Özet

설치류의 비활동으로 인한 보행 변화에 대한 포괄적인 이해

Published: July 06, 2022
doi:

Özet

본 프로토콜은 시뮬레이션된 불사용 환경에 노출된 후 쥐의 보행 동작 변화를 묘사하기 위한 3차원 동작 추적/평가를 설명합니다.

Abstract

사용하지 않으면 신경계에 영향을 미치고 관절 운동이 변경된다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그러나 어떤 결과가 이러한 특성을 적절하게 나타내는지는 여전히 불분명합니다. 본 연구는 비디오 캡처로부터 3차원(3D) 재구성을 활용하는 모션 분석 접근법을 설명한다. 이 기술을 사용하여 꼬리로 뒷다리를 내림으로써 시뮬레이션 된 미세 중력 환경에 노출 된 설치류에서 보행 성능의 불사용으로 유발 된 변화가 관찰되었습니다. 2 주간의 하역 후, 쥐는 러닝 머신을 걸었고, 그들의 보행 동작은 4 개의 전하 결합 장치 (CCD) 카메라로 포착되었습니다. 3D 모션 프로파일을 재구성하고 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 제어 대상의 프로파일과 비교했습니다. 재구성 된 결과 측정은 왜곡 된 보행 동작의 뚜렷한 측면을 성공적으로 묘사했습니다 : 무릎과 발목 관절의 과신 확장 및 자세 단계에서 고관절의 높은 위치. 모션 해석은 여러 가지 이유로 유용합니다. 첫째, 주관적인 관찰 대신 정량적 행동 평가를 가능하게합니다 (예 : 특정 작업의 합격 / 불합격). 둘째, 기본 데이터 세트를 얻은 후 특정 요구에 맞게 여러 매개 변수를 추출 할 수 있습니다. 더 넓은 적용을위한 장애물에도 불구하고, 노동 강도 및 비용을 포함한이 방법의 단점은 포괄적 인 측정 및 실험 절차를 결정함으로써 완화 될 수 있습니다.

Introduction

신체 활동의 부족 또는 사용하지 않으면 근육 위축 및 뼈 손실1 및 전신 컨디셔닝해제2와 같은 운동 이펙터의 악화로 이어집니다. 또한, 최근 비활성은 근골격계 구성 요소의 구조적 측면뿐만 아니라 운동의 질적 측면에도 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 시뮬레이션 된 미세 중력 환경에 노출 된 쥐의 사지 위치는 개입이 끝난 후 1 개월 후에도 손상되지 않은 동물의 사지 위치와 달랐습니다 3,4. 그럼에도 불구하고 비활동으로 인한 운동 장애에 대해서는 거의 보고되지 않았습니다. 또한, 열화의 포괄적 인 운동 특성은 완전히 결정되지 않았다.

현재 프로토콜은 뒷다리 언로딩을 받은 쥐의 미사용으로 인해 유발된 보행 운동 결함을 참조하여 동작 변화를 시각화하기 위한 운동학적 평가의 적용을 시연하고 논의합니다.

시뮬레이션 된 미세 중력 환경 이후 보행시 팔다리의 과신 전은 인간 5 및 동물 4,6,7,8 모두에서 관찰되는 것으로 나타났습니다. 따라서 보편성을 위해이 연구에서는 무릎과 발목 관절의 각도와 자세 단계 (중간)의 중간 지점에서 중족 지간 관절과 엉덩이 사이의 수직 거리 (대략 엉덩이 높이와 동일)와 같은 일반적인 매개 변수에 중점을 두었습니다. 또한 비디오 운동학 평가의 잠재적 응용 프로그램이 토론에서 제안됩니다.

일련의 운동학적 분석은 신경 제어의 기능적 측면을 평가하는 효과적인 척도가 될 수 있습니다. 그러나, 모션 분석이 풋프린트 관찰 또는 캡처된 비디오(9,10)에 대한 간단한 측정으로부터 다수의 카메라 시스템(11, 12)으로 개발되었지만, 보편적인 방법 및 파라미터는 아직 확립되지 않았다. 이 연구의 방법은이 관절 운동 분석에 포괄적 인 매개 변수를 제공하기위한 것입니다.

이전 작업13에서 우리는 포괄적 인 비디오 분석을 사용하여 신경 병변 모델 쥐의 보행 변화를 설명하려고했습니다. 그러나 일반적으로 모션 해석의 잠재적 결과는 종종 해석 프레임워크에 제공된 미리 결정된 변수로 제한됩니다. 이러한 이유로 본 연구에서는 광범위하게 적용 가능한 사용자 정의 매개 변수를 통합하는 방법을 자세히 설명했습니다. 비디오 분석을 사용한 운동학적 평가는 적절한 매개변수가 구현되면 추가로 사용될 수 있습니다.

Protocol

본 연구는 교토 대학 동물 실험위원회 (Med Kyo 14033)의 승인을 받았으며 국립 보건원 지침 (실험실 동물의 관리 및 사용 가이드, 제 8 판)에 따라 수행되었습니다. 7주령의 수컷 Wistar 래트를 본 연구에 사용하였다. 절차 순서를 나타내는 회로도는 보충 파일 1에 제공됩니다. 1. 러닝머신 걷기에 쥐 익히기 참고: 절차에 대한 자세한 내용?…

Representative Results

12마리의 동물을 두 그룹 중 하나에 무작위로 배정하였다: 언로딩 그룹 (UL, n=6) 또는 대조군 (Ctrl, n=6). UL 그룹의 경우, 동물의 뒷다리는 2 주 (UL 기간) 동안 꼬리에 의해 하역 된 반면, Ctrl 그룹 동물은 자유롭게 남겨 두었습니다. 하역 2주 후, UL 군은 Ctrl 군과 비교하여 뚜렷한 보행 패턴을 보였다. 그림 1은 대표 피험자의 정규화 된 관절 궤적을 보여줍니다. 자세 단계에서 UL 그?…

Discussion

환경의 변화는 운동 시스템26,27의 기능적 측면과 근골격계 구성 요소의 변동을 초래합니다. 수축 구조 또는 환경의 수차는 기능적 능력에 영향을 미칠 수 있으며 기계적/환경적 왜곡을 해결한 후에도 지속됩니다19. 객관적인 동작 분석은 이러한 기능적 능력을 정량적으로 측정하는 데 도움이 됩니다. 위에서 볼 수 있듯이 비디오 분석?…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 일본 과학 진흥회 (JSPS) KAKENHI (No. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441)와 일본 의학 연구 개발기구 (AMED) (No. 15bk0104037h0002)의 일부 지원을 받았다.

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

Referanslar

  1. 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).
  2. 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).
  3. Walton, K. Postnatal development under conditions of simulated weightlessness and space flight. Brain Research Reviews. 28 (1-2), 25-34 (1998).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Experimental Neurology. 230 (2), 280-290 (2011).
  12. Zörner, B., et al. Profiling locomotor recovery: Comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-711 (2010).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Bojados, M., Herbin, M., Jamon, M. Kinematics of treadmill locomotion in mice raised in hypergravity. Behavioural Brain Research. 244, 48-57 (2013).
  18. Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: Technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Dupont, E., Canu, M. H., Falempin, M. A 14-day period of hindpaw sensory deprivation enhances the responsiveness of rat cortical neurons. Nörobilim. 121 (2), 433-439 (2003).
  24. Langlet, C., Bastide, B., Canu, M. H. Hindlimb unloading affects cortical motor maps and decreases corticospinal excitability. Experimental Neurology. 237 (1), 211-217 (2012).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

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Bu Makaleden Alıntı Yapın
Tajino, J., Aoyama, T., Kuroki, H., Ito, A. Comprehensive Understanding of Inactivity-Induced Gait Alteration in Rodents. J. Vis. Exp. (185), e63865, doi:10.3791/63865 (2022).

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