Всестороннее понимание изменения походки, вызванного бездействием, у грызунов
Summary
Настоящий протокол описывает трехмерное отслеживание/оценку движения для изображения изменения движения походки крыс после воздействия моделируемой среды неиспользования.
Abstract
Хорошо известно, что неиспользование влияет на нервные системы и что суставные движения изменяются; однако до сих пор неясно, какие результаты должным образом демонстрируют эти характеристики. В настоящем исследовании описывается подход к анализу движения, который использует трехмерную (3D) реконструкцию из видеозахватов. Используя эту технологию, вызванные неиспользованием изменения ходовых характеристик наблюдались у грызунов, подвергающихся воздействию моделируемой среды микрогравитации, разгружая заднюю конечность хвостом. После 2 недель разгрузки крысы ходили по беговой дорожке, и их движения походки были зафиксированы четырьмя камерами с зарядовой связью (ПЗС). Профили 3D-движения были реконструированы и сопоставлены с профилями контрольных субъектов с использованием программного обеспечения для обработки изображений. Реконструированные показатели результатов успешно изобразили различные аспекты искаженного движения походки: гиперэкстензию коленного и голеностопного суставов и более высокое положение тазобедренных суставов во время фазы стойки. Анализ движения полезен по нескольким причинам. Во-первых, он позволяет проводить количественные поведенческие оценки вместо субъективных наблюдений (например, прохождение / неудача в определенных задачах). Во-вторых, после получения фундаментальных наборов данных можно извлечь несколько параметров в соответствии с конкретными потребностями. Несмотря на препятствия для более широкого применения, недостатки этого метода, включая трудоемкость и стоимость, могут быть смягчены путем определения комплексных измерений и экспериментальных процедур.
Introduction
Отсутствие физической активности или неиспользование приводит к ухудшению опорно-двигательного аппарата, такого как атрофия мышц и потеря костноймассы 1 и декондиционирование всего тела2. Более того, в последнее время замечено, что бездействие влияет не только на структурные аспекты опорно-двигательного аппарата, но и на качественные аспекты движения. Например, положение конечностей крыс, подвергшихся воздействию смоделированной среды микрогравитации, отличалось от положения неповрежденных животных даже через 1 месяц после окончания вмешательства 3,4. Тем не менее, мало что было сообщено о дефиците движения, вызванном бездействием. Кроме того, не были полностью определены комплексные характеристики движения износов.
Текущий протокол демонстрирует и обсуждает применение кинематической оценки для визуализации изменений движения, ссылаясь на дефицит движения походки, вызванный неиспользованием у крыс, подвергшихся разгрузке задних конечностей.
Показано, что гиперэкстензии конечностей при ходьбе после смоделированной среды микрогравитации наблюдаются как у человека5, так и у животных 4,6,7,8. Поэтому для универсальности мы сосредоточились на общих параметрах в этом исследовании: углах коленного и голеностопного суставов и вертикальном расстоянии между плюснефаланговым суставом и тазобедренным суставом (примерно эквивалентно высоте бедра) в средней точке фазы стойки (посередине). Кроме того, в ходе обсуждения предлагаются потенциальные области применения кинематической оценки видео.
Серия кинематических анализов может быть эффективной мерой для оценки функциональных аспектов нейронного контроля. Однако, хотя анализ движения был разработан от наблюдения следа или простого измерения на захваченном видео 9,10 до нескольких систем камер 11,12, универсальные методы и параметры еще не установлены. Метод в этом исследовании предназначен для обеспечения этого совместного анализа движения с комплексными параметрами.
В предыдущей работе13 мы попытались проиллюстрировать изменения походки у крыс модели поражения нервов с помощью комплексного видеоанализа. Однако в целом потенциальные результаты анализа движения часто ограничиваются заранее определенными переменными, представленными в рамках анализа. По этой причине в настоящем исследовании более подробно описывается, как включить определяемые пользователем параметры, которые являются широко применимыми. Кинематические оценки с использованием видеоанализа могут иметь дальнейшее применение, если реализованы надлежащие параметры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изменение сред приводит к колебаниям функциональных аспектов и опорно-двигательного аппарата опорно-двигательного аппарата26,27. Аберрации в сократительных структурах или средах могут влиять на функциональные способности, сохраняясь даже после устране…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было частично поддержано Японским обществом содействия науке (JSPS) KAKENHI (No 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) и Японским агентством медицинских исследований и разработок (AMED) (No 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).
