Кинематика и наземные силы реакции Определение: Демонстрация Количественная опорно-двигательного способностей молодых взрослых, среднего возраста, и пожилые Крысы

1. Предпосылки для Биомеханические Анализы Locomotion Прежде чем приступать при покупке дорогостоящего оборудования, опорно-двигательного анализа и планирования экспериментов, где кинематики и / или кинетической оценки опорно-двигательного будут выполнены, необходимо, чтобы экспериментатор быть знакомы с техническими и практическими аспектами биомеханического анализа, сенсомоторной поведения, оперантного обусловливания животных и обработки / хранения / управления большими объемами цифровых данных. Хотя эти предпосылки показаться очевидным для многих, это только после того, приступая к такого рода эксперименты, в которых слушатели понимают, технические и практические сложности выполнения относительно подробные опорно-двигательного анализа. Авторы рекомендуют, что экспериментаторы записаться на курс дело с вступительной биомеханики, быть знакомым с или нанять кого-нибудь знаком с языком программирования, необходимые для управления данными, а не меньшее значение, проводят значительную взаимодействующих времени, обработки и работы с лабораторными животными. Для понимания анализа движения и сенсомоторной поведенческого анализа в нейробиологии, экспериментаторы называют несколько важных ссылок (см. 1, 4-7). 2. Кинематическая и кинетические испытательная аппаратура Кинематических и кинетических тестирования аппарат, полезный для сбора двусторонних данных, состоит из следующих компонентов (см. "Таблица специфических реагентов и оборудования» для дополнительной информации): Тихая и достаточно размера комнаты (не обязательно звукоизоляцией, хотя и расположен в районе с низким трафиком) Радио поставлять фоновый "шум" ограничить отвлекающие шумы снаружи комнаты к животным Очистить плексигласа, заключенный, плоские поверхности взлетно-посадочной полосы (180 см х 20 см х 60 см) с квадратным отверстием (11 см х 11 см) расположен в центре взлетно-посадочной полосы на равном расстоянии от обоих концов Кусок плексигласа стекла (10,5 см х 10,5 см) Двусторонняя клейкая лента скотч 3M отражающей клейкой ленты для кожи маркеров Дырокол для создания кожи маркеров Isofluorane наркозный аппарат, необходимые для обезболивающим животных для бритья до помещения кожи маркеров Cheerios для поощрения движения животного по длине взлетно-посадочной полосы AMTI HE6X6 forceplate Vicon Motus индивидуальные системы (программное обеспечение, компьютерные и т.д.) 4 видеокамеры (не менее 60 Гц отбора проб) и штативы с соответствующими кабелями разъем 4 камеры установлены галогенные фары обеспечивает оптимальное освещение для подсветки животных темы и отражающие маркеры кожи Соответствующие размеру кадра калибровки или объеме, необходимом для системы Vicon Motus для калибровки х, у, г позиции в значимые меры расстояния 3. Обучение животных До сбора данных, каждое животное должны быть обучены, чтобы пересечь плоской поверхности, заключенная взлетно-посадочной полосы. После получения крыс от соответствующего поставщика животных, животные должны подвергаться акклиматизации в свой новый дом в течение 1 недели. За это время акклиматизации, несколько Cheerios размещаются ежедневно в клетке крысы. Животные пищи ограничивается их требования к техническому обслуживанию энергии для предотвращения ожирения и обеспечить мотивацию для выполнения этой задачи. После этого, каждое животное обрабатывается экспериментатор в течение 10-15 минут в день в течение 1 недели. В этот же период времени, каждое животное помещается в взлетно-посадочной полосы с Cheerios расположен на обоих концах. Как только животное становится знаком с окружающей их средой, они начинают есть овсяные хлопья. Как только животное удобно и ест хлопья внутри взлетно-посадочной полосы, то экспериментатор должен operantly состояние животного для запуска длина взлетно-посадочной полосы для пищевой наградой. Это достигается путем подбрасывания ¼ ваше здоровье на противоположном конце взлетно-посадочной полосы, где крысы позиционируется. Как только крыса съедает это ваше здоровье, другой ¼ ваше здоровье находится на другом конце взлетно-посадочной полосы. Это делается в течение 15-20 минут в день, пока крысы последовательно (> 90% бросков) движется по взлетно-посадочную полосу с постоянной скоростью (то есть без запуска, остановки, разведку, или, не меняя походку), чтобы поесть за ваше здоровье, не скакали / ограничивающий . Крыса должна быть только использованием рыси походки. За кондиционирования животных на этой задачи может привести к животным скакали и ограничивающие эти походки свидетельствуют о животных путешествия> 90 см / с Ограничительная и галопом походки, биомеханики, более трудно интерпретировать по разным причинам (например, ноги приводят критерии включения и т.д.). По нашему опыту, как только крысы последовательно использовать скачущего или ограничивающий походки, это трудно, если не невозможно, чтобы они использовали рыси походкой в ​​то время как в locomoting взлетно-посадочной полосы. Скорости> 90 см / с, редко можно увидеть после того, животное страдает от периферической или центральной нервной системе травмы. Время достижения успешного обучения является вариацииBLE между штаммами и полов у крыс. Вистар, Льюис, Лонг-Эванс, и Sprague-Dawley штаммы способны постоянно пересекать взлетно-посадочной полосы в течение 2 недель от начала подготовку 8. По нашему опыту, Фишера (F-344) крысы, как правило, принимают свыше 4-6 недель, чтобы узнать эту задачу 8. 4. Совместная позиция Маркировка Передних конечностей кинематического анализа ненадежны из-за кожи движение артефакт, введенные путем размещения кожи маркеров на передние конечности который обостряется у видов, как крысы, которые притаились позу 9. Вместо этого, кинематика передние конечности должны быть достигнуты с помощью рентгеновского кинематографа или рентгеноскопии 10-13. Таким образом, задних конечностей совместного размещения маркера только описанные здесь. До сбора данных, каждая крыса должна быть под наркозом не менее 24 часов до начала сбора данных с использованием ингаляционных анестетиков соответствующие (например, isofluorane, 1,5-2% набранных на точность vaporizor) и вводят в кислород через маску, и ключевые топографические анатомические ориентиры должны быть отмечены. Учитывая краткость процедуры, и из-за длительного действия анестетиков не используются, использование устройства потепления животные не должны использоваться для поддержания температуры тела животного. Как только животное под наркозом, задние конечности и спинки, до уровня подвздошных гребни выбрит. Животное помещается в лежачее положение грудины и задних конечностей находятся в положении стоя приблизительный использованием фирмы упаковочного пенопласта для его поддержки. Кожа, закрывающая черепно-самых частей подвздошных гребней, большого вертела бедренной кости, большеберцовой бугристости боковые, предплюсны сустава и дистальной и латеральной 5-й плюсневой отмечен нетоксичных перманентным маркером. Животное оправилась от наркоза. Для временных исследований, периодические анестезии могут потребоваться для бритья задние конечности, тем самым разрешая последующее отражающей размещения маркера (см. ниже). Кроме того, ежедневное выделение ранее помеченные анатомические ориентиры (с помощью той же нетоксичные маркер) потребуется как крысы будет медленно удалять маркеры путем естественного ухода поведения. 5. Запись данных Все камеры представления описаны, чтобы их положение является подходящей и захватив же поле зрения. Каждая камера должна находиться примерно на 60-80 градусов друг к другу. Поле зрения должно включать forceplate в центре и длина взлетно-посадочной полосы достаточно захватить два шага. Калибровка объема помещается в заранее определенные области взлетно-посадочной полосы. Отдельный кадр калибровки объема внутри взлетно-посадочной полосы, с каждого из камеры, в плен. Все калиброванные знаки по длине каждого из полюсов оцифрованы. Только один раз удовлетворительное ошибки в оцифровке будет сделано, можно приступить к экспериментатору сбора опорно-двигательного данных. Эта калибровка шагом является критической до сбора данных. Если калибровка не выполняется точно, или если калибровки не происходит непосредственно перед записью сессии, все полученные данные будут неточными и непригодным для использования. Важно отметить, что, если любой из камер коснулся или перемещен, безопаснее предположить, что калибровка система должна быть повторена. Непосредственно перед размещением животных в взлетно-посадочной полосы, его вес записывается и готовые конические отражающие маркеры кожи (с использованием светоотражающей лентой 3M, см. таблицу) привязаны к заранее определенным чувствовал рисунка на задней конечности топографических ориентиров. Запись веса животного позволит ретроспективный нормализации сухопутных войск реакция на вес тела – важный аспект, если кто-то хочет делать сравнения между группами. Кроме того, измерение массы тела облегчает мониторинг общего состояния здоровья животного в течение всего эксперимента. Маркер размещение только требует надлежащего обращения с животными и не требует обезболивания животного. Если клей на отражающей пленки недостаточно, чтобы придерживаться кожи животного, очень небольшое количество из нетоксичного клея (например, 3M VetBond ткани клей) может быть использован для облегчения присоединения маркером на теле животного. Как только маркеры, размещенные на задних конечностей, экспериментатор должен быть расположен удобно рядом с клавиатурой компьютера и об руку событие маркер, присоединенной через системы Vicon Motus. Использование калиброванных файл в качестве шаблона, несколько файлов производится до записи. Как правило, от 25 до 30 файлы должны быть сохранены. Каждый файл должен называться однозначно. Каждый файл будет представлять один записал запуск животных не регистрируются. Двадцать пять до 30 файлов, необходимых для обеспечения того, чтобы достаточное количество трасс встреча скорости включения критерия (то есть 60-90 см / с) собираются. После достаточного количества файлов создаются экспериментатор может приступить к сбору данных. Электроннойxperimenter должны строке крысы трансфер в пределах взлетно-посадочной полосы, бросая ¼ куски Cheerios на любом конце взлетно-посадочной полосы. При тщательной координации и сроки, событие маркер срабатывает при начале и непосредственно перед завершением крысы успешно завершив пройти вдоль взлетно-посадочной полосы. После изучения грубой силы реакции земли отслеживание, и после записи ли влево или вправо конечностей удар силой пластины, файл будет сохранен и закрыт. Равное число левых и правых конечностей хитов forceplate должны регистрироваться. Процесс записи данных из данного запуска повторяется, пока достаточное количество трасс были записаны. 6. Анализ данных После завершения сбора данных для кинематики и сухопутные силы реакции каждого запуска от каждого животного должна быть оценена по скорости. Использование двух относительно фиксированных маркеров (например, крылья iliums) можно оценить виртуальную точку между маркерами (сделано предварительное при создании файла Vicon Motus шаблона). Прежде чем вычислять скорость этого "виртуальные" точки, маркеры для подвздошной маркеры должны быть оцифрованы. Использование Vicon Motus программного обеспечения, скорость этой виртуальной точки в X-направлении (горизонтальное направление движения) рассчитывается. При этом работает только в пределах данного диапазона скоростей (определяется априорно) используются в окончательный анализ. Мы видим, что животные перемещаются между 60-90 см / с с использованием не противоречащих рыси походки. Минимум 10 работает (5 работает где левая конечность вступает в контакт с силой платформы и 5, где проходит правой конечности вступает в контакт с силой платформы) обязательны для заполнения. Как только приемлемо работает определены для каждого животного, оцифровка оставшихся маркеров кожа должна быть завершена. Чтобы компенсировать движение кожи артефакт за колено, оценка колено позиции рассчитывается с использованием триангуляции (пересечение между двумя кругами 2D кинематики, или пересечение 2 сферах 3D кинематики), как было описано выше. Бедра, колена и скакательного сустава углов, скоростей и ускорений может быть определена. Стойка и качели раз может быть оценена, хотя их точность ограничена основе выборки скорость камеры получить работу. Эти и другие расчеты могут быть выполнены непосредственно (т.е. без экспорта), используя Vicon Motus KineCalc программное обеспечение или данные могут быть экспортированы в ASCII данные и анализируются с помощью настраиваемых процедур в программы, такие как MatLab. Наземные данные сила реакции измеряется и усиливается платформы силу AMTI и собранные в 1200 Гц Vicon Motus. Таким образом, как только наземные данные силы реакции были получены, соответствующий цифровой фильтр применяется для данных с использованием Vicon Motus. Учитывая, что экспериментатор уже определил скорость движения и определили приемлемый запускается после оцифровки соответствующие маркеры кожи, наземные силы реакции данные, которые были собраны одновременно кинематических данных, могут быть проанализированы с помощью Vicon Motus KineCalc прямо или косвенно, с помощью некоторых других настраиваемым программным обеспечением рутину. Различные переменные для сил, в каждой из трех ортогональных направлениях, могут быть рассчитаны. Такие переменные включают максимальную силу, площадь унд кривой (то есть импульс), и т.д. Важно, однако, экспериментатор должен держаться правой и левой конечности данных для каждого запуска каждого животного отдельно. Данные, извлеченные из правой или левой конечности усредняется для каждого животного и используются в качестве представителя данные для этого животного. Затем данные анализируются с помощью соответствующих статистических процедур. 7. Представитель Результаты Чтобы представить полезность этой формы опорно-двигательного анализа, кинематики и сухопутные войска реакции были определены для молодых, среднего возраста, и пожилых самок крыс линии Вистар. Из этого анализа, возрастные различия были обнаружены для самок крыс линии Вистар. В частности, в земле сила реакции анализ показывает, что гериатрической крыс сократили передняя тормозная способность и, как правило, используют свои задние конечности более для боковой стабилизации по сравнению с другими группами животных (рис. 1). Кинематический анализ не выявил статистически значимых различий между группами, хотя и демонстрирует, что кинематика может быть легко записаны практически с любого возраста крысы (рис. 2). Рисунок 1 сухопутных реакция отслеживания взятых из левой конечности молодой. (4 месяца, п = 7), среднего возраста (13-14 месяцев; п = 7) и гериатрического (24 месяцев; п = 5) женский Wistar крысах. Право конечности были похожи. Совершенно очевидно, что гериатрической крысы используют свои передние конечности менее для торможения (* = р <0,05) по сравнению с молодыми и среднего возраста крыс, и гериатрической крыс, как правило, используют свои задние конечности более для боковой стабилизации по сравнению с молодыми крысами (**). Сплошные линии означают, пунктирные линии представляют средний + SE, штриховаялинии представляют означает SE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы видеть большую фигуру. Рисунок 2. Кинематическая цифры палкой для левой конечности молодых, среднего возраста, и пожилых крысах. Придерживайтесь цифры представляют означает движение левой конечности для каждой из групп. Существовали никаких существенных различий между группами животных для совместной угол на этапе цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы видеть большую фигуру.