غير المتماثلة ممشى: رواية السلوكية الفحص لدراسة غير المتماثلة الحركة
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
وتستخدم المقايسات السلوكية شيوعا لتقييم الانخفاض في القيمة الحسية في الجهاز العصبي المركزي (CNS). الأساليب الأكثر تطورا لقياس العجز الحركي لدى القوارض هي لقياس الاضطرابات دقيقة من غير المقيد مشية فوق الأرض (على سبيل المثال، درجة BBB اليدوية أو الآلية المنصة). ومع ذلك، لا يطلب من المدخلات القشرية لتوليد الحركة الأساسية التي تنتجها الشوكي مولد النمط المركزي (CPG). وهكذا، والمهام المشي غير المقيدة اختبار العجز الحركي بسبب ضعف المحرك القشرية بشكل غير مباشر فقط. في هذه الدراسة، فإننا نقترح رواية ودقيقة مهمة الحركي القدم المواضع التي يقيم المدخلات القشرية إلى CPG الشوكي. تم استخدام المجهزة الربط بين وسيلة لفرض المهام الحركي متناظرة وغير متناظرة محاكاة عجز حركة lateralized. علينا أن نبرهن على التحولات من مسافة واحدة بين أطوال خطوة من 20٪ تغييرات المنتجات في خصائص المرحلة forelimb الموقف أثناء الحركة مع بريفأخطأ طول الخطوة. وعلاوة على ذلك، نقترح أن الممشى غير المتماثلة يسمح لقياس النتائج السلوكية التي تنتجها إشارات التحكم القشرية. وهذه التدابير ذات الصلة لتقييم الانخفاض بعد الضرر القشرية.
Introduction
ويشمل اعتلال ما بعد السكتة الدماغية بين السكان الباقين على قيد الحياة الإعاقات الحركية التي تشكل تحديا للتقييم الكمي في كل من البشر والحيوان الرد على السكتة الدماغية نماذج من ضعف عصبي 1. في إعداد سريرية، يتم قياس هذه العاهات الحركية باستخدام معايير ذاتية والتي هي أكثر حساسية لضعف شديد بدلا من المعتدلين عرضت من قبل غالبية المرضى. وبالمثل، فإن مثل هذه التقييمات الذاتية من السلوك الحركي بعد الإصابة في الحيوانات شائعة، على سبيل المثال، في باسو، بيتي، وبريسناهان (BBB) على نطاق والحركي طريقة 2،3. في حين أن هذه الأساليب تقييم ذاتية تساعد الترجمة بين دراسات التأهيل مشية في النماذج الحيوانية حيوان من ذوات الأربع والبشر، لا يتم تقييم تفاصيل العجز الحركي المرتبطة بالنشاط من مجموعات العضلات منفصلة. وعلاوة على ذلك، فإن تقييم السيارات مساهمة القشرية إلى الحركة، حيث أن الجاني المزعوم من العجز الحركي في حادث الدماغية،لا يمكن الحصول عليها بشكل غير مباشر حتى باستخدام الأساليب الكمية الأكثر رواية الآلي 4،5، كما أنها تعتمد على حقل مفتوح أو المهام المشي الخطية. هذه المهام لا تتطلب مساهمة القشرية ويمكن القيام بها من قبل الآليات العصبية للحبل الشوكي، الحيوانات أي مولد النمط المركزي (CPG) شبكة التي تدخر في معظم نماذج حيوانية من الضرر العصبي، على سبيل المثال، spinalized 6 – 8 . مساهمة القشرية الأساسية لهذه الآليات في العمود الفقري وقد تورط تجريبيا في المهام التي تتطلب المتوقع تعديلات الوضعي 9 بعد وصوله إلى 10، وكذلك دقة يخطو 10.
وعلاوة على ذلك، فإن معظم الضرر العصبي غير متماثل. على سبيل المثال، والسكتة الدماغية تسبب فالج، أي ضعف على جانب واحد من الجسم، مما يؤدي إلى مشية غير المتماثلة 11 – 14. وينتج عدم التوازن في المشي مفلوج من قبل spatiotempor غير المتماثلةتنشيط العضلات آل يتجلى أهمها في تقصير المرحلة الموقف المرتبط الباسطة وإطالة مرحلة التأرجح المرتبطة العاطف من دورة خطوة على الجانب خزلية 15،16. لم يتم استكشافها هذا الاتجاه عبر مجموعة من سرعات الحركي في الحيوانات السليمة أو خزلية. في الدراسة الحالية، قمنا بتوظيف تحليل المرحلة مدة 17 الخصائص التي تصف العلاقة بين مدة البديل أو موقف مراحل بوصفها وظيفة من مدة دورة في كل خطوة. ثم وصفه نموذج الانحدار الخطي تم الحصول عليها مع تحليل التباين في جميع أطرافه.
نفيدكم طريقة جديدة لتقييم نشاط تنازلي المدخلات القشرية في الجهاز الحركي من الحيوانات ذوات الأربع على أساس مهمة التنقل الحركي دقيقة منخفضة التكلفة. تم تصميم هذه المهمة للطعن في القشرة الحركية من خلال فرض مطالب على وضع القدم على نطاق والطبيعي بسرعة المشي. بالاضافة، يتم التلاعب متطلبات القدم التنسيب للطعن تفضيلي الجانب الأيسر أو الأيمن من الجهاز الحركي. في مهمة مماثلة الحركي، فحص ميتز ويشاو (2009) معدلات الفشل، وعدد من الخطوات غاب على الممشى الدرجة عدم انتظام، في الفئران. أسلوبنا هو مجاني لهذه الدراسة السابقة، وتفاصيل نوعية مراقبة مراحل في "ناجحة" الخطوات 18.
Protocol
Representative Results
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 decade6,21,22. The current consensus is that the intrinsic spina…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Kriss Franklin, Amanda Pollard and Justine Shaffer assisted in animal training and data collection. Sarah Freeman and Alisa Ivanova contributed to data analysis. This study is supported by WVU School of Medicine Start-Up, NIH/NIGMS U54GM104942, and NIH CoBRE P20GM109098.
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. |
References
- Curzon, P., Zhang, M., Radek, R. J., Fox, G. B. . The Behavioral Assessment of Sensorimotor Processes in the Mouse: Acoustic Startle, Sensory Gating, Locomotor Activity, Rotarod, and Beam Walking. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience.. , (2009).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. Graded histological and locomotor outcomes after spinal cord contusion using the NYU weight-drop device versus transection. Experimental Neurology. 139 (2), 244-256 (1996).
- Li, S., Shi, Z., et al. Assessing gait impairment after permanent middle cerebral artery occlusion in rats using an automated computer-aided control system. Behavioural Brain Research. 250, 174-191 (2013).
- Vandeputte, C., Taymans, J. -. M., et al. Automated quantitative gait analysis in animal models of movement disorders. BMC Neuroscience. 11, 92 (2010).
- Yakovenko, S. Chapter 10 – A hierarchical perspective on rhythm generation for locomotor control. Progress in Brain Research. 188, 151-166 (2011).
- Giszter, S. F., Hockensmith, G., Ramakrishnan, A., Udoekwere, U. I. How spinalized rats can walk: biomechanics, cortex and hindlimb muscle scaling – implications for rehabilitation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1198, 279-293 (2010).
- Smith, J. L., Edgerton, V. R., Eldred, E., Zernicke, R. F. The chronic spinalized cat: a model for neuromuscular plasticity. Birth Defects Original Article Series. 19 (4), 357-373 (1983).
- Yakovenko, S., Drew, T. A motor cortical contribution to the anticipatory postural adjustments that precede reaching in the cat. Journal of Neurophysiology. 102 (2), 853-874 (2009).
- Yakovenko, S., Krouchev, N., Drew, T. Sequential Activation of Motor Cortical Neurons Contributes to Intralimb Coordination During Reaching in the Cat by Modulating Muscle Synergies. Journal of Neurophysiology. 105, 388-409 (2011).
- Pizzi, A., Carlucci, G., Falsini, C., Lunghi, F., Verdesca, S., Grippo, A. Gait in hemiplegia: Evaluation of clinical features with the Wisconsin Gait Scale. Journal of Rehabilitation Medicine. 39 (9), 170-174 (2007).
- Bohannon, R. W., Horton, M. G., Wikholm, J. B. Importance of four variables of walking to patients with stroke. International Journal of Rehabilitation Research. 14 (3), 246-250 (1991).
- Richards, C., Malouin, F., Dumas, F., Tardif, D. Gait velocity as an outcome measure of locomotor recovery after stroke. Gait Analysis. Theory and Application. , 355-364 (1995).
- Thaut, M. H., McIntosh, G. C., Rice, R. R. Rhythmic facilitation of gait training in hemiparetic stroke rehabilitation. Journal of the Neurological Sciences. 151, 207-212 (1997).
- Hsu, A. -. L., Tang, P. -. F., Jan, M. -. H. Analysis of impairments influencing gait velocity and asymmetry of hemiplegic patients after mild to moderate stroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (8), 1185-1193 (2003).
- Jansen, K., De Groote, F., Duysens, J., Jonkers, I. Muscle contributions to center of mass acceleration adapt to asymmetric walking in healthy subjects. Gait & Posture. 38 (4), 739-744 (2013).
- Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta physiologica Scandinavica. 521, 1-75 (1983).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (28), 4-7 (2009).
- Hogg, R. V., Ledolter, J. Engineering Statistics. , (1987).
- Brown, T. G. The intrinsic factors in the act of progression in the mammal. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. 84 (572), 308-319 (1911).
- Kiehn, O. Locomotor circuits in the mammalian spinal cord. Annual Review of Neuroscience. 29, 279-306 (2006).
- Blitz, D. M., Nusbaum, M. P. State-dependent presynaptic inhibition regulates central pattern generator feedback to descending inputs. The Journal of Neuroscience. 28 (38), 9564-9574 (2008).
- Martin, J. H., Ghez, C. Red nucleus and motor cortex: parallel motor systems for the initiation and control of skilled movement. Behavioural Brain Research. 28 (1-2), 271-223 (1998).
- Drew, T., Jiang, W., Kably, B., Lavoie, S. Role of the motor cortex in the control of visually triggered gait modifications. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 74 (4), 426-442 (1996).
- Drew, T., Andujar, J. -. E., Lajoie, K., Yakovenko, S. Cortical mechanisms involved in visuomotor coordination during precision walking. Brain Research Reviews. 57 (1), 199-211 (2008).
- 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).
- Uluç, K., Miranpuri, A., Kujoth, G. C., Aktüre, E., Başkaya, M. K. Focal Cerebral Ischemia Model by Endovascular Suture Occlusion of the Middle Cerebral Artery in the Rat. Journal of Visualized Experiments : JoVE. 48, e1978 (2011).
- Hackney, D. B., Finkelstein, S. D., Hand, C. M., Markowitz, R. S., Black, P. Postmortem Magnetic Resonance Imaging of Experimental Spinal Cord Injury Magnetic Resonance Findings versus In Vivo Functional Deficit. Neurosurgery. 35 (6), 1104-1111 (1994).
- Kjaerulff, O., Kiehn, O. Distribution of Networks Generating and Coordinating Locomotor Activity in the Neonatal Rat Spinal Cord In Vitro: A Lesion Study. The Journal of Neuroscience. 16 (18), 5777-5794 (1996).
- Liddell, E. G. T., Phillips, C. G. Striatal and pyramidal lesions in the cat. Brain. 69 (4), 264-279 (1946).
- Beloozerova, I. N., Sirota, M. G. The Role of the Motor Cortex in the Control of Accuracy of Locomotor Movements in the Cat. Journal of Physiology. 461, 1-25 (1993).
- Hill, K. D., Goldie, P. A., Baker, P. A., Greenwood, K. M. Retest reliability of the temporal and distance characteristics of hemiplegic gait using a footswitch system. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (5), 577-583 (1994).
- Hillyer, J. E., Joynes, R. L. A new measure of hindlimb stepping ability in neonatally spinalized rats. Behavioural Brain Research. 202 (2), 291-302 (2009).
