Asymmetrisk Walkway: A Novel Behavioral Assay til at studere Asymmetrisk Locomotion

Summary

Here, we present a protocol to quantify precise stepping in rodents. Cortical and the spinal central pattern generator signals are required for precise foot-placement during obstructed locomotion. We report here the novel constrained walking task that directly examines precise stepping behavior.

Abstract

Adfærdsmæssige assays er almindeligt anvendt til vurdering af sensomotoriske svækkelse i centralnervesystemet (CNS). De mest avancerede metoder til kvantificering bevægeapparatet underskud hos gnavere er at måle små forstyrrelser af ubegrænset gangart overjordiske (f.eks., Manuel BBB score eller automatiseret CatWalk). Imidlertid er kortikale input ikke påkrævet til generering af grundlæggende bevægelse produceret af spinal centrale mønsterparti generator (CPG). Således ubegrænsede walking opgaver teste lokomotoriske underskud på grund af motorisk kortikale værdiforringelse kun indirekte. I denne undersøgelse, foreslår vi en hidtil ukendt, præcis mund- placering lokomotorisk opgave, vurderer kortikale input til spinal CPG. En instrumenteret PEG-vejs blev brugt til at pålægge symmetriske og asymmetriske bevægeapparatet opgaver efterligner lateralized bevægelse underskud. Vi demonstrerer, at skift fra ækvidistante mellem skridtlængde længder på 20% producerer ændringer i forben standpunkt faseegenskaber under bevægelse med prefbegået en fejl skridtlængde. Endvidere foreslår vi, at den asymmetriske passage muliggør målinger af adfærdsmæssige resultater produceret af kortikale styresignaler. Disse foranstaltninger er relevante for vurderingen af ​​værdiforringelse efter kortikal skade.

Introduction

Efter slagtilfælde sygelighed i den overlevende befolkning omfatter grovmotoriske nedskrivninger, der udgør en udfordring for kvantitativ evaluering i både mennesker bogfører slagtilfælde og dyremodeller for neurologisk svækkelse ^1. I kliniske omgivelser, er disse Bevægelseshindrede målt under anvendelse af subjektive kriterier, som er mere følsomme over for alvorlig snarere end moderat nedsat leverfunktion udvises af de fleste patienter. Tilsvarende sådanne subjektive vurderinger af post-skade motorisk adfærd hos dyr er fælles, f.eks., At Basso, Beattie, og Bresnahan (BBB) ​​bevægeapparatet skala metode ^2,3. Mens disse subjektive evalueringsmetoder hjælper oversættelse mellem gangart rehabilitering studier i firbenede dyremodeller og mennesker, er detaljerne i motoriske underskud forbundet med aktiviteten af ​​separate muskelgrupper ikke vurderet. Desuden vurdering af motorens kortikale bidrag til bevægelse, da den formodede synder af motordrevne underskud i hjerneblødning,kan kun opnås indirekte selv ved hjælp af de mest nye automatiserede kvantitative metoder ^4,5, da de er afhængige af åbne felt eller lineære walking opgaver. Disse opgaver kræver ikke cortical bidrag og kan udføres af de neurale mekanismer i rygmarven, dvs det centrale mønsterparti generator (CPG) net, der er sparet i de fleste dyremodeller af neural beskadigelse, f.eks spinalized animals ^{6 -.. 8} . Essential kortikale bidrag til disse spinal mekanismer er blevet eksperimentelt impliceret i opgaver, der kræver forventede posturale justeringer ^{9 og} nåede ^10, samt præcis stepping ^10.

Desuden er de fleste neurologiske skader er asymmetrisk; for eksempel slagtilfælde forårsager hemiparese, dvs. svaghed på den ene side af kroppen, hvilket resulterer i et asymmetrisk gangart ^{11 -. 14.} Asymmetrien af ​​hemiplegisk gangart er produceret af asymmetrisk spatiotemporal muskel aktivering mest markant til udtryk i en forkortelse af extensor-associerede standpunkt fase og forlængelsen af flexor-associerede svingfasen af trinnet cyklus på paretisk side ^15,16. Denne tendens er endnu ikke blevet udforsket tværs af en række lokomotoriske hastigheder hos raske eller paretisk dyr. I den aktuelle undersøgelse anvendte vi analysen af fasevarighed egenskaber ^17, der beskriver forholdet mellem varigheden af sving eller stance faser som en funktion af cyklus varighed i hvert trin. Den opnåede lineær regressionsmodel blev derefter yderligere beskrevet med en analyse af asymmetri i alle lemmer.

Vi rapporterer en roman billig metode til at vurdere aktiviteten af ​​faldende kortikale input i motoren system firbenede dyr på grundlag af en præcis intensivering bevægeapparatet opgave. Denne opgave er designet til at udfordre den motoriske hjernebark ved at pålægge krav til fods placering over en naturlig vifte af walking hastigheder. Desuden, Mund-placering krav er manipuleret til at fortrinsvis udfordre venstre eller højre side af det motoriske system. På en lignende bevægeapparatet opgave, Metz & Whishaw (2009) undersøgte satserne for fiasko, antallet af mistede trin på uregelmæssig rung gangbro, i rotter. Vores metode er gratis for denne tidligere undersøgelse, og det beskriver kvaliteten af fase kontrol "succesfuld" trin ^18.

Protocol

Følgende uddannelse paradigme beskæftiger analysen af ​​fase justeringer af den gennemsnitlige voksne Sprague-Dawley rotte. Sørg for, at protokollen beskrevet heri, er i overensstemmelse med dine institutionelle retningslinier dyr pleje. Alle procedurer i denne undersøgelse blev udført i overensstemmelse med de institutionelle Animal Care og brug Udvalg (IACUC) og Kontoret for Laboratory Animal Welfare (OLAW) på West Virginia University School of Medicine og overholder National Institutes of Health retningslin…

Representative Results

Figur 2 viser analysen af asymmetri i bevægeapparatet opgaver for en enkelt repræsentant emne. Værdierne blev beregnet for alle forhold ved hjælp af ligning 1 og 2 fra alle emner individuelt (figur 2) og fra sammensatte data for 8 Sprague-Dawley-rotter (250 – 400 g, figur 3). Generelt modulation af forben standpunkt fase var mindre for den side, hvortil den bevægelsesevne betingelse var begunstiget (kort ISL), i overensstemmelse med…

Discussion

The rationale for this study was to develop a behavioral task that quantitatively assesses the changes in precise control of asymmetric locomotor behaviors. The existence of the spinal CPG has been functionally demonstrated for some time²⁰, but the anatomical and functional characteristics that describe its mechanism as well as its modulatory inputs from descending or sensory feedback pathways have not been characterized until the past decade^6,21,22. The current consensus is that the intrinsic spina…

Materials

MATLAB® R2013a	MathWorks		Design platform for custom videoa video annotation software
Sony HDR-CX380/B High Definition Handycam	Sony	27-HDRCX330/B	Video acquisition device.
Jif Creamy Peanut Butter – Gluten Free 454 g	J.M. Smucker Company	NA	Food reward stimulus.
Sucrose Tablet – Chocolate 1800 g	TestDiet	1811256	Food reward stimulus.
Manzanita Wood Gnawing Sticks	BioServe	W0016	For presentation of food reward stimulus.