Инновационная ходовое колесо на основе механизма для повышения производительности Rat Training
Summary
Данное исследование представляет собой инновационный ходовое колесо на основе системы подвижности животных для количественной оценки эффективной тренировки активности у крыс. Крыса дружественный Подопытный построен, используя предопределенный адаптивную кривую ускорения, а также высокая степень корреляции между эффективной скоростью физической нагрузки и объема инфаркта предполагает потенциал Протокола для экспериментов по профилактике инсульта.
Abstract
Данное исследование представляет собой систему подвижности животных, оснащенный позиционирования ходовое колесо (PRW), как способ количественной оценки эффективности физической активности для снижения тяжести последствий инсульта у крыс. Эта система обеспечивает более эффективное обучение животных упражнения, чем коммерчески доступных систем, таких как беговые дорожки и моторизованных ходовых колес (МРО). В отличие от MRW, который может достичь скорости менее 20 м / мин, крысы разрешено работать на стабильной скорости 30 м / мин на более просторные и высокой плотности каучука беговой дорожки, поддерживаемой шириной 15 см акрилового колеса с диаметр 55 см в этой работе. Используя предопределенную адаптивную кривую ускорения, система не только снижает возможность ошибки оператора, но и обучает крыс бегать настойчиво до заданной интенсивности пока не будет достигнута. В качестве способа оценки эффективности тренировок, в режиме реального времени положение крысы обнаруживается четырьмя парами инфракрасных датчиков, развернутых на ходовое колесо. После того,Адаптивная кривая ускорения инициируется с использованием микроконтроллера, то данные, полученные с помощью инфракрасных датчиков, автоматически регистрируют и анализируют на компьютере. Для сравнения, 3 недели обучение проводится на крысах с использованием беговая дорожка, MRW и PRW. После того, как хирургическим путем индукции окклюзия средней мозговой артерии (МСАО), были проведены модифицированные неврологической оценки степени тяжести (mNSS) и тест на наклонной плоскости для оценки неврологического повреждения у крыс. PRW Экспериментально подтверждено, как наиболее эффективным среди таких систем подвижности животных. Кроме того, эффективность упражнений мера, основанная на анализе положения крыс, показали, что существует высокая отрицательная корреляция между эффективной реализации и объема инфаркта, и могут быть использованы для количественной оценки обучения крысы в любом типе экспериментов по снижению повреждения головного мозга.
Introduction
Непрерывно существуют Strokes в качестве финансового бремени для стран всего мира, в результате чего огромное количество пациентов физически и умственно отсталых детей 1, 2. Существует клинические данные позволяют предположить , что регулярные физические упражнения могут улучшить регенерацию нерва и укрепить нервные связи 3, 4, и это также показано , что физические упражнения могут снизить риск заболевания ишемических инсультов 5. При любом беговой дорожке или ходовое колесо в качестве упражнения системы обучения, грызунов, таких как крысы, служить в качестве прокси – сервера для людей для проверки эффективности упражнений в подавляющем большинстве клинических экспериментов 6 – 8. Система тренировки обычно включает в себя обучение крысу в течение определенного периода времени, в течение которого крыса работает на определенной скорости. Таким образом, интенсивность тренировки , как правило , рассчитывается в зависимости от скорости и продолжительности упражнений 6 – 8. Такой же подход применяется коценить количество упражнений, необходимое для нейрофизиологических защиты. Однако экспериментальные упражнения иногда оказывается неэффективным, например, когда крыса спотыкается, падает, или захватывает рельсы , когда они не в состоянии догнать беговой скорости колеса 9 – 11. Само собой разумеется, случаи неэффективного упражнения значительно снижают пользу физических упражнений. Несмотря на то, что нет какой-либо общепризнанной подход в настоящее время для количественного определения эффективных упражнений для уменьшения повреждения головного мозга, уровень эффективных упражнений по-прежнему выступает в качестве объективной оценки для клинических исследований, чтобы проиллюстрировать преимущества упражнения в дисциплине нейрофизиологии.
Там существует ряд ограничений на коммерчески доступных систем мобильности животных , используемых в современных экспериментах по снижению повреждения головного мозга 12. В случае, беговая дорожка, крысы вынуждены работать с помощью электрошока, вызывая тяжелейшие психологическиестресс на животных и , таким образом , вмешательство в конечном нейрофизиологических результатов испытаний 8, 13, 14. Запуск колеса можно разделить на два типа, а именно: добровольные и принудительные. Добровольные ходовые колеса позволяют крыс бегать , естественно, создавая чрезмерную изменчивость из – за различий в физических качеств и способностей 15 крыс, в то время как моторизованные ходовые колеса (МРО) используют мотор для того чтобы повернуть колесо, заставляя крыс бегать. Несмотря также является формой принудительного обучения, МРО накладывает меньше психологического стресса на крыс , чем беговые дорожки 13, 16, 17. Тем не менее, эксперименты с использованием МРО сообщили , что крысы , иногда прерывать упражнение, захватывая рельсы на колее и отказываясь работать на скоростях , превышающих 20 м / мин 9. Эти примеры показывают, что системы подвижности животных, доступных в настоящее время имеют неотъемлемое недостаток, что препятствует эффективной тренировки. Дляобъективные цели обучения крысы, разработка высокоэффективной системы подготовки, но с низким уровнем помех поэтому рассматривается как актуальный вопрос для нейрофизиологических экспериментов физических упражнений.
Данное исследование представляет собой высокоэффективную систему ходовое колесо для экспериментов по снижению тяжести последствий инсульта 11. В дополнение к уменьшению числа факторов помех во время процесса обучения, эта система обнаруживает рабочее положение крысы с использованием инфракрасных датчиков, встроенных в колеса, обеспечивая тем самым более надежную оценку эффективной реализации деятельности. Психологический стресс накладывается традиционными беговыми дорожками и частые упражнения перерывы в МРО как искажают объективность получаемых оценок физических упражнений. Система позиционирования ходовое колесо (PRW), представленные в данном исследовании разработана в попытке свести к минимуму нежелательные помехи, обеспечивая при этом надежную модель обучения для количественной оценки эффективного ехеrcise.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает высокоэффективную систему ходовое колесо для уменьшения тяжести последствий инсульта у животных. В качестве крысиного дружественный испытательный стенд, эта платформа разработана, а таким образом, что стабильная скорость движения может поддерживаться крыс н…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Dr. Jhi-Joung Wang, who is the Vice Superintendent of Education at Chi-Mei Medical Center, and Dr. Chih-Chan Lin from the Laboratory Animal Center, Department of Medical Research, Chi-Mei Medical Center, 901 Zhonghua, Yongkang Dist., Tainan City 701, Taiwan, for providing the shooting venue. They would also like to thank Miss Ling-Yu Tang and Mr. Chung-Ham Wang from the Department of Medical Research, Chi-Mei Medical Center, Tainan, Taiwan, for their valuable assistance in demonstrating the prototype system in real experiments with rats. The author gratefully acknowledges the support provided for this study by the Ministry of Science and Technology (MOST 104- 2218-E-167-001-) of Taiwan.
Materials
| Brushless DC motor | Oriental Motor | BLEM512-GFS | |
| Motor driver | Oriental Motor | BLED12A | |
| Motor reducer | Oriental Motor | GFS5G20 | |
| Speedometer | Oriental Motor | OPX-2A | |
| Treadmill | Columbus Instruments | Exer-6M | |
| Infrared transmitter | Seeed Studio | TSAL6200 | |
| Infrared Receiver | Seeed Studio | TSOP382 | |
| Microcontroller | Silicon Labs | C8051F330 | |
| CCD camera | Canon Inc. | EOS 450D | |
| Image processing software | Adobe Systems Incorporated | ADOBE Photoshop CS5 12.0 | |
| Image analysis | Media Cybernetics | Pro Plus 4.50.29 | |
| Sodium pentobarbital | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA P-3761 | |
| Ketamine | Pfizer (Kent, UK) | 1867-66-9 | |
| Atropine | Taiwan Biotech Co., Ltd. (Taoyuan, Taiwan) | A03BA01 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA X1126 | |
| Buprenorphine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | B9275 | |
| Anesthesia | Sigma Chemical |
Riferimenti
- Mayo, N. E., Wood-Dauphinee, S., Cote, R., Durcan, L., Carlton, J. Activity, participation, and quality of life 6 months poststroke. Arch Phys Med Rehabil. 83 (8), 1035-1042 (2002).
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Horner, R. D., Landsman, P. B., Samsa, G. P., Matchar, D. B. Similar motor recovery of upper and lower-extremities after stroke. Stroke. 25 (6), 1181-1188 (1994).
- Raichlen, D. A., Gordon, A. D. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 6 (6), (2011).
- Trejo, J. L., Carro, E., Torres-Aleman, I. Circulating insulin-like growth factor I mediates exercise-induced increases in the number of new neurons in the adult hippocampus. J Neurosci. 21 (5), 1628-1634 (2001).
- Zhang, F., Wu, Y., Jia, J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance. Neuroscienze. 177, 170-176 (2011).
- Wang, R. Y., Yang, Y. R., Yu, S. M. Protective effects of treadmill training on infarction in rats. Brain Res. 922 (1), 140-143 (2001).
- Ding, Y., et al. Exercise pre-conditioning reduces brain damage in ischemic rats that may be associated with regional angiogenesis and cellular overexpression of neurotrophin. Neuroscienze. 124 (3), 583-591 (2004).
- Li, J., Luan, X. D., Clark, J. C., Rafols, J. A., Ding, Y. C. Neuroprotection against transient cerebral ischemia by exercise pre-conditioning in rats. Brain Res. 26 (4), 404-408 (2004).
- Leasure, J. L., Jones, M. Forced and voluntary exercise differentially affect brain and behavior. Neuroscienze. 156 (3), 456-465 (2008).
- Chen, C. C., et al. A Forced running wheel system with a microcontroller that provides high-intensity exercise training in an animal ischemic stroke model. Braz J Med Biol Res. 47 (10), 858-868 (2014).
- Chen, C. -. C., et al. Improved infrared-sensing running wheel systems with an effective exercise activity indicator. PLoS One. 10 (4), (2015).
- Fantegrossi, W. E., Xiao, W. R., Zimmerman, S. M. Novel technology for modulating locomotor activity as an operant response in the mouse: Implications for neuroscience studies involving "exercise" in rodents. J Neurosci Methods. 212 (2), 338-343 (2013).
- Hayes, K., et al. Forced, not voluntary, exercise effectively induces neuroprotection in stroke. Acta Neuropathol. 115 (3), 289-296 (2008).
- Arida, R. M., Scorza, C. A., da Silva, A. V., Scorza, F. A., Cavalheiro, E. A. Differential effects of spontaneous versus forced exercise in rats on the staining of parvalbumin-positive neurons in the hippocampal formation. Neurosci Lett. 364 (3), 135-138 (2004).
- Waters, R. P., et al. Selection for aerobic capacity affects corticosterone, monoamines and wheel-running activity. Physiol Behav. (4-5), 1044-1054 (2008).
- Ke, Z., Yip, S. P., Li, L., Zheng, X. -. X., Tong, K. -. Y. The effects of voluntary, involuntary, and forced exercises on brain-derived neurotrophic factor and motor function recovery: A rat brain ischemia model. PLoS One. 6 (2), (2011).
- Caton, S. J., et al. Low-carbohydrate high-fat diets in combination with daily exercise in rats: Effects on body weight regulation, body composition and exercise capacity. Physiol Behav. 106 (2), 185-192 (2012).
- . C8051F330/1/2/3/4/5 datasheet Available from: https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F33x.pdf (2006)
- Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
- Chen, J. L., et al. Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats. Stroke. 32 (4), 1005-1011 (2001).
- Chang, M. -. W., Young, M. -. S., Lin, M. -. T. An inclined plane system with microcontroller to determine limb motor function of laboratory animals. J Neurosci Methods. 168 (1), 186-194 (2008).
- Gartshore, G., Patterson, J., Macrae, I. M. Influence of ischemia and reperfusion on the course of brain tissue swelling and blood-brain barrier permeability in a rodent model of transient focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 147 (2), 353-360 (1997).
- Chen, F., et al. Rodent stroke induced by photochemical occlusion of proximal middle cerebral artery: Evolution monitored with MR imaging and histopathology. Eur J Radiol. 63 (1), 68-75 (2007).
- Almenning, I., Rieber-Mohn, A., Lundgren, K. M., Lovvik, T. S., Garnaes, K. K., Moholdt, T. Effects of high intensity interval training and strength training on metabolic, cardiovascular and hormonal outcomes in women with polycystic ovary syndrome: a pilot study. PLoS One. 10 (9), (2015).
- Costigan, S. A., Eather, N., Plotnikoff, R. C., Taaffe, D. R., Lubans, D. R. High-intensity interval training for improving health-related fitness in adolescents: a systematic review and meta-analysis. Br J Sports Med. 49 (19), (2015).
