فهم شامل لتغيير المشية الناجم عن الخمول في القوارض
Summary
يصف هذا البروتوكول تتبع/تقييم الحركة ثلاثي الأبعاد لتصوير تغير حركة مشي الفئران بعد التعرض لبيئة محاكاة عدم الاستخدام.
Abstract
من المعروف جيدا أن عدم الاستخدام يؤثر على الأنظمة العصبية وأن حركات المفاصل تصبح متغيرة. ومع ذلك ، فإن النتائج التي تظهر هذه الخصائص بشكل صحيح لا تزال غير واضحة. تصف هذه الدراسة نهج تحليل الحركة الذي يستخدم إعادة البناء ثلاثي الأبعاد (3D) من لقطات الفيديو. باستخدام هذه التكنولوجيا ، لوحظت تغييرات في أداء المشي بسبب عدم الاستخدام في القوارض المعرضة لبيئة محاكاة الجاذبية الصغرى عن طريق تفريغ أطرافها الخلفية من ذيلها. بعد 2 أسابيع من التفريغ ، سارت الفئران على جهاز المشي ، وتم التقاط حركات مشيتها باستخدام أربع كاميرات جهاز مقترن بالشحن (CCD). تم إعادة بناء ملفات تعريف الحركة 3D ومقارنتها بملفات تعريف عناصر التحكم باستخدام برنامج معالجة الصور. نجحت مقاييس النتائج المعاد بناؤها في تصوير جوانب متميزة من حركة المشية المشوهة: فرط تمدد مفاصل الركبة والكاحل والوضع الأعلى لمفاصل الورك خلال مرحلة الوقوف. تحليل الحركة مفيد لعدة أسباب. أولا ، إنها تمكن من التقييمات السلوكية الكمية بدلا من الملاحظات الذاتية (على سبيل المثال ، النجاح / الفشل في مهام معينة). ثانيا ، يمكن استخراج معلمات متعددة لتناسب احتياجات محددة بمجرد الحصول على مجموعات البيانات الأساسية. على الرغم من العقبات التي تحول دون تطبيقها على نطاق أوسع ، يمكن تخفيف عيوب هذه الطريقة ، بما في ذلك كثافة العمالة والتكلفة ، من خلال تحديد القياسات الشاملة والإجراءات التجريبية.
Introduction
يؤدي نقص النشاط البدني أو عدم الاستخدام إلى تدهور المؤثرات الحركية ، مثل ضمور العضلات وفقدان العظام1 وإزالة تكييف الجسم كله2. علاوة على ذلك ، لوحظ مؤخرا أن الخمول لا يؤثر فقط على الجوانب الهيكلية للمكونات العضلية الهيكلية ولكن أيضا على الجوانب النوعية للحركة. على سبيل المثال ، كانت مواقع أطراف الفئران المعرضة لبيئة محاكاة الجاذبية الصغرى مختلفة عن تلك الخاصة بالحيوانات السليمة حتى بعد شهر 1 من انتهاء التدخل 3,4. ومع ذلك، لم يبلغ إلا عن القليل عن العجز في الحركة الناجم عن عدم النشاط. كما أن خصائص الحركة الشاملة للتدهور لم تحدد بشكل كامل.
يوضح البروتوكول الحالي ويناقش تطبيق التقييم الحركي لتصور تغيرات الحركة من خلال الإشارة إلى عجز حركة المشي الناجم عن عدم الاستخدام في الفئران المعرضة لتفريغ الأطراف الخلفية.
وقد تبين أن فرط تمدد الأطراف في المشي بعد بيئة محاكاة الجاذبية الصغرى لوحظت في كل من البشر5 والحيوانات4،6،7،8. لذلك ، من أجل العالمية ، ركزنا على المعلمات العامة في هذه الدراسة: زوايا مفاصل الركبة والكاحل والمسافة الرأسية بين المفصل المشطي السلامي والورك (أي ما يعادل تقريبا ارتفاع الورك) في النقطة الوسطى من مرحلة الوقوف (الوسط). وعلاوة على ذلك، يقترح في المناقشة تطبيقات محتملة للتقييم الحركي بالفيديو.
قد تكون سلسلة من التحليلات الحركية مقياسا فعالا لتقييم الجوانب الوظيفية للتحكم العصبي. ومع ذلك ، على الرغم من أنه تم تطوير تحليلات الحركة من مراقبة البصمة أو القياس البسيط على الفيديو الملتقط 9,10 إلى أنظمة الكاميرا المتعددة 11,12 ، إلا أنه لم يتم بعد إنشاء طرق ومعلمات عالمية. تهدف الطريقة في هذه الدراسة إلى تزويد تحليل الحركة المشترك هذا بمعلمات شاملة.
في العمل السابق13 ، حاولنا توضيح تغيرات المشي في الفئران نموذج الآفة العصبية باستخدام تحليل فيديو شامل. ومع ذلك ، بشكل عام ، غالبا ما تقتصر النتائج المحتملة لتحليلات الحركة على المتغيرات المحددة مسبقا المقدمة في أطر التحليل. ولهذا السبب، تناولت هذه الدراسة مزيدا من التفصيل لكيفية إدراج بارامترات يحددها المستعملون وقابلة للتطبيق على نطاق واسع. قد تكون التقييمات الحركية باستخدام تحليلات الفيديو ذات فائدة أكبر إذا تم تنفيذ المعلمات المناسبة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تغيير البيئات يؤدي إلى تقلب الجوانب الوظيفية والمكونات العضلية الهيكلية للأنظمة الحركية26,27. قد تؤثر الانحرافات في الهياكل أو البيئات المقلصة على القدرات الوظيفية ، وتستمر حتى بعد حل التشوهات الميكانيكية / البيئية19. يساعد تحليل الحركة الموضوع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة جزئيا من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) KAKENHI (رقم 18H03129 و 21K19709 و 21H03302 و 15K10441) والوكالة اليابانية للبحث والتطوير الطبي (AMED) (رقم 15bk0104037h0002).
Materials
| Adhesive Tape | NICHIBAN CO.,LTD. | SEHA25F | Adhesive tape to secure thread on tails of rats for hindlimb unloading |
| Anesthetic Apparatus for Small Animals | SHINANO MFG CO.,LTD. | SN-487-0T | |
| Auto clicker | N.A. | N.A. | free software available to download to PC (https://www.google.com/search?client=firefox-b-1-d&q=auto+clicker) |
| CCD Camera | Teledyne FLIR LLC | GRAS-03K2C-C | CCD (Charge-Coupled Device) cameras for video capture |
| Cotton Thread | N.A. | N.A. | Thread to hang tails of rats from the ceiling of cage |
| ISOFLURANE Inhalation Solution | Pfizer Japan Inc. | (01)14987114133400 | |
| Joint marker | TOKYO MARUI Co., Ltd | 0.12g BB | 6 mm airsoft pellets that were used as semispherical markers with modification |
| Kine Analyzer | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | Software for analysis |
| Konishi Aron Alpha | TOAGOSEI CO.,LTD. | #31204 | Super glue to attach spherical markers on randmarks of rats |
| Motion Recorder | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | Software for video recording |
| Paint Marker | MITSUBISHI PENCIL CO., LTD | PX-21.13 | Oil based paint marker to mark toes of animals |
| Three-dimensional motion capture apparatus (KinemaTracer for small animals) | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 3D motion analysis system that consists of four cameras (https://www.kicnet.co.jp/solutions/biosignal/animals/kinematracer-for-animal/ or https://micekc.com/en/) |
| Three-dimensional(3D) Calculator | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | Software fo marker tracking |
| Treadmill | MUROMACHI KIKAI CO.,LTD | MK-685 | Treadmill equipped with transparent housing, electrical shocker, and speed control unit |
| Wistar Rats (male, 7-week old) | N.A. | N.A. | Commercially available at experimental animal sources |
References
- Bloomfield, S. A. Changes in musculoskeletal structure and function with prolonged bed rest. Medicine and Science in Sports and Exercise. 29 (2), 197-206 (1997).
- Booth, F. W., Roberts, C. K., Laye, M. J. Lack of exercise is a major cause of chronic diseases. Comprehensive Physiology. 2 (2), 1143-1211 (2012).
- Walton, K. Postnatal development under conditions of simulated weightlessness and space flight. Brain Research Reviews. 28 (1-2), 25-34 (1998).
- Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on locomotor strategy during treadmill locomotion in the rat. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 74 (4), 297-304 (1996).
- Shpakov, A. V., Voronov, A. V. Studies of the effects of simulated weightlessness and lunar gravitation on the biomechanical parameters of gait in humans. Neuroscience and Behavioral Physiology. 48 (2), 199-206 (2018).
- Kawano, F., et al. Tension- and afferent input-associated responses of neuromuscular system of rats to hindlimb unloading and/or tenotomy. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 287 (1), 76-86 (2004).
- Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on interlimb coordination during treadmill locomotion in the rat. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 78 (6), 509-515 (1998).
- Canu, M. H., Falempin, M. Effect of hindlimb unloading on two hindlimb muscles during treadmill locomotion in rats. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 75 (4), 283-288 (1997).
- Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. F. Gait-stance duration as a measure of injury and recovery in the rat sciatic nerve model. Journal of Neuroscience Methods. 52 (1), 47-52 (1994).
- Rui, J., et al. Gait cycle analysis parameters sensitive for functional evaluation of peripheral nerve recovery in rat hind limbs. Annals of Plastic Surgery. 73 (4), 405-411 (2014).
- Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Experimental Neurology. 230 (2), 280-290 (2011).
- Zörner, B., et al. Profiling locomotor recovery: Comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-711 (2010).
- Wang, T., Ito, A., Tajino, J., Kuroki, H., Aoyama, T. 3D kinematic analysis for the functional evaluation in the rat model of sciatic nerve crush injury. Journal of Visualized Experiments. (156), e60267 (2020).
- Canu, M. H., Garnier, C., Lepoutre, F. X., Falempin, M. A 3D analysis of hindlimb motion during treadmill locomotion in rats after a 14-day episode of simulated microgravity. Behavioural Brain Research. 157 (2), 309-321 (2005).
- Gruner, J. A., Altman, J., Spivack, N. Effects of arrested cerebellar development on locomotion in the rat: Cinematographic and electromyographic analysis. Experimental Brain Research. 40 (4), 361-373 (1980).
- Bouët, V., Borel, L., Harlay, F., Gahéry, Y., Lacour, M. Kinematics of treadmill locomotion in rats conceived, born, and reared in a hypergravity field (2 g): Adaptation to 1 g. Behavioural Brain Research. 150 (1-2), 207-216 (2004).
- Bojados, M., Herbin, M., Jamon, M. Kinematics of treadmill locomotion in mice raised in hypergravity. Behavioural Brain Research. 244, 48-57 (2013).
- Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: Technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
- Tajino, J., et al. Discordance in recovery between altered locomotion and muscle atrophy induced by simulated microgravity in rats. Journal of Motor Behavior. 47 (5), 397-406 (2015).
- Liu, x., Gao, X., Tong, J., Yu, L., Xu, M., Zhang, J. Improvement of Osteoporosis in Rats With Hind-Limb Unloading Treated With Pulsed Electromagnetic Field and Whole-Body Vibration. Physical Therapy & Rehabilitation Journal. , (2022).
- Thota, A. K., Watson, S. C., Knapp, E., Thompson, B., Jung, R. Neuromechanical control of locomotion in the rat. Journal of Neurotrauma. 22 (4), 442-465 (2005).
- Canu, M. H., Langlet, C., Dupont, E., Falempin, M. Effects of hypodynamia-hypokinesia on somatosensory evoked potentials in the rat. Brain Research. 978 (1-2), 162-168 (2003).
- Dupont, E., Canu, M. H., Falempin, M. A 14-day period of hindpaw sensory deprivation enhances the responsiveness of rat cortical neurons. Neuroscience. 121 (2), 433-439 (2003).
- Langlet, C., Bastide, B., Canu, M. H. Hindlimb unloading affects cortical motor maps and decreases corticospinal excitability. Experimental Neurology. 237 (1), 211-217 (2012).
- Trinel, D., Picquet, F., Bastide, B., Canu, M. H. Dendritic spine remodeling induced by hindlimb unloading in adult rat sensorimotor cortex. Behavioural Brain Research. 249, 1-7 (2013).
- Alkner, B. A., Norrbrand, L., Tesch, P. A. Neuromuscular adaptations following 90 days bed rest with or without resistance exercise. Aerospace Medicine and Human Performance. 87 (7), 610-617 (2016).
- English, K. L., Bloomberg, J. J., Mulavara, A. P., Ploutz-Snyder, L. L. Exercise countermeasures to neuromuscular deconditioning in spaceflight. Comprehensive Physiology. 10 (1), 171-196 (2020).
- Parks, M. T., Wang, Z., Siu, K. C. Current low-cost video-based motion analysis options for clinical rehabilitation: A systematic review. Physical Therapy. 99 (10), 1405-1425 (2019).
