинематическая походка анализа в сагиттальной плоскости дает весьма точную информацию о том, как выполняется движение. Мы описываем применение этих методов для выявления дефицита походки для мышей подвергали аутоиммунных опосредованной демиелинизации. Эти методы могут также использоваться для характеристики дефицита походки для других моделей мыши, с нарушениями опорно.
Abstract
Кинематическая походка анализа в сагиттальной плоскости часто используется для характеристики мотора дефицит рассеянным склерозом (MS). Мы описываем применение этих методов для выявления дефицита походки в мышиной модели МС, известный как Экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит (EAE). Паралич и моторного дефицита в мышей подвергали ЕАЕ обычно оцениваются с использованием клинических скоринга масштаба. Однако эта шкала дает только порядковый номер данные, которые содержит мало информации о конкретном характере моторного дефицита. ЕАЕ тяжести заболевания также были оценены rotarod производительность, которая обеспечивает измерение общей двигательной координации. Напротив Кинематическая походка анализа задние конечности в сагиттальной плоскости генерирует очень точную информацию о как движение нарушается. Для выполнения этой процедуры, отражающие маркеры помещаются на задние конечности, чтобы обнаружить совместное движение, в то время как мыши ходьба на беговой дорожке. Программное обеспечение для анализа движения используется для измерения движения маркеров во время ходьбы. Параметры кинематической походка затем являются производными от полученные данные. Мы покажем, как эти параметры походка может использоваться для количественного определения нарушениями движений тазобедренного, коленного и голеностопного суставов в ЕАЕ. Эти методы могут использоваться для лучше понять механизмы заболевания и выявления потенциальных методов лечения для MS и других нейродегенеративных расстройств, которые наносят ущерб мобильности.
Introduction
Походка представляет собой серию повторяющихся движений конечностей, используемые для достижения локомоции. Походка состоит из шаг циклов, которые делятся на две фазы: фазу позицию, которая является когда нога движется назад на земле в движение тела вперед; и фазой, где ноги от земли и двигаться вперед. Нарушения походки являются отличительной черты многих нейродегенеративных расстройств, таких как травма спинного мозга (SCI), рассеянный склероз (РС), боковой амиотрофический склероз (ALS), болезнь Паркинсона (PD) и инсульт; Доклинические грызунов модели этих расстройств часто резюмировать их соответствующих походка нарушениями1. Основные контрольные механизмы передвижения в мышах были интенсивно изучали2,3. Кроме того существуют модели мыши многих человеческих неврологических расстройств4. Анализ походки в мышах поэтому является привлекательным подход для оценки нескольких аспектов моторного дефицита, которые известны анатомической коррелирует. Изучение походки в моделях мыши может обеспечить понимание основы патологического двигательного дефицита в нейродегенеративных расстройств и идентификации потенциальных методов лечения.
Некоторые методы, используемые для измерения походка грызунов включать визуального осмотра (например, Бассо мыши шкала5 и открытом поле тест6) и анализ походки из брюшной плоскости7. Совсем недавно методы измерения Сагиттальная плоскость кинематика движения задних конечностей завоевали популярность, потому что они предоставляют дополнительные сведения о выполнении движения и следовательно более чувствительны к тонкие изменения в походке8, 9 , 10 , 11. Кинематическая методы, разработанные для изучения движения задних конечностей в сагиттальной плоскости во время ходьбы на беговой дорожке9,12 были широко изучены в контексте SCI, ALS, травматические повреждения коры головного мозга, инсульт, и Болезнь Хантингтона8,9,10,11,13,14,,1516. Напротив эти методы уже видели ограниченное использование для моделей мыши рассеянный склероз17в изучении опорно-двигательного дефицита.
Экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит (EAE) является наиболее часто используемым мыши модель MS18. Два основных метода индукции ЕАЕ является активной или пассивной иммунизации. В активных ЕАЕ мышей иммунизацию с антигенами миелина, вызывая аутореактивная T клеточный neuroinflammation и демиелинизации в спинной мозг и мозжечок. С другой стороны, пассивный ЕАЕ, индуцируется передачи аутореактивная T клетки мыши с активной ЕАЕ наивно мыши19. Как описано в других разделах, течения заболевания и невропатологии находятся под влиянием центральной нервной системы (ЦНС) антигена и мыши штамм20,21,,2223,24 ,25. В экспериментах ЕАЕ управления мышей вводят с полным Фройнд в адъювантной (CFA) без антигена миелина. ЕАЕ характеризуется восходящий паралич, который начинается с хвоста слабость и потенциально может включать передние конечности, что приводит к атаксии и паралич20. Мы недавно охарактеризовал походка изменения у мышей C57Bl/6, подвергается миелин Олигодендроциты гликопротеина 35-55 (35-55MOG)-индуцированной ЕАЕ. Эти исследования показали анализа походки, быть выше, чем классическая поведенческого анализа, потому что отклонения от нормальных лодыжки движения тесно связано с степень потери белого вещества в поясничного отдела спинного мозга мышей ЕАЕ26. Напротив численность корреляции между потерей белого вещества и два других традиционных поведенческих мер (клинические скоринга и rotarod) был гораздо слабее26.
Мы здесь описывают использование кинематической походка анализа для выявления дефицита движения в сагиттальной плоскости ЕАЕ мышей, ходьба на беговой дорожке. Пяти Светоотражающий маркеров были размещены на задних конечностей для определения движения тазобедренного, коленного и голеностопного суставов в высокоскоростной видео записи. Программное обеспечение для анализа движения был использован для извлечения кинематической данные о совместных экскурсий. Полезность этих методов количественного определения дефицита движения для модели35-55 MOG ЕАЕ обсуждаются. Эти методы также применяются к изучению дефицита походки в других моделях мыши нейродегенеративных расстройств.
Protocol
Representative Results
Discussion
В мышей с ЕАЕ два наиболее распространенных методов измерения моторного дефицита клинических скоринга и падения задержки с27,rotarod28. Эти методы имеют ряд ограничений. Хотя удобно и широко используется, клинических скоринга ограничивается уступая только п…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы признать Sid Chedrawe за его техническую помощь с съемки. Эта работа была поддержана финансирование от MS общества Канады (EGID 2983).
Materials
| Camera | Nikon | Nikon D750 | Used to film the video |
| Reflective tape | B&L Engineering | MKR-Tape-2 | |
| Fine scissors | Fine Science Tools | 15023-10 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | |
| Glue gun | Craftsmart | E231647 | |
| scalpel handle #4 | Roboz | R5-9884 | |
| Scalpel Blade No.10 | Feather | 2020-12 | |
| C57BL/6 mice | Charles River Laboratories | ||
| Anesthetic machine | EZ Anesthesia | EZ-AF9000 Auto Flow System | |
| Recirculating water heating blanket | Androit | HTP-1500 | |
| topical eye lubricant | Refresh | DIN00210889 | |
| Shaver | Oster | 78997-010 | |
| High speed camera | Fastec | Fastec IL3-100 | |
| High power light | Smith Victor Corporation | Model 700 SG (600 Watt quartz light, 120 Volts) | |
| Light Stand | Promaster | LS1 | |
| Treadmill | Custom built at the Zoological Institute, University of Cologne | ||
| Microsoft Excel 2016 | Microsoft | Version 2016 | |
| KinemaJ | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with ImageJ | |
| KinemaR | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with Rstudio | |
| Vicon Motus | Vicon Motus | Version 9.00 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | Version 6.00 | |
References
- Giladi, N., Horak, F. B., Hausdorff, J. M. Classification of gait disturbances: distinguishing between continuous and episodic changes. Mov Disord. 28 (11), 1469-1473 (2013).
- Kiehn, O. Decoding the organization of spinal circuits that control locomotion. Nat Rev Neurosci. 17 (4), 224-238 (2016).
- Akay, T., Tourtellotte, W. G., Arber, S., Jessell, T. M. Degradation of mouse locomotor pattern in the absence of proprioceptive sensory feedback. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (47), 16877-16882 (2014).
- Hafezparast, M., Ahmad-Annuar, A., Wood, N. W., Tabrizi, S. J., Fisher, E. M. Mouse models for neurological disease. Lancet Neurol. 1 (4), 215-224 (2002).
- Basso, D. M., et al. Basso Mouse Scale for locomotion detects differences in recovery after spinal cord injury in five common mouse strains. J Neurotrauma. 23 (5), 635-659 (2006).
- Tatem, K. S., et al. Behavioral and locomotor measurements using an open field activity monitoring system for skeletal muscle diseases. J Vis Exp. (91), e51785 (2014).
- Hetze, S., Romer, C., Teufelhart, C., Meisel, A., Engel, O. Gait analysis as a method for assessing neurological outcome in a mouse model of stroke. J Neurosci Methods. 206 (1), 7-14 (2012).
- Preisig, D. F., et al. High-speed video gait analysis reveals early and characteristic locomotor phenotypes in mouse models of neurodegenerative movement disorders. Behav Brain Res. 311, 340-353 (2016).
- Leblond, H., L’Esperance, M., Orsal, D., Rossignol, S. Treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. J Neurosci. 23 (36), 11411-11419 (2003).
- Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Exp Neurol. 230 (2), 280-290 (2011).
- Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nat Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
- Pearson, K. G., Acharya, H., Fouad, K. A new electrode configuration for recording electromyographic activity in behaving mice. J Neurosci Methods. 148 (1), 36-42 (2005).
- Balkaya, M., Krober, J. M., Rex, A., Endres, M. Assessing post-stroke behavior in mouse models of focal ischemia. J Cereb Blood Flow Metab. 33 (3), 330-338 (2013).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. J Neurophysiol. 111 (3), 694-703 (2014).
- Taylor, T. N., Greene, J. G., Miller, G. W. Behavioral phenotyping of mouse models of Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 211 (1), 1-10 (2010).
- Chen, K., et al. Differential Histopathological and Behavioral Outcomes Eight Weeks after Rat Spinal Cord Injury by Contusion, Dislocation, and Distraction Mechanisms. J Neurotrauma. 33 (18), 1667-1684 (2016).
- de Bruin, N. M., et al. Multiple rodent models and behavioral measures reveal unexpected responses to FTY720 and DMF in experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 300, 160-174 (2016).
- Steinman, L., Zamvil, S. S. How to successfully apply animal studies in experimental allergic encephalomyelitis to research on multiple sclerosis. Ann Neurol. 60 (1), 12-21 (2006).
- Emerson, M. R., Gallagher, R. J., Marquis, J. G., LeVine, S. M. Enhancing the ability of experimental autoimmune encephalomyelitis to serve as a more rigorous model of multiple sclerosis through refinement of the experimental design. Comp Med. 59 (2), 112-128 (2009).
- Bittner, S., Afzali, A. M., Wiendl, H., Meuth, S. G. Myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG35-55) induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in C57BL/6 mice. J Vis Exp. (86), (2014).
- Beeton, C., Garcia, A., Chandy, K. G. Induction and clinical scoring of chronic-relapsing experimental autoimmune encephalomyelitis. J Vis Exp. (5), e224 (2007).
- Barthelmes, J., et al. Induction of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis in Mice and Evaluation of the Disease-dependent Distribution of Immune Cells in Various Tissues. J Vis Exp. (111), (2016).
- Shaw, M. K., Zhao, X. Q., Tse, H. Y. Overcoming unresponsiveness in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) resistant mouse strains by adoptive transfer and antigenic challenge. J Vis Exp. (62), e3778 (2012).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Passive induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1952-1960 (2006).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Active induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1810-1819 (2006).
- Fiander, M. D., Stifani, N., Nichols, M., Akay, T., Robertson, G. S. Kinematic gait parameters are highly sensitive measures of motor deficits and spinal cord injury in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 317, 95-108 (2017).
- Jones, M. V., et al. Behavioral and pathological outcomes in MOG 35-55 experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmunol. 199 (1-2), 83-93 (2008).
- van den Berg, R., Laman, J. D., van Meurs, M., Hintzen, R. Q., Hoogenraad, C. C. Rotarod motor performance and advanced spinal cord lesion image analysis refine assessment of neurodegeneration in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neurosci Methods. 262, 66-76 (2016).
- Sasaki, M., Lankford, K. L., Brown, R. J., Ruddle, N. H., Kocsis, J. D. Focal experimental autoimmune encephalomyelitis in the Lewis rat induced by immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein and intraspinal injection of vascular endothelial growth factor. Glia. 58 (13), 1523-1531 (2010).
- Merkler, D., Ernsting, T., Kerschensteiner, M., Bruck, W., Stadelmann, C. A new focal EAE model of cortical demyelination: multiple sclerosis-like lesions with rapid resolution of inflammation and extensive remyelination. Brain. 129 (Pt 8), 1972-1983 (2006).
- Franco-Pons, N., Torrente, M., Colomina, M. T., Vilella, E. Behavioral deficits in the cuprizone-induced murine model of demyelination/remyelination. Toxicol Lett. 169 (3), 205-213 (2007).
- Goldberg, N. R., Hampton, T., McCue, S., Kale, A., Meshul, C. K. Profiling changes in gait dynamics resulting from progressive 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced nigrostriatal lesioning. J Neurosci Res. 89 (10), 1698-1706 (2011).
