Kemirgenlerde Hareketsizliğe Bağlı Yürüyüş Değişikliğinin Kapsamlı Anlaşılması
Summary
Mevcut protokol, simüle edilmiş bir kullanım dışı ortama maruz kaldıktan sonra sıçanların yürüme hareketi değişimini göstermek için üç boyutlu hareket izleme / değerlendirmesini açıklamaktadır.
Abstract
Kullanılmamanın sinir sistemlerini etkilediği ve eklem hareketlerinin değiştiği iyi bilinmektedir; ancak, hangi sonuçların bu özellikleri düzgün bir şekilde sergilediği hala belirsizdir. Bu çalışma, video çekimlerinden üç boyutlu (3D) rekonstrüksiyonu kullanan bir hareket analizi yaklaşımını açıklamaktadır. Bu teknolojiyi kullanarak, arka bacaklarını kuyruklarından boşaltarak simüle edilmiş bir mikro yerçekimi ortamına maruz kalan kemirgenlerde yürüme performanslarında kullanılmayan uyandırılmış değişiklikler gözlenmiştir. 2 haftalık boşaltmadan sonra, sıçanlar bir koşu bandında yürüdüler ve yürüyüş hareketleri dört şarj bağlantılı cihaz (CCD) kamerasıyla yakalandı. 3D hareket profilleri yeniden yapılandırıldı ve görüntü işleme yazılımı kullanılarak kontrol nesnelerininkilerle karşılaştırıldı. Yeniden yapılandırılmış sonuç ölçümleri, çarpık yürüyüş hareketinin farklı yönlerini başarıyla tasvir etti: diz ve ayak bileği eklemlerinin hiperekstansiyonu ve duruş aşamasında kalça eklemlerinin daha yüksek pozisyonu. Hareket analizi çeşitli nedenlerden dolayı yararlıdır. İlk olarak, öznel gözlemler yerine nicel davranışsal değerlendirmelere olanak tanır (örneğin, belirli görevlerde başarılı / başarısız). İkincisi, temel veri kümeleri elde edildikten sonra belirli ihtiyaçlara uyacak şekilde birden fazla parametre çıkarılabilir. Daha geniş uygulama için engellere rağmen, bu yöntemin emek yoğunluğu ve maliyet de dahil olmak üzere dezavantajları, kapsamlı ölçümler ve deneysel prosedürler belirlenerek hafifletilebilir.
Introduction
Fiziksel aktivite eksikliği veya kullanılmaması, kas atrofisi ve kemik kaybı1 ve tüm vücut dekondisyonununbozulması gibi lokomotor efektörlerin bozulmasına yol açar 2. Dahası, son zamanlarda hareketsizliğin sadece kas-iskelet sistemi bileşenlerinin yapısal yönlerini değil, aynı zamanda hareketin niteliksel yönlerini de etkilediği fark edilmiştir. Örneğin, simüle edilmiş bir mikro yerçekimi ortamına maruz kalan sıçanların uzuv pozisyonları, müdahaleninsona ermesinden 1 ay sonra bile bozulmamış hayvanlarınkinden farklıydı 3,4. Bununla birlikte, hareketsizliğin neden olduğu hareket açıkları hakkında çok az şey bildirilmiştir. Ayrıca, bozulmaların kapsamlı hareket özellikleri tam olarak belirlenememiştir.
Mevcut protokol, arka bacak boşaltmaya maruz kalan sıçanlarda kullanılmama yoluyla uyandırılan yürüme hareketi açıklarına atıfta bulunarak hareket değişikliklerini görselleştirmek için kinematik değerlendirmenin uygulanmasını göstermektedir ve tartışmaktadır.
Simüle edilmiş bir mikro yerçekimi ortamından sonra yürürken uzuvların hiperekstansiyonunun hem insanlarda5 hem de hayvanlarda 4,6,7,8 gözlendiği gösterilmiştir. Bu nedenle, evrensellik için, bu çalışmada genel parametrelere odaklandık: diz ve ayak bileği eklemlerinin açıları ve metatarsofangeal eklem ile kalça arasındaki dikey mesafe (kabaca kalçanın yüksekliğine eşdeğer) duruş fazının orta noktasında (orta duruş). Ayrıca, tartışmada video kinematik değerlendirmenin potansiyel uygulamaları önerilmektedir.
Bir dizi kinematik analiz, nöral kontrolün fonksiyonel yönlerini değerlendirmek için etkili bir önlem olabilir. Bununla birlikte, hareket analizleri ayak izi gözleminden veya çekilen video 9,10’daki basit ölçümlerden çoklu kamera sistemlerine 11,12’ye kadar geliştirilmiş olmasına rağmen, evrensel yöntemler ve parametreler henüz belirlenmemiştir. Bu çalışmadaki yöntem, bu eklem hareket analizini kapsamlı parametrelerle sağlamayı amaçlamaktadır.
Önceki çalışmada13, kapsamlı video analizi kullanarak sinir lezyonu modeli sıçanlarındaki yürüyüş değişikliklerini göstermeye çalıştık. Bununla birlikte, genel olarak, hareket analizlerinin potansiyel sonuçları genellikle analiz çerçevelerinde sağlanan önceden belirlenmiş değişkenlerle sınırlıdır. Bu nedenle, bu çalışma, geniş çapta uygulanabilir olan kullanıcı tanımlı parametrelerin nasıl dahil edileceğini daha ayrıntılı olarak açıklamıştır. Video analizleri kullanan kinematik değerlendirmeler, uygun parametreler uygulanırsa daha fazla yararlı olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ortamların değişmesi, lokomotor sistemlerin fonksiyonel yönlerinin ve kas-iskelet sistemi bileşenlerinin dalgalanmasına yol açar26,27. Kasılma yapılarındaki veya ortamlarındaki sapmalar, mekanik/çevresel bozulmaları çözdükten sonra bile devam eden fonksiyonel yetenekleri etkileyebilir19. Objektif hareket analizi, bu fonksiyonel yetenekleri nicel olarak ölçmeye yardımcı olur. Yukarıda gösterildiği gibi, video analizi …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Japonya Bilimi Geliştirme Derneği (JSPS) KAKENHI (no. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) ve Japonya Tıbbi Araştırma ve Geliştirme Ajansı (AMED) (no. 15bk0104037h0002) tarafından desteklenmiştir.
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).
