Umfassendes Verständnis der inaktivitätsinduzierten Gangveränderung bei Nagetieren
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt die dreidimensionale Bewegungsverfolgung/-auswertung zur Darstellung der Veränderung der Gangbewegung von Ratten nach Exposition gegenüber einer simulierten Nichtverwendungsumgebung.
Abstract
Es ist bekannt, dass Nichtgebrauch neuronale Systeme beeinflusst und dass Gelenkbewegungen verändert werden; Welche Ergebnisse diese Eigenschaften richtig aufweisen, ist jedoch noch unklar. Die vorliegende Studie beschreibt einen Bewegungsanalyseansatz, der eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion aus Videoaufnahmen verwendet. Mit dieser Technologie wurden bei Nagetieren beobachtet, die einer simulierten Mikrogravitationsumgebung ausgesetzt waren, indem sie ihre Hinterbeine am Schwanz entladen. Nach 2 Wochen des Entladens gingen die Ratten auf einem Laufband und ihre Gangbewegungen wurden mit vier CCD-Kameras (Charge-Coupled Device) erfasst. Mit der Bildverarbeitungssoftware wurden 3D-Bewegungsprofile rekonstruiert und mit denen von Kontrollpersonen verglichen. Die rekonstruierten Ergebnismessungen stellten erfolgreich verschiedene Aspekte der verzerrten Gangbewegung dar: Hyperextension der Knie- und Sprunggelenke und höhere Position der Hüftgelenke während der Standphase. Die Bewegungsanalyse ist aus mehreren Gründen nützlich. Erstens ermöglicht es quantitative Verhaltensbewertungen anstelle von subjektiven Beobachtungen (z. B. bestanden / nicht bestanden bei bestimmten Aufgaben). Zweitens können mehrere Parameter extrahiert werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen, sobald die grundlegenden Datensätze erhalten sind. Trotz Hürden für eine breitere Anwendung können die Nachteile dieser Methode, einschließlich Arbeitsintensität und Kosten, durch die Festlegung umfassender Messungen und experimenteller Verfahren gemildert werden.
Introduction
Mangelnde körperliche Aktivität oder Nichtgebrauch führt zur Verschlechterung der motorischen Effektoren, wie Muskelschwund und Knochenschwund1 und Ganzkörperdekonditionierung2. Darüber hinaus wurde kürzlich festgestellt, dass Inaktivität nicht nur strukturelle Aspekte der Muskel-Skelett-Komponenten, sondern auch qualitative Aspekte der Bewegung betrifft. Zum Beispiel unterschieden sich die Gliedmaßenpositionen von Ratten, die einer simulierten Mikrogravitationsumgebung ausgesetzt waren, von denen intakter Tiere auch 1 Monat nach Ende der Intervention 3,4. Dennoch wurde wenig über Bewegungsdefizite berichtet, die durch Inaktivität verursacht werden. Auch die umfassenden Bewegungsmerkmale der Verschlechterungen sind nicht vollständig bestimmt.
Das aktuelle Protokoll demonstriert und diskutiert die Anwendung der kinematischen Auswertung zur Visualisierung von Bewegungsänderungen unter Bezugnahme auf Gangbewegungsdefizite, die durch Nichtanwendung bei Ratten hervorgerufen werden, die einer Entladung der Hinterbeine unterzogen wurden.
Es wurde gezeigt, dass Hyperextensionen von Gliedmaßen beim Gehen nach einer simulierten Mikrogravitationsumgebung sowohl bei Menschen5 als auch bei Tierenbeobachtet werden 4,6,7,8. Aus Gründen der Universalität haben wir uns daher in dieser Studie auf allgemeine Parameter konzentriert: Winkel der Knie- und Sprunggelenke und vertikaler Abstand zwischen Metatarsophalangealgelenk und Hüfte (entspricht in etwa der Höhe der Hüfte) am Mittelpunkt der Standphase (Mitte). Darüber hinaus werden in der Diskussion mögliche Anwendungen der videokinematischen Auswertung vorgeschlagen.
Eine Reihe von kinematischen Analysen kann eine wirksame Maßnahme sein, um funktionelle Aspekte der neuronalen Kontrolle zu bewerten. Obwohl Bewegungsanalysen von der Fußabdruckbeobachtung oder einfachen Messung des aufgenommenen Videos9,10 bis hin zu mehreren Kamerasystemen11,12 entwickelt wurden, müssen universelle Methoden und Parameter noch etabliert werden. Die Methode in dieser Studie soll diese Gelenkbewegungsanalyse mit umfassenden Parametern versorgen.
In der vorherigen Arbeit13 haben wir versucht, Gangveränderungen bei Nervenläsionsmodellratten mit umfassender Videoanalyse zu illustrieren. Im Allgemeinen sind die potenziellen Ergebnisse von Bewegungsanalysen jedoch häufig auf vorgegebene Variablen beschränkt, die in den Analyserahmen bereitgestellt werden. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Studie detailliert beschrieben, wie benutzerdefinierte Parameter integriert werden können, die breit anwendbar sind. Kinematische Auswertungen mittels Videoanalysen können bei Implementierung geeigneter Parameter von weiterem Nutzen sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Veränderung von Umgebungen führt zu fluktuierenden funktionellen Aspekten und muskuloskelettalen Komponenten des Bewegungsapparates26,27. Aberrationen in kontraktilen Strukturen oder Umgebungen können die funktionellen Fähigkeiten beeinträchtigen und auch nach Auflösung mechanischer / Umweltverzerrungen bestehen bleiben19. Die objektive Bewegungsanalyse hilft, diese funktionellen Fähigkeiten quantitativ zu messen. Wie oben gezei…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (Nr. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) und der Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) (Nr. 15bk0104037h0002) unterstützt.
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 |
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