הבנה מקיפה של שינוי הליכה הנגרם על ידי חוסר פעילות במכרסמים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מעקב/הערכה תלת-ממדיים של תנועה כדי לתאר שינוי בתנועת ההליכה של חולדות לאחר חשיפה לסביבה מדומה.
Abstract
זה ידוע היטב כי disuse משפיע על מערכות עצביות וכי תנועות המפרקים משתנים; עם זאת, עדיין לא ברור אילו תוצאות מציגות כראוי מאפיינים אלה. המחקר הנוכחי מתאר גישה של ניתוח תנועה המשתמשת בשחזור תלת-ממדי (3D) מצילומי וידאו. באמצעות טכנולוגיה זו, שינויים שאינם מעוררי שימוש בביצועי הליכה נצפו במכרסמים שנחשפו לסביבת מיקרו-כבידה מדומה על ידי פריקת החלק האחורי שלהם בזנבו. לאחר שבועיים של פריקה, החולדות הלכו על הליכון, ותנועות ההליכה שלהן תועדו באמצעות ארבע מצלמות של מכשירים מצומדים מטען (CCD). פרופילי תנועה תלת-ממדיים שוחזרו והושוו לאלה של נבדקי בקרה באמצעות תוכנת עיבוד התמונה. מדדי התוצאה המשוחזרים הציגו בהצלחה היבטים מובחנים של תנועת הליכה מעוותת: מתיחת יתר של מפרקי הברך והקרסול ומיקום גבוה יותר של מפרקי הירך במהלך שלב העמידה. ניתוח תנועה שימושי מכמה סיבות. ראשית, היא מאפשרת הערכות התנהגותיות כמותיות במקום תצפיות סובייקטיביות (למשל, לעבור/להיכשל במשימות מסוימות). שנית, ניתן לחלץ פרמטרים מרובים כדי שיתאימו לצרכים ספציפיים לאחר קבלת מערכי הנתונים הבסיסיים. למרות מכשולים ליישום רחב יותר, ניתן להקל על החסרונות של שיטה זו, כולל עוצמת העבודה והעלות, על ידי קביעת מדידות מקיפות והליכי ניסוי.
Introduction
חוסר פעילות גופנית או disuse מוביל להידרדרות של אפקטים לוקומוטוריים, כגון ניוון שרירים ואובדן עצם1 ו deconditioning כל הגוף2. יתר על כן, לאחרונה הבחין כי חוסר פעילות משפיע לא רק על היבטים מבניים של מרכיבים שלד-שריר, אלא גם על היבטים איכותיים של התנועה. לדוגמה, מיקומי הגפיים של חולדות שנחשפו לסביבה מדומה של מיקרו-כבידה היו שונים מאלה של בעלי חיים שלמים אפילו חודש לאחר שההתערבות הסתיימהב-3,4. עם זאת, מעט מאוד דווח על ליקויים בתנועה הנגרמים כתוצאה מחוסר פעילות. כמו כן, מאפייני תנועה מקיפים של ההידרדרות לא נקבעו במלואם.
הפרוטוקול הנוכחי מדגים ודן ביישום של הערכה קינמטית כדי להמחיש שינויים בתנועה על ידי התייחסות לליקויים בתנועה בהליכה המתעוררים באמצעות חוסר שימוש בחולדות הנתונות לפריקה אחורית.
הוכח כי הרחבות יתר של גפיים בהליכה לאחר סביבת מיקרו-כבידה מדומה נצפות הן בבני אדם5 והן בבעלי חיים 4,6,7,8. לכן, למען האוניברסליות, התמקדנו בפרמטרים כלליים במחקר זה: זוויות מפרקי הברך והקרסול והמרחק האנכי בין המפרק המטטרסופלנגאלי לירך (שווה בערך לגובה הירך) בנקודה האמצעית של שלב העמידה (אמצע העמידה). יתר על כן, יישומים פוטנציאליים של הערכה קינמטית וידאו מוצעים בדיון.
סדרה של ניתוחים קינמטיים עשויה להיות אמצעי יעיל להערכת היבטים תפקודיים של שליטה עצבית. עם זאת, למרות שניתוחי תנועה פותחו מתצפית טביעת רגל או מדידה פשוטה בווידאושצולם 9,10 למערכות מצלמהמרובות 11,12, שיטות ופרמטרים אוניברסליים טרם נקבעו. השיטה במחקר זה נועדה לספק לניתוח תנועה משותף זה פרמטרים מקיפים.
בעבודה הקודמת13, ניסינו להמחיש שינויים בהליכה בחולדות מודל נגעים עצביים באמצעות ניתוח וידאו מקיף. עם זאת, באופן כללי, התוצאות הפוטנציאליות של ניתוחי תנועה מוגבלות לעתים קרובות למשתנים קבועים מראש המסופקים במסגרות הניתוח. מסיבה זו, המחקר הנוכחי פירט עוד יותר כיצד לשלב פרמטרים המוגדרים על ידי המשתמש החלים באופן כללי. הערכות קינמטיות באמצעות ניתוחי וידאו עשויות להיות שימושיות יותר אם ייושמו פרמטרים מתאימים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שינוי סביבות מוביל לתנודות בהיבטים פונקציונליים וברכיבים שריר-שלד של מערכות לוקומוטוריות26,27. סטיות במבנים או בסביבות כיווץ עלולות להשפיע על יכולות תפקודיות, ולהימשך גם לאחר פתרון עיוותים מכניים/סביבתיים19. ניתוח תנועה אובייקטיבי מסייע למדוד ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך בחלקו על ידי האגודה היפנית לקידום המדע (JSPS) KAKENHI (מס’ 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) והסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי (AMED) (מס’ 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).
