Низкозатратный анализ gait для поведенческого фенотипирования моделей мыши нервно-мышечного заболевания
Summary
Анализ следа является недорогой альтернативой оцифрованных программ анализа походки для исследователей, количественно оценивающих аномалии движения у мышей. Из-за своей скорости, простоты и продольного потенциала, он идеально подходит для поведенческого фенотипирования моделей мыши.
Abstract
Измерение передвижения животных является распространенным поведенческим инструментом, используемым для описания фенотипа данной болезни, травмы или модели наркотиков. Недорогой метод анализа походки, показанный здесь, является простой, но эффективной мерой аномалий походки в моделях морин. Следы анализируются, покрасив ноги мыши нетоксичными моющиеся краски и позволяя субъекту пройти через туннель на листе бумаги. Конструкция испытательного туннеля использует естественное поведение мыши и их близость к небольшим темным местам. Длина шага, ширина шага, и распространение носов каждой мыши легко измерены с помощью линейки и карандаша. Это устоявшийся и надежный метод, и он генерирует несколько метрик, которые аналогичны цифровым системам. Этот подход является достаточно чувствительным, чтобы обнаружить изменения в шаге на ранних стадиях презентации фенотипа, и из-за его неинвазивного подхода, он позволяет тестирование групп по всей продолжительности жизни или фенотипической презентации.
Introduction
Локомотив требует сложной неврологической и опорно-двигательной координации, а дефицит в одном аспекте двигательных путей может привести к наблюдаемым аномалиям походки1,2. Анализ Gait является критическим инструментом для исследователей тестирования моделей мыши, поскольку он предоставляет количественные поведенческие данные о том, как данное заболевание, травмы или наркотики влияет на движение животного3. Тем не менее, оцифрованный анализ походки требует покупки беговой дорожки, камеры и связанного с ними программного обеспечения, которое может быть непомерно дорогим для исследователей. Анализ Gait часто используется с перерывами для отслеживания продольных изменений в двигательной функции, следовательно, это может быть трудно оправдать расходы, если спорадически используется4. Хотя оцифрованный анализ может обеспечить более подробные метрики походки, чем простой анализ следа,эти более сложные меры не всегда необходимы или актуальны для характеристики поведенческого фенотипа 5.
Здесь мы представляем недорогой ручной метод анализа следа как быстрая и чувствительная альтернатива оцифрованным программам анализа походки6,7. Ручной анализ следа было продемонстрировано для того чтобы обнаружитьзначительно разницы походки в множестве моделей заболевания murine 4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17, и, по крайней мере в одном случае, этот недорогой метод определил изменения в походке, что не были обнаружены общей оцифрованных походка анализа программы12. Общая стоимость материалов является номинальной, и она может быть легко адаптирована к другим моделям исследований грызунов.
Хотя существует много различных метрик походки, из которых данные могут быть взяты, метод, который мы описываем, фокусируется на трех конкретных метриках: длина шага, ширина шага (также также”ширина трека) и спред. Важно отметить, что параметры, которые должны быть оценены, должны определяться на основе модели за моделью. Этот метод анализа походки не предназначен для измерения когнитивных функций, и не рекомендуется для исследований, которые требуют сложных биомеханических измерений походки16.
Мы представляем поведенческие данные из когорты до- и постсимптоматических мышей моделирования X-связанных спинальной и бульбарной мышечной атрофии (SBMA), нервно-мышечное заболевание характеризуется дегенерацией моторных нейронов и мышечной атрофии. Эти мыши развивают прогрессивный дефицит в походке, которые совпадают с началом других заболеваний конкретных фенотипов. Это демонстрирует обоснованность и специфичность этого метода и подтверждает, что он может надежно различать пораженных и не затронутых животных.
Экспериментальные мыши в этом исследовании были 2,5 (досимптоматические) и 9-месячный (пост-симптоматический) BAC fxAR121 трансгенных мышей на фоне C57BL/6 (nexptNo 12). Эта модель была создана в нашей лаборатории и была полностью охарактеризована как мощная модель мыши SBMA9. Нетрансгенные пометы использовались в качестве элементов управления (nctrlNo8). SBMA является секс-ограниченное заболевание, которое полностью проявляется только у мужчин, поэтому мышей мужского пола были использованы исключительно для этого исследования. На этапах планирования, исследователи должны принимать во внимание соображения Национальных институтов здравоохранения о сексе в качестве биологической переменной, чтобы определить размеры группы и состав18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Используя недорогой метод анализа походки, описанный выше, мы показываем успешное выявление нескольких параметров дисфункции походки в постсимптомном возрасте в мышиной модели BAC fxAR121 SBMA. Уменьшение длины шага согласуется с предыдущими исследованиями SBMA моделей мыши и человеческих п?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить A.M. за помощь в идентификации животных. Эта работа была поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения США (R01 7 RF1 AG057264 до A.R.L.S. и C.J.C. и R01 NS100023 до A.R.L.S.) и Ассоциацией мышечной дистрофии (Основные исследования Грант A.R.L.S., Развитие Грант в C.J.C.).
Materials
| Caliper | n/a | n/a | must have markings down to 0.1 mm |
| Craft Glue | E6000 | n/a | |
| Footprint Paint (Tempera Paint) | Artmind | n/a | must be non-toxic |
| Round Barrel Paintbrushes | Symply Simmons | n/a | 0.5 cm diameter |
| Ruler | n/a | n/a | must have markings down to millimeters |
| Scoring Paper (Watercolor Pads) | Canson | n/a | cut to size |
| Tunnel and Goal Chamber | Interstate Plastics | n/a | cut to size |
References
- Clarke, K. A., Still, J. Development and consistency of gait in the mouse. Physiology & Behavior. 73 (1-2), 159-164 (2001).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13, 50 (2015).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Current Protocols in Neuroscience. , (2001).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Exercise induces behavioral recovery and attenuates neurochemical deficits in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience. 119 (3), 899-911 (2003).
- Pallier, P. N., Drew, C. J., Morton, A. J. The detection and measurement of locomotor deficits in a transgenic mouse model of Huntington’s disease are task- and protocol-dependent: influence of non-motor factors on locomotor function. Brain Research Bulletin. 78 (6), 347-355 (2009).
- Sugimoto, H., Kawakami, K. Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress. Journal of Visualized Experiments. (143), (2019).
- Carter, R. J., et al. Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington’s disease mutation. Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).
- Barlow, C., et al. Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia. Cell. 86 (1), 159-171 (1996).
- Cortes, C. J., et al. Muscle expression of mutant androgen receptor accounts for systemic and motor neuron disease phenotypes in spinal and bulbar muscular atrophy. Neuron. 82 (2), 295-307 (2014).
- D’Hooge, R., et al. Neuromotor alterations and cerebellar deficits in aged arylsulfatase A-deficient transgenic mice. Neuroscience Letters. 273 (2), 93-96 (1999).
- Fernagut, P. O., Diguet, E., Labattu, B., Tison, F. A simple method to measure stride length as an index of nigrostriatal dysfunction in mice. Journal of Neuroscience Methods. 113 (2), 123-130 (2002).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson’s disease or amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).
- Harper, S. Q., et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington’s disease mouse model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (16), 5820-5825 (2005).
- Lin, C. H., et al. Neurological abnormalities in a knock-in mouse model of Huntington’s disease. Human Molecular Genetics. 10 (2), 137-144 (2001).
- Sopher, B. L., et al. Androgen receptor YAC transgenic mice recapitulate SBMA motor neuronopathy and implicate VEGF164 in the motor neuron degeneration. Neuron. 41 (5), 687-699 (2004).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Detection of behavioral impairments correlated to neurochemical deficits in mice treated with moderate doses of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine. Experimental Neurology. 178 (1), 80-90 (2002).
- Wheeler, V. C., et al. Early phenotypes that presage late-onset neurodegenerative disease allow testing of modifiers in Hdh CAG knock-in mice. Human Molecular Genetics. 11 (6), 633-640 (2002).
- Clayton, J. A., Collins, F. S. Policy: NIH to balance sex in cell and animal studies. Nature. 509 (7500), 282-283 (2014).
- Maricelli, J. W., Lu, Q. L., Lin, D. C., Rodgers, B. D. Trendelenburg-Like Gait, Instability and Altered Step Patterns in a Mouse Model for Limb Girdle Muscular Dystrophy 2i. PLoS One. 11 (9), e0161984 (2016).
- Castelhano-Carlos, M. J., Sousa, N., Ohl, F., Baumans, V. Identification methods in newborn C57BL/6 mice: a developmental and behavioural evaluation. Lab Animals. 44 (2), 88-103 (2010).
- Lakes, E. H., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations. Osteoarthritis Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).
