Comprensión integral de la alteración de la marcha inducida por la inactividad en roedores
Summary
El presente protocolo describe el seguimiento/evaluación tridimensional del movimiento para representar la alteración del movimiento de la marcha de las ratas después de la exposición a un entorno de desuso simulado.
Abstract
Es bien sabido que el desuso afecta a los sistemas neuronales y que los movimientos articulares se alteran; sin embargo, aún no está claro qué resultados exhiben adecuadamente estas características. El presente estudio describe un enfoque de análisis de movimiento que utiliza la reconstrucción tridimensional (3D) a partir de capturas de video. Usando esta tecnología, se observaron alteraciones evocadas por el desuso de los rendimientos de caminar en roedores expuestos a un entorno de microgravedad simulado descargando su extremidad posterior por la cola. Después de 2 semanas de descarga, las ratas caminaron en una cinta de correr, y sus movimientos de marcha fueron capturados con cuatro cámaras de dispositivo de carga acoplada (CCD). Los perfiles de movimiento 3D se reconstruyeron y compararon con los de los sujetos de control utilizando el software de procesamiento de imágenes. Las medidas de resultado reconstruidas retrataron con éxito distintos aspectos del movimiento distorsionado de la marcha: hiperextensión de las articulaciones de la rodilla y el tobillo y posición más alta de las articulaciones de la cadera durante la fase de postura. El análisis de movimiento es útil por varias razones. Primero, permite evaluaciones cuantitativas del comportamiento en lugar de observaciones subjetivas (por ejemplo, aprobado / reprobado en ciertas tareas). En segundo lugar, se pueden extraer múltiples parámetros para satisfacer necesidades específicas una vez que se obtienen los conjuntos de datos fundamentales. A pesar de los obstáculos para una aplicación más amplia, las desventajas de este método, incluida la intensidad y el costo de la mano de obra, pueden aliviarse determinando mediciones integrales y procedimientos experimentales.
Introduction
La falta de actividad física o el desuso conduce al deterioro de los efectores locomotores, como la atrofia muscular y la pérdida ósea1 y el desacondicionamiento de todo el cuerpo2. Además, recientemente se ha observado que la inactividad afecta no solo a los aspectos estructurales de los componentes musculoesqueléticos, sino también a los aspectos cualitativos del movimiento. Por ejemplo, las posiciones de las extremidades de las ratas expuestas a un entorno de microgravedad simulado fueron diferentes de las de los animales intactos incluso 1 mes después de que la intervención terminara 3,4. Sin embargo, poco se ha informado sobre los déficits de movimiento causados por la inactividad. Además, las características de movimiento integrales de los deterioros no se han determinado completamente.
El protocolo actual demuestra y discute la aplicación de la evaluación cinemática para visualizar alteraciones del movimiento al referirse a los déficits de movimiento de la marcha evocados por el desuso en ratas sometidas a descarga de extremidades posteriores.
Se ha demostrado que las hiperextensiones de las extremidades al caminar después de un ambiente de microgravedad simulado se observan tanto en humanos5 como en animales 4,6,7,8. Por lo tanto, para la universalidad, nos centramos en los parámetros generales en este estudio: ángulos de las articulaciones de la rodilla y el tobillo y distancia vertical entre la articulación metatarsofalángica y la cadera (aproximadamente equivalente a la altura de la cadera) en el punto medio de la fase de postura (postura media). Además, en la discusión se sugieren posibles aplicaciones de la evaluación cinemática de video.
Una serie de análisis cinemáticos puede ser una medida efectiva para evaluar los aspectos funcionales del control neuronal. Sin embargo, aunque los análisis de movimiento se han desarrollado a partir de la observación de la huella o la simple medición en video capturado9,10 hasta sistemas de múltiples cámaras11,12, aún no se han establecido métodos y parámetros universales. El método en este estudio está destinado a proporcionar este análisis de movimiento articular con parámetros completos.
En el trabajo anterior13, intentamos ilustrar las alteraciones de la marcha en ratas modelo de lesión nerviosa utilizando un análisis de video exhaustivo. Sin embargo, en general, los resultados potenciales de los análisis de movimiento a menudo se limitan a variables predeterminadas proporcionadas en los marcos de análisis. Por esta razón, el presente estudio detalla cómo incorporar parámetros definidos por el usuario que son ampliamente aplicables. Las evaluaciones cinemáticas que utilizan análisis de video pueden ser de mayor utilidad si se implementan los parámetros adecuados.
Protocol
Representative Results
Discussion
La alteración de los ambientes conduce a la fluctuación de los aspectos funcionales y componentes musculoesqueléticos de los sistemas locomotores26,27. Las aberraciones en estructuras o ambientes contráctiles pueden afectar las capacidades funcionales, persistiendo incluso después de resolver distorsiones mecánicas/ambientales19. El análisis de movimiento objetivo ayuda a medir cuantitativamente esas habilidades funcionales. Como se…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue apoyado en parte por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI (no. 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) y la Agencia Japonesa para la Investigación y Desarrollo Médico (AMED) (no. 15bk0104037h0002).
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. Neurosciences. 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).
