בעלות נמוכה ניתוח הילוך עבור פנוטיפים התנהגותיים של מודלים של עכבר של מחלות נוירוסקולריות
Summary
ניתוח טביעת רגל הוא חלופה בעלות נמוכה לניתוח הילוך ההילוך הדיגיטלי עבור החוקרים הפרעות בתנועה של עכברים. בשל המהירות שלה, פשטות, ופוטנציאל האורך, הוא אידיאלי עבור פנוטיפים התנהגותיים של מודלים של העכבר.
Abstract
מדידת תנועה בעלי חיים היא כלי התנהגותי נפוץ המשמש לתיאור הפנוטיפ של מחלה נתונה, פציעה, או מודל התרופה. שיטת בעלות נמוכה של ניתוח הילוך הפגינו כאן הוא מדד פשוט אך יעיל של הפרעות הליכה במודלים murine. עקבות מנותח על ידי ציור כפות הרגליים של העכבר עם צבע הכביסה שאינם רעילים ומאפשר את הנושא ללכת דרך מנהרה על גיליון נייר. העיצוב של מנהרת הבדיקה מנצל את התנהגותו של העכבר הטבעי ואת הזיקה שלהם למקומות קטנים ואפלים. אורך פסיעה, רוחב פסיעה, והתפשטות הבוהן של כל עכבר נמדד בקלות באמצעות סרגל ועיפרון. זוהי שיטה מבוססת היטב ואמינה, ומפיקה מספר מדדים האנלוגיים למערכות דיגיטליות. גישה זו היא רגישה מספיק כדי לזהות שינויים בצעד מוקדם במצגת פנוטיפ, ובגלל הגישה הלא פולשנית שלה, זה מאפשר בדיקה של קבוצות על פני החיים או מצגת פנוטיפים.
Introduction
תנועה דורש תאום נוירולוגי מורכבים והשלד ושריר, ו ליקויים בהיבט אחד של מסלולים מוטוריים יכול לייצר הפרעות הליכה הנצפה1,2. ניתוח הילוך הוא כלי קריטי עבור החוקרים בדיקת מודלים של העכבר משום שהוא מספק נתונים התנהגותיים לכימות על איך מחלה נתונה, פציעה, או השפעות התרופה של התנועה של בעל חיים3. עם זאת, ניתוח הילוך דיגיטלי דורש רכישה של הליכון, מצלמה, ותוכנה משויכת, אשר יכול להיות יקר באופן גמיש עבור חוקרים. ניתוח הילוך משמש לעתים קרובות לסירוגין לעקוב אחר שינויים האורך בתפקוד המנוע, ולכן זה עשוי להיות קשה להצדיק את ההוצאה אם בדרך כלל בשימוש4. למרות שניתוחים סרוקים עשויים לספק מדדים הילוך מפורט יותר מאשר ניתוח טביעת רגל פשוטה, אלה אמצעים מורכבים יותר אינם תמיד נחוצים או רלוונטיים לאפיון של פנוטיפ התנהגותית5.
כאן אנו מציגים שיטה בעלות נמוכה לניתוח טביעת רגל ידנית כחלופה מהירה ורגישה לתוכניות ניתוח הילוך דיגיטלי6,7. ניתוח טביעת רגל ידנית הוכיחה לזהות הבדלים הילוך משמעותי בהמון של מחלת מורטין דגמי4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17, ובמקרה אחד לפחות, שיטה זו בעלות נמוכה זיהתה שינויים בהילוך ש לא אותרו על-ידי תוכנית ניתוח הילוך דיגיטלי משותף12. העלות הכוללת של החומרים הוא נומינלי, והוא יכול להיות מותאם בקלות מודלים אחרים מחקר מכרסם.
בעוד יש הרבה מדדי הילוך שונים מהם ניתן לצייר נתונים, השיטה שאנו מתארים מתמקד בשלושה מדדים ספציפיים: אורך פסיעה, רוחב פסיעה (הידוע “מסלול רוחב”), והבוהן להתפשט. חשוב לציין כי הפרמטרים שיש להעריך צריך להיקבע על בסיס דגם לפי-מודל. שיטה זו של ניתוח הילוך אינו מיועד למדוד פונקציה קוגניטיבית, ולא מומלץ למחקרים הדורשים מדידות ביו-מכניקה מורכבים של הליכה16.
אנו מציגים נתונים התנהגותיים מתוך קבוצה של מודלים לפני ואחרי-סימפטומטי מידול השדרה מקושרים X ו בולבר ניוון שרירים (SBMA), מחלה נוירו-מולקולרית המאופיינת הניוון מוטוריים נוירונים וניוון שרירים. עכברים אלה לפתח בהילוך הדרגתי הילוך כי חופפים עם התחלתה של פנוטיפים אחרים ספציפיים למחלות. זה מדגים את החוקיות ואת הספציפיות של שיטה זו, ומאשרת כי הוא יכול להפלות באופן אמין בין בעלי חיים מושפעים ולא מושפעים.
העכברים ניסיוני במחקר זה היו 2.5 (טרום סימפטומטי) ו 9-חודש (לאחר סימפטומטי) העכברים BAC fxAR121 טרנסגניים על C57BL/6 רקע (nexpt= 12). מודל זה נוצר במעבדה שלנו ומאופיין במלואו כמודל עכבר רב עוצמה של SBMA9. מבני-ממשל לא-טרנסגניים שימשו כפקדים (nctrl= 8). SBMA היא מחלה מוגבלת מין אשר מתבטא לחלוטין אצל זכרים בלבד, כך עכברים זכרים שימשו בלעדית עבור מחקר זה. במהלך התכנון, על החוקרים לקחת בחשבון את השיקולים הלאומיים של הבריאות של המין כמשתנה ביולוגי כדי לקבוע את גודל הקבוצה ואת הקומפוזיציה18.
Protocol
Representative Results
Discussion
באמצעות שיטת ניתוח הליכה בעלות נמוכה שתוארה לעיל, אנו מראים זיהוי מוצלח של מספר פרמטרים של תפקוד הילוך בגילאים שלאחר סימפטומטי במודל העכבר BAC fxAR121 של SBMA. הקטנת אורך פסיעה עקביים עם לימודי SBMA קודמים של דגמי העכבר וחולי האדם9. אנו גם מראים בפעם הראשונה כי יש הבדלים משמעותיים בבוה?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות בבוקר על סיוע לזיהוי בעלי חיים. עבודה זו היתה נתמכת על ידי מענקים של ארה ב. המכון הלאומי לבריאות (R01 7 RF1 AG057264 A.R.L.S. ו C.J.C. ו R01 NS100023 ל-R. L. S) ו ניוון שרירים האגודה (המענק מחקר בסיסי A.R.L.S., פיתוח מענק C.J.C.).
Materials
| Caliper | n/a | n/a | must have markings down to 0.1 mm |
| Craft Glue | E6000 | n/a | |
| Footprint Paint (Tempera Paint) | Artmind | n/a | must be non-toxic |
| Round Barrel Paintbrushes | Symply Simmons | n/a | 0.5 cm diameter |
| Ruler | n/a | n/a | must have markings down to millimeters |
| Scoring Paper (Watercolor Pads) | Canson | n/a | cut to size |
| Tunnel and Goal Chamber | Interstate Plastics | n/a | cut to size |
References
- Clarke, K. A., Still, J. Development and consistency of gait in the mouse. Physiology & Behavior. 73 (1-2), 159-164 (2001).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13, 50 (2015).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Current Protocols in Neuroscience. , (2001).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Exercise induces behavioral recovery and attenuates neurochemical deficits in rodent models of Parkinson’s disease. Neurosciences. 119 (3), 899-911 (2003).
- Pallier, P. N., Drew, C. J., Morton, A. J. The detection and measurement of locomotor deficits in a transgenic mouse model of Huntington’s disease are task- and protocol-dependent: influence of non-motor factors on locomotor function. Brain Research Bulletin. 78 (6), 347-355 (2009).
- Sugimoto, H., Kawakami, K. Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress. Journal of Visualized Experiments. (143), (2019).
- Carter, R. J., et al. Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington’s disease mutation. Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).
- Barlow, C., et al. Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia. Cell. 86 (1), 159-171 (1996).
- Cortes, C. J., et al. Muscle expression of mutant androgen receptor accounts for systemic and motor neuron disease phenotypes in spinal and bulbar muscular atrophy. Neuron. 82 (2), 295-307 (2014).
- D’Hooge, R., et al. Neuromotor alterations and cerebellar deficits in aged arylsulfatase A-deficient transgenic mice. Neuroscience Letters. 273 (2), 93-96 (1999).
- Fernagut, P. O., Diguet, E., Labattu, B., Tison, F. A simple method to measure stride length as an index of nigrostriatal dysfunction in mice. Journal of Neuroscience Methods. 113 (2), 123-130 (2002).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson’s disease or amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).
- Harper, S. Q., et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington’s disease mouse model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (16), 5820-5825 (2005).
- Lin, C. H., et al. Neurological abnormalities in a knock-in mouse model of Huntington’s disease. Human Molecular Genetics. 10 (2), 137-144 (2001).
- Sopher, B. L., et al. Androgen receptor YAC transgenic mice recapitulate SBMA motor neuronopathy and implicate VEGF164 in the motor neuron degeneration. Neuron. 41 (5), 687-699 (2004).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Detection of behavioral impairments correlated to neurochemical deficits in mice treated with moderate doses of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine. Experimental Neurology. 178 (1), 80-90 (2002).
- Wheeler, V. C., et al. Early phenotypes that presage late-onset neurodegenerative disease allow testing of modifiers in Hdh CAG knock-in mice. Human Molecular Genetics. 11 (6), 633-640 (2002).
- Clayton, J. A., Collins, F. S. Policy: NIH to balance sex in cell and animal studies. Nature. 509 (7500), 282-283 (2014).
- Maricelli, J. W., Lu, Q. L., Lin, D. C., Rodgers, B. D. Trendelenburg-Like Gait, Instability and Altered Step Patterns in a Mouse Model for Limb Girdle Muscular Dystrophy 2i. PLoS One. 11 (9), e0161984 (2016).
- Castelhano-Carlos, M. J., Sousa, N., Ohl, F., Baumans, V. Identification methods in newborn C57BL/6 mice: a developmental and behavioural evaluation. Lab Animals. 44 (2), 88-103 (2010).
- Lakes, E. H., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations. Osteoarthritis Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).
