Uitgebreid begrip van door inactiviteit geïnduceerde gangverandering bij knaagdieren
Summary
Het huidige protocol beschrijft driedimensionale bewegingstracking / evaluatie om de beweging van ratten weer te geven na blootstelling aan een gesimuleerde onbruikomgeving.
Abstract
Het is bekend dat onbruik neurale systemen beïnvloedt en dat gewrichtsbewegingen veranderen; welke uitkomsten deze kenmerken goed vertonen, is echter nog onduidelijk. De huidige studie beschrijft een bewegingsanalysebenadering die gebruik maakt van driedimensionale (3D) reconstructie van video-opnames. Met behulp van deze technologie werden onbruikbare veranderingen van loopprestaties waargenomen bij knaagdieren die werden blootgesteld aan een gesimuleerde microzwaartekrachtomgeving door hun achterste bij hun staart te lossen. Na 2 weken lossen liepen de ratten op een loopband en hun loopbewegingen werden vastgelegd met vier ccd-camera’s (charge-coupled device). 3D-bewegingsprofielen werden gereconstrueerd en vergeleken met die van controlepersonen met behulp van de beeldverwerkingssoftware. De gereconstrueerde uitkomstmaten brachten met succes verschillende aspecten van vervormde loopbewegingen in beeld: hyperextensie van de knie- en enkelgewrichten en hogere positie van de heupgewrichten tijdens de houdingsfase. Bewegingsanalyse is om verschillende redenen nuttig. Ten eerste maakt het kwantitatieve gedragsevaluaties mogelijk in plaats van subjectieve observaties (bijvoorbeeld slagen / falen in bepaalde taken). Ten tweede kunnen meerdere parameters worden geëxtraheerd om aan specifieke behoeften te voldoen zodra de fundamentele datasets zijn verkregen. Ondanks hindernissen voor een bredere toepassing, kunnen de nadelen van deze methode, waaronder arbeidsintensiteit en kosten, worden verlicht door uitgebreide metingen en experimentele procedures te bepalen.
Introduction
Gebrek aan fysieke activiteit of onbruik leidt tot de verslechtering van locomotorische effectoren, zoals spieratrofie en botverlies1 en deconditionering van het hele lichaam2. Bovendien is onlangs opgemerkt dat inactiviteit niet alleen structurele aspecten van musculoskeletale componenten beïnvloedt, maar ook kwalitatieve aspecten van de beweging. De ledemaatposities van ratten die werden blootgesteld aan een gesimuleerde microzwaartekrachtomgeving waren bijvoorbeeld anders dan die van intacte dieren, zelfs 1 maand nadat de interventie 3,4 was geëindigd. Toch is er weinig gerapporteerd over bewegingstekorten veroorzaakt door inactiviteit. Ook zijn uitgebreide bewegingskenmerken van de verslechteringen niet volledig bepaald.
Het huidige protocol demonstreert en bespreekt de toepassing van kinematische evaluatie om bewegingsveranderingen te visualiseren door te verwijzen naar loopbewegingstekorten die worden opgeroepen door onbruik bij ratten die worden onderworpen aan achterwaartse ontlading.
Het is aangetoond dat hyperextensies van ledematen bij het lopen na een gesimuleerde microzwaartekrachtomgeving worden waargenomen, zowel bij mensen5 als bij dieren 4,6,7,8. Daarom hebben we ons voor universaliteit in deze studie gericht op algemene parameters: hoeken van de knie- en enkelgewrichten en verticale afstand tussen het middenvoetsbeentje en de heup (ongeveer gelijk aan de hoogte van de heup) op het middenpunt van de houdingsfase (middenantie). Verder worden mogelijke toepassingen van video kinematische evaluatie voorgesteld in de discussie.
Een reeks kinematische analyses kan een effectieve maatregel zijn om functionele aspecten van neurale controle te beoordelen. Hoewel bewegingsanalyses zijn ontwikkeld van voetafdrukobservatie of eenvoudige meting op vastgelegde video 9,10 tot meerdere camerasystemen11,12, moeten universele methoden en parameters nog worden vastgesteld. De methode in deze studie is bedoeld om deze gezamenlijke bewegingsanalyse te voorzien van uitgebreide parameters.
In het vorige werk13 probeerden we loopveranderingen in zenuwlaesiemodelratten te illustreren met behulp van uitgebreide video-analyse. Over het algemeen zijn de potentiële uitkomsten van bewegingsanalyses echter vaak beperkt tot vooraf bepaalde variabelen die in de analysekaders worden verstrekt. Om deze reden heeft deze studie verder gedetailleerd beschreven hoe door de gebruiker gedefinieerde parameters kunnen worden opgenomen die breed toepasbaar zijn. Kinematische evaluaties met behulp van video-analyses kunnen van verder nut zijn als de juiste parameters worden geïmplementeerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verandering van omgevingen leidt tot fluctuerende functionele aspecten en musculoskeletale componenten van locomotorische systemen26,27. Afwijkingen in contractiele structuren of omgevingen kunnen van invloed zijn op de functionele vermogens en blijven bestaan, zelfs na het oplossen van mechanische/omgevingsvervormingen19. Objectieve bewegingsanalyse helpt om die functionele vaardigheden kwantitatief te meten. Zoals hierboven getoond, is v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (nr. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) en het Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) (nr. 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).
