Многофакторная оценка двигательного поведения крыс после одностороннего повреждения седалищного нерва
Summary
Мы предоставляем протокол для оценки двигательного поведения с помощью поведенческой тестовой батареи у крыс после повреждения седалищного нерва.
Abstract
Индукция повреждения периферического нерва является широко используемым методом в неврологии для оценки механизмов восстановления и боли. Кроме того, в области исследований двигательных расстройств седалищная травма была использована для запуска фенотипа, подобного дистонии, в генетически предрасположенных моделях дистонии грызунов DYT-TOR1A. Для достижения последовательных, воспроизводимых и сопоставимых результатов после повреждения седалищного нерва необходим стандартизированный метод индуцирования нервного раздавливания в дополнение к стандартизированной фенотипической характеристике. Необходимо обратить внимание не только на конкретный ассортимент поведенческих тестов, но и на технические требования, правильное выполнение и последовательный анализ данных. Этот протокол подробно описывает, как выполнить повреждение седалищного нерва, и предоставляет поведенческую тестовую батарею для оценки двигательного дефицита у крыс, которая включает в себя тест в открытом поле, анализ походки CatWalk XT, задачу ходьбы по балке и задачу ходьбы по лестнице.
Introduction
Грызуны являются отличными модельными организмами для углубления понимания заболеваний человека1,2 путем проверки гипотез на нескольких биологических уровнях. Одним из фундаментальных биологических уровней для характеристики моделей грызунов является уровень фенотипа, измеряемый поведенческими оценками. В зависимости от модели животного и вопроса научных исследований, выбор мощной и надежной поведенческой тестовой батареи необходим для охвата широкого спектра поведенческих аспектов, таких как для животных моделей болезни Паркинсона и дистонии3,4,5,6.
Седалищный нерв является самым большим нервом в организме человека с двигательными, а также сенсорными волокнами. Травмы седалищного нерва могут легко возникнуть в результате различных событий, таких как дорожно-транспортные происшествия и операции7,8. Поэтому исследовательская деятельность с использованием моделей грызунов с повреждениями седалищного нерва, имеет трансляционно значимое значение. Несмотря на то, что поступательный аспект регенерации нервов от крысы к человеку должен рассматриваться критически9,повреждение седалищного нерва (аксонотмезис) в моделях грызунов является широко используемым методом анализа процессов дегенерации и регенерации периферических нервов10,11. При давящении нерв не полностью перекивается. Он повреждает аксон, в результате чего блокируется проводимость непосредственно после повреждения при раздавливания с последующими регенеративными процессами 4,12,13.
Более того, в исследованиях дистонии одностороннее повреждение седалищного нерва является установленным методом запуска дистонически подобных движений (DLM) в генетически предрасположенных моделях грызунов дистонии, которые не показывают DLM кактаковой4,14. Предполагается, что травма периферического нерва нарушает сенсомоторную интеграцию, воздействуя на седалищные нервные волокна, которые отвечают за двигательные и сенсорные функции15.
Здесь мы приводим подробное описание стандартизированного повреждения седалищного нерва и батарею оценок двигательного поведения, которая состоит из теста в открытом поле (OFT), анализа походки CatWalk XT, задачи ходьбы по балке и задачи ходьбы по лестнице у наивных крыс дикого типа (n = 8-9) и крыс wt через пять недель после одностороннего повреждения седалищного нерва (n = 10). OFT предоставляет информацию об общей двигательной активности, в то время как детальный анализ походки достигается автоматизированной системой анализа походки CatWalk XT. Задача ходьбы по балке используется для оценки координации движений путем оценки времени пересечения луча и количества ошибок размещения стопы. Для анализа производительности походки задача ходьбы по лестничной ступени дает информацию о размещении стопы или лапы и ошибках на горизонтальном аппарате ступеньки лестницы с постоянным, но нерегулярным рисунком ступени.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол поведенческой оценки предоставляет обзор преимуществ и недостатков, а также возможные показания выбранной батареи поведенческого теста в модели грызуна после повреждения седалищного нерва.
Для получения сравнительного исхода повреждения седалищного нерва обязательна последовательная техника раздавливания. Использование незазубрённый зажим (Ultra Fine Hemostat) вместо щипцов может улучшить консистенцию дробления. Используйте тот же зажим, а также то же положение раздавливания, чтобы гарантировать равное сжатие нерва. Исключительное использование зажима для травмы раздавливания и бережное обращение с зажимом улучшает консистенцию. Также выполняйте процедуру давяной травмы с осторожностью. Дополнительное повреждение нерва во время операции, такое как нежелательное вытяжение нерва, может привести к нежелательным побочным эффектам, таким как аутокоутилечение. Поэтому рекомендуется тщательная нервная подготовка, а также введение обезболивающего в течение как минимум двух дней.
Многофакторная оценка двигательного поведения может охарактеризовать фенотип после повреждения нервного раздавливания у крыс на различных уровнях. Мы использовали OFT, анализ походки CatWalk XT, задачу ходьбы по балке и задачу ходьбы по ступеньке лестницы. Слепая экспериментальная процедура и анализ данных экспериментальных групп необходимы для этих экспериментов. Перед оценкой поведения животных акклиматизировали в испытательной комнате в условиях тестирования в течение не менее 30 минут. Все поведенческие тесты, применяемые здесь, имеют то преимущество, что лишение пищи или воды не требуется. Один и тот же групповой набор животных использовался во всех описанных поведенческих тестах. Максимум два различных поведенческих теста в день проводились для каждого животного. Если поведенческие тесты проводятся через равные промежутки времени, обратите внимание на сопоставимую процедуру, например, выполнение теста в том же порядке животных и в одно и то же время суток. Еще одним важным аспектом поведенческого анализа является цикл день-ночь крыс. Рассмотрим обратный цикл день-ночь, чтобы получить более естественный и более высокий уровень активности в дневном цикле (темный цикл). Это должно быть рассмотрено особенно для измерения спонтанного поведения, такого как OFT. В этом эксперименте обратный цикл день-ночь не мог быть реализован, но была обеспечена адекватная акклиматизация к условиям тестирования. Идеальное освещение имеет важное значение для видео с высоким разрешением для задачи ходьбы по лучу и ходьбы по лестнице. Это высокое качество видео не может быть достигнуто при проведении экспериментов в темноте.
Оценка походки требует непрерывного выполнения задачи. Первым важным аспектом непрерывного выполнения задачи является убеждение животных пересечь установку. Чтобы повысить мотивацию, поместите небольшие пищевые гранулы (45 мг) в конце установки. Для того, чтобы животные ознакомились с пищевыми гранулами, гранулы должны быть скормлены им до тестирования. Кроме того, поле для ворот в конце настройки может быть полезным. Установка Подиума уже включает в себя коробку для ворот, но крысы иногда не решаются войти в коробку ворот. Как вариант, можно добавить в коробку ворот небольшую клетку, но домашняя клетка из крыс не помещается в коробку ворот. Дайте крысе привыкнуть в клетке за несколько минут до приобретения. Кроме того, другая крыса из той же домашней клетки может быть помещена в коробку для ворот или в клетку внутри коробки ворот. Следите за тем, чтобы вторая крыса оставалось в коробке и не блокировала вход в стойку ворот. Кроме того, также можно удалить стойку ворот из системы CatWalk и разместить домашнюю клетку крысы в конце дорожки, что позволяет крысе входить на свою «домашнюю территорию» после каждого пробега. Для настройки задачи ходьбы по балке и задачи ходьбы по ступеньке лестницы мы рекомендуем добавить коробку для ворот или домашнюю клетку в конце установки. Чтобы обеспечить согласованность, подиум, задача ходьбы по балке и задача ходьбы по лестничной ступени должны выполняться не реже одного раза в неделю с шестью-десятью пробежками.
Хотя не каждый анализ дал существенные различия в этом исследовании, учтите, что включение генетически модифицированных животных или групп лечения может дать ценные данные, которые могут различать группы из одних и тех же поведенческих тестов.
Повреждение нерва не повлияло на двигательную активность крысы, которая измерялась за пять минут OFT. Анализ походки Catwalk XT является более объективным и чувствительным инструментом для анализа расположения походки, лап и пальца. После интенсивной тренировки крысы учатся переходить дорожку аппарата CatWalk XT к настройкам по умолчанию. Повреждение нерва не снижает способность крыс пересекать дорожку. Автоматическое вычисление различных параметров представляет данные объективно. Дополнительную информацию можно получить с помощью модуля «Интерактивные измерения следа», и действительно, эти анализы дали значительные различия в различных параметрах распространения на носках, длины отпечатка и угла лапы к оси тела, сравнивая крыс с повреждением нервов и без него.
Крыс можно легко обучить для выполнения задачи ходьбы по балке. Различия во времени задержки при пересечении луча и в количестве скольжений ног на шаг поврежденной нервом задней конечности были обнаружены путем сравнения наивных с поврежденными раздавливанием крыс. Недостатком анализа травмированных нервов крыс с задачей ходьбы лучом является размер пучка. В течение первых двух недель после повреждения седалищного нерва крысы нуждаются в помощи, чтобы пересечь луч, поскольку их баланс нарушен. Хотя некоторые крысы могут быть способны пересекать балку, риск травм, вызванных падением, высок. Поэтому животным, раздавленным нервами, следует помогать пересекать луч в течение первых двух недель после повреждения седалищного нерва или дольше, если это необходимо. Тем не менее, трудно сравнивать пробеги с помощью и без нее. Кроме того, двигательный баланс является важным параметром, оцениваемым задачей ходьбы по балке. Мы посчитали, что этот параметр не имеет отношения к нашей модели крысы, раздавливаемой нервами. Поэтому оценки, описанные Ohwatashi et al. и Johansson & Ohlsson, не могли быть использованы, а трассы с неполным траверсом балки были исключены для анализа данных18,19.
Шкала 7 категорий от Metz et al. может анализировать как перецевые, так и задние конечности и различать различные уровни тяжести ошибок всех конечностей во время лестничной ступени ходьбы задачи16,17. Анализируя наиболее заметные ошибки, которые включают категории от 0 до 2, не удалось обнаружить различий ошибок на шаг при сравнении крыс с поврежденным нервом с наивными крысами. Кроме того, латентное время прохождения лестничного аппарата не различало между крысами с поврежденным нервом и наивными крысами. Модели глубокого обучения могут улучшить и ускорить анализ данных о задаче ходьбы по лестнице с помощью автоматизированного подхода.
Важно отметить, что повреждение нерва, а также все описанные поведенческие тесты могут быть легко переведены на мышей, адаптируя настройки и размеры установок. Использование мышей в качестве модельного организма оказывает благотворное влияние на то, что существуют трансгенные модели для многих заболеваний человека.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF DysTract to C.W.I.) и Междисциплинарным центром клинических исследований (IZKF) при Вюрцбургском университете (N-362 to C.W.I.; Z2-CSP3 в L.R.). Кроме того, этот проект получил финансирование от исследовательской и инновационной программы Европейского Союза Horizon 2020 в рамках EJP RD COFUND-EJP N° 825575 (EurDyscover to J.V.) и от Фонда VERUM. Кроме того, C.W.I. финансируется Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий фонд reseach) Project-ID 424778381-TRR 295, Deutsche Stiftung Neurologie и ParkinsonFonds. L.R. дополнительно поддерживается Фондом медицинских разработок Dystonia.
Авторы благодарят Кеали Рём, Веронику Зенгер, Хайке Менцель и Луизу Фрис за их техническую помощь, а также Хельгу Брюннер за уход за животными.
Materials
| Acetic acid, ≥99.8% | Sigma-Aldrich | 33209-1L | |
| Appose ULC skin stapler 35W | Covidien | 8886803712 | |
| Beam | self made | ||
| Bepanthen eye cream | Bayer Vital GmbH | 81552983 | |
| Box for OFT | self made | ||
| Camcorder GC-PX100 | JVC | ||
| Catwalk XT | Noldus | setup and software | |
| Chamber for isofluran | GT-Labortechnik | custom made | |
| Disposable scalpel No. 11 | Feather | 20.001.30.011 | |
| Dräger Vapor 19.3 isoflurane system | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
| Dumont #2 – laminectomy forceps | Fine Science Tools | 11223-20 | |
| Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | super-fine |
| Dustless precision pellets 45 mg | Bio-Serv | F0021 | |
| EthoVision XT | Noldus | setup and software | |
| Forceps 160 mm | Hartenstein | PZ09 | |
| Gas anesthesia mask, rat | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
| Goal box for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
| Hair clipper Magnum 5000 | Wahl GmbH | ||
| Hardened fine scissors | Fine Science Tools | 14090-11 | |
| Heating table | MEDAX | 13801 | |
| Isofluran CP 1ml/ml, 250 ml | cp-pharma | 1214 | prescription needed |
| Kinovea | www.kinovea.org | ||
| Ladder rung walking task apparatus | self made | ||
| Needleholder | KLS Martin | 20-526-14-07 | |
| Octeniderm | Schülke | 118211 | |
| Rimadyl 50 mg/ml, injectable | Zoetis | Carprofen, prescription needed | |
| Rubber band retractors | self made | ||
| Spacer for beam | self made | ||
| Spacer for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
| Suture Silkam 4/0 DS 19 | B. Braun | C0762202 | |
| Ultra fine hemostats (non-serrated clamp) | Fine Science Tools | 13020-12 |
References
- Iannaccone, P. M., Jacob, H. J. Rats. Disease Models & Mechanisms. 2 (5-6), 206-210 (2009).
- Phifer-Rixey, M., Nachman, M. W. Insights into mammalian biology from the wild house mouse Mus musculus. Elife. 4, (2015).
- Musacchio, T., et al. Subthalamic nucleus deep brain stimulation is neuroprotective in the A53T alpha-synuclein Parkinson’s disease rat model. Annals of Neurology. 81 (6), 825-836 (2017).
- Ip, C. W., et al. Tor1a+/- mice develop dystonia-like movements via a striatal dopaminergic dysregulation triggered by peripheral nerve injury. Acta Neuropathologica Communications. 4 (1), 108 (2016).
- Rauschenberger, L., et al. Striatal dopaminergic dysregulation and dystonia-like movements induced by sensorimotor stress in a pharmacological mouse model of rapid-onset dystonia-parkinsonism. Experimental Neurology. 323, 113109 (2020).
- Klein, A., Wessolleck, J., Papazoglou, A., Metz, G. A., Nikkhah, G. Walking pattern analysis after unilateral 6-OHDA lesion and transplantation of foetal dopaminergic progenitor cells in rats. Behavioural Brain Research. 199 (2), 317-325 (2009).
- Kim, D. H., Murovic, J. A., Tiel, R., Kline, D. G. Management and outcomes in 353 surgically treated sciatic nerve lesions. Journal of Neurosurgery. 101 (1), 8-17 (2004).
- Kline, D. G., Kim, D., Midha, R., Harsh, C., Tiel, R. Management and results of sciatic nerve injuries: a 24-year experience. Journal of Neurosurgery. 89 (1), 13-23 (1998).
- Kaplan, H. M., Mishra, P., Kohn, J. The overwhelming use of rat models in nerve regeneration research may compromise designs of nerve guidance conduits for humans. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 26 (8), 226 (2015).
- Bauder, A. R., Ferguson, T. A. Reproducible mouse sciatic nerve crush and subsequent assessment of regeneration by whole mount muscle analysis. Journal of Visualized Experiments. (60), e3606 (2012).
- Savastano, L. E., et al. Sciatic nerve injury: a simple and subtle model for investigating many aspects of nervous system damage and recovery. Journal of Neuroscience Methods. 227, 166-180 (2014).
- Menorca, R. M., Fussell, T. S., Elfar, J. C. Nerve physiology: mechanisms of injury and recovery. Hand Clinics. 29 (3), 317-330 (2013).
- Luis, A. L., et al. Neural cell transplantation effects on sciatic nerve regeneration after a standardized crush injury in the rat. Microsurgery. 28 (6), 458-470 (2008).
- Knorr, S., et al. The evolution of dystonia-like movements in TOR1A rats after transient nerve injury is accompanied by dopaminergic dysregulation and abnormal oscillatory activity of a central motor network. Neurobiology of Disease. , 105337 (2021).
- Quartarone, A., Hallett, M. Emerging concepts in the physiological basis of dystonia. Movement Disorders. 28 (7), 958-967 (2013).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments. (28), e1204 (2009).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115 (2), 169-179 (2002).
- Johansson, B. B., Ohlsson, A. L. Environment, social interaction, and physical activity as determinants of functional outcome after cerebral infarction in the rat. Experimental Neurology. 139 (2), 322-327 (1996).
- Ohwatashi, A., Ikeda, S., Harada, K., Kamikawa, Y., Yoshida, A. Exercise enhanced functional recovery and expression of GDNF after photochemically induced cerebral infarction in the rat. EXCLI Journal. 12, 693-700 (2013).
