Compréhension globale de l’altération de la démarche induite par l’inactivité chez les rongeurs
Summary
Le présent protocole décrit le suivi/évaluation tridimensionnel des mouvements pour décrire l’altération du mouvement de la démarche des rats après exposition à un environnement de désuétude simulé.
Abstract
Il est bien connu que la désuétude affecte les systèmes neuronaux et que les mouvements articulaires sont altérés; Cependant, les résultats qui présentent correctement ces caractéristiques ne sont toujours pas clairs. La présente étude décrit une approche d’analyse de mouvement qui utilise la reconstruction tridimensionnelle (3D) à partir de captures vidéo. Grâce à cette technologie, des altérations des performances de marche évoquées par la désuétude ont été observées chez des rongeurs exposés à un environnement de microgravité simulé en déchargeant leur membre postérieur par la queue. Après 2 semaines de déchargement, les rats ont marché sur un tapis roulant et leurs mouvements de démarche ont été capturés avec quatre caméras à dispositif à couplage de charge (CCD). Les profils de mouvement 3D ont été reconstruits et comparés à ceux des sujets témoins à l’aide du logiciel de traitement d’image. Les mesures de résultats reconstruites ont réussi à dépeindre des aspects distincts du mouvement de la démarche déformée: hyperextension des articulations du genou et de la cheville et position plus élevée des articulations de la hanche pendant la phase de position. L’analyse de mouvement est utile pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il permet des évaluations comportementales quantitatives au lieu d’observations subjectives (par exemple, réussite / échec dans certaines tâches). Deuxièmement, plusieurs paramètres peuvent être extraits pour répondre à des besoins spécifiques une fois que les ensembles de données fondamentaux sont obtenus. Malgré les obstacles à une application plus large, les inconvénients de cette méthode, y compris l’intensité de la main-d’œuvre et le coût, peuvent être atténués en déterminant des mesures complètes et des procédures expérimentales.
Introduction
Le manque d’activité physique ou la désuétude entraîne la détérioration des effecteurs locomoteurs, tels que l’atrophie musculaire et la perte osseuse1 et le déconditionnement du corps entier2. De plus, il a récemment été remarqué que l’inactivité affecte non seulement les aspects structurels des composants musculo-squelettiques, mais aussi les aspects qualitatifs du mouvement. Par exemple, la position des membres des rats exposés à un environnement de microgravité simulé était différente de celle des animaux intacts, même 1 mois après la fin de l’intervention 3,4. Néanmoins, peu de choses ont été rapportées sur les déficits de mouvement causés par l’inactivité. De plus, les caractéristiques de mouvement globales des détériorations n’ont pas été entièrement déterminées.
Le protocole actuel démontre et discute de l’application de l’évaluation cinématique pour visualiser les altérations du mouvement en se référant aux déficits de mouvement de la démarche évoqués par la désuétude chez les rats soumis au déchargement des membres postérieurs.
Il a été démontré que des hyperextensions des membres en marchant après un environnement de microgravité simulé sont observées à la fois chez l’homme5 et chez l’animal 4,6,7,8. Par conséquent, pour l’universalité, nous nous sommes concentrés sur les paramètres généraux dans cette étude: les angles des articulations du genou et de la cheville et la distance verticale entre l’articulation métatarsophalangienne et la hanche (à peu près équivalente à la hauteur de la hanche) au point médian de la phase de position (médio-stance). En outre, des applications potentielles de l’évaluation cinématique vidéo sont suggérées dans la discussion.
Une série d’analyses cinématiques peut être une mesure efficace pour évaluer les aspects fonctionnels du contrôle neuronal. Cependant, bien que les analyses de mouvement aient été développées à partir de l’observation de l’empreinte ou de la simple mesure sur vidéo capturée9,10 à plusieurs systèmes de caméras11,12, des méthodes et des paramètres universels doivent encore être établis. La méthode utilisée dans cette étude vise à fournir à cette analyse de mouvement articulaire des paramètres complets.
Dans le travail précédent13, nous avons essayé d’illustrer les altérations de la démarche chez des rats modèles de lésions nerveuses à l’aide d’une analyse vidéo complète. Cependant, en général, les résultats potentiels des analyses de mouvement sont souvent limités à des variables prédéterminées fournies dans les cadres d’analyse. Pour cette raison, la présente étude a détaillé comment incorporer des paramètres définis par l’utilisateur qui sont largement applicables. Les évaluations cinématiques utilisant des analyses vidéo peuvent être d’une autre utilité si des paramètres appropriés sont mis en œuvre.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’altération des environnements entraîne des fluctuations des aspects fonctionnels et des composants musculo-squelettiques des systèmes locomoteurs26,27. Les aberrations dans les structures ou les environnements contractiles peuvent affecter les capacités fonctionnelles, persistant même après la résolution des distorsions mécaniques/environnementales19. L’analyse objective du mouvement aide à mesurer quantitativement ces capac…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue en partie par la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) KAKENHI (n° 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) et l’Agence japonaise pour la recherche et le développement médicaux (AMED) (n° 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).
