Comprensione completa dell'alterazione dell'andatura indotta dall'inattività nei roditori
Summary
Il presente protocollo descrive il tracciamento / valutazione del movimento tridimensionale per rappresentare l’alterazione del movimento dell’andatura dei ratti dopo l’esposizione a un ambiente di disuso simulato.
Abstract
È noto che il disuso colpisce i sistemi neurali e che i movimenti articolari vengono alterati; Tuttavia, quali risultati mostrino correttamente queste caratteristiche non è ancora chiaro. Il presente studio descrive un approccio di analisi del movimento che utilizza la ricostruzione tridimensionale (3D) da acquisizioni video. Utilizzando questa tecnologia, sono state osservate alterazioni evocate dal disuso delle prestazioni di deambulazione nei roditori esposti a un ambiente di microgravità simulato scaricando l’arto posteriore dalla coda. Dopo 2 settimane di scarico, i ratti camminavano su un tapis roulant e i loro movimenti di andatura venivano catturati con quattro telecamere CCD (charge-coupled device). I profili di movimento 3D sono stati ricostruiti e confrontati con quelli dei soggetti di controllo utilizzando il software di elaborazione delle immagini. Le misure di esito ricostruite hanno rappresentato con successo aspetti distinti del movimento distorto dell’andatura: iperestensione delle articolazioni del ginocchio e della caviglia e posizione più elevata delle articolazioni dell’anca durante la fase di posizione. L’analisi del movimento è utile per diversi motivi. In primo luogo, consente valutazioni comportamentali quantitative anziché osservazioni soggettive (ad esempio, superato / fallito in determinati compiti). In secondo luogo, è possibile estrarre più parametri per soddisfare esigenze specifiche una volta ottenuti i set di dati fondamentali. Nonostante gli ostacoli per un’applicazione più ampia, gli svantaggi di questo metodo, tra cui l’intensità e il costo del lavoro, possono essere alleviati determinando misurazioni complete e procedure sperimentali.
Introduction
La mancanza di attività fisica o il disuso porta al deterioramento degli effettori locomotori, come l’atrofia muscolare e la perdita ossea1 e il decondizionamento di tutto il corpo2. Inoltre, è stato recentemente notato che l’inattività influisce non solo sugli aspetti strutturali delle componenti muscolo-scheletriche, ma anche sugli aspetti qualitativi del movimento. Ad esempio, le posizioni degli arti dei ratti esposti a un ambiente di microgravità simulato erano diverse da quelle degli animali intatti anche 1 mese dopo la fine dell’intervento 3,4. Tuttavia, poco è stato riportato sui deficit di movimento causati dall’inattività. Inoltre, le caratteristiche di movimento complete dei deterioramenti non sono state completamente determinate.
L’attuale protocollo dimostra e discute l’applicazione della valutazione cinematica per visualizzare le alterazioni del movimento facendo riferimento ai deficit di movimento dell’andatura evocati attraverso il disuso nei ratti sottoposti a scarico degli arti posteriori.
È stato dimostrato che iperestensioni degli arti nel camminare dopo un ambiente di microgravità simulato sono osservate sia nell’uomo5 che negli animali 4,6,7,8. Pertanto, per l’universalità, ci siamo concentrati sui parametri generali in questo studio: angoli delle articolazioni del ginocchio e della caviglia e distanza verticale tra l’articolazione metatarso-falangea e l’anca (approssimativamente equivalente all’altezza dell’anca) nel punto medio della fase di posizione (midstance). Inoltre, nella discussione vengono suggerite potenziali applicazioni della valutazione cinematica video.
Una serie di analisi cinematiche può essere una misura efficace per valutare gli aspetti funzionali del controllo neurale. Tuttavia, sebbene le analisi del movimento siano state sviluppate dall’osservazione dell’impronta o dalla semplice misurazione su video acquisiti9,10 a sistemi di telecamere multiple11,12, i metodi e i parametri universali devono ancora essere stabiliti. Il metodo in questo studio ha lo scopo di fornire questa analisi congiunta del movimento con parametri completi.
Nel lavoro precedente13, abbiamo cercato di illustrare le alterazioni dell’andatura nei ratti modello di lesione nervosa utilizzando un’analisi video completa. Tuttavia, in generale, i potenziali risultati delle analisi del movimento sono spesso limitati a variabili predeterminate fornite nei quadri di analisi. Per questo motivo, il presente studio ha ulteriormente dettagliato come incorporare parametri definiti dall’utente che sono ampiamente applicabili. Le valutazioni cinematiche mediante analisi video possono essere di ulteriore utilità se vengono implementati parametri adeguati.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’alterazione degli ambienti porta a fluttuazioni degli aspetti funzionali e delle componenti muscolo-scheletriche dei sistemi locomotori26,27. Le aberrazioni nelle strutture o negli ambienti contrattili possono influire sulle capacità funzionali, persistendo anche dopo aver risolto le distorsioni meccaniche/ambientali19. L’analisi oggettiva del movimento aiuta a misurare quantitativamente queste abilità funzionali. Come mostrato sopra, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto in parte dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (n. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) e dall’Agenzia giapponese per la ricerca e lo sviluppo medico (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).
