Asymmetrische Walkway: Roman Behavioral Assay zur Untersuchung Asymmetrische 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
Verhaltenstests werden gewöhnlich für die Beurteilung der sensomotorischen Beeinträchtigung des zentralen Nervensystems (ZNS) verwendet. Die raffiniertesten Methoden zur Quantifizierung Bewegungsdefizite bei Nagetieren soll Minute Störungen unbeschränkte Gangoberirdisch zu messen (z. B. Hand BBB-Score oder automatisierte CatWalk). Jedoch kortikalen Eingänge für die Erzeugung von Grund Beförderung auf dem Rücken zentralen Mustergenerator (CPG) hergestellt erforderlich. So ungezwungen Walking Aufgaben testen Bewegungsdefizite aufgrund von Motor kortikalen Wertminderung nur indirekt. In dieser Studie, schlagen wir eine neue, präzise Fuß-Platzierung Bewegungs Aufgabe, die kortikale Eingänge zum Rücken CPG wertet. Eine instrumentierte peg-Weg wurde verwendet, um symmetrische und asymmetrische Bewegungsaufgaben imitiert lateralisiert Bewegungsdefizite zu verhängen. Wir zeigen, dass Verschiebungen von äquidistanten interSchrittLängen von 20% produzieren Veränderungen in den Vorderbein Standphase Eigenschaften während der Fortbewegung mit prefirrte Schrittlänge. Außerdem schlagen wir vor, dass die asymmetrische Gehweg erlaubt Messungen der Verhaltensergebnisse durch kortikale Steuersignale erzeugt. Diese Maßnahmen sind für die Beurteilung der Wertminderung nach dem kortikalen Schäden relevant.
Introduction
Nach Schlaganfall Morbidität in der überlebenden Bevölkerung enthält grobmotorischen Beeinträchtigungen, die eine Herausforderung für die quantitative Auswertung in beiden Menschen darstellen Post Schlaganfall und Tiermodellen von neurologischen Beeinträchtigungen 1. In der klinischen Einstellung werden diese motorischen Beeinträchtigungen mit subjektiven Kriterien, die mehr empfindlich gegen starke anstatt moderate Wertminderung von der Mehrheit der Patienten zeigten gemessen. In ähnlicher Weise sind solche subjektiven Einschätzungen der posttrauma motorisches Verhalten bei Tieren gemeinsam, z. B. das Basso, Beattie, und Bresnahan (BBB) Bewegungsskala Methode 2,3. Während diese subjektiven Bewertungsmethoden Übersetzung zwischen Gangrehabilitation Studien in Vierbeiner Tiermodellen und Menschen zu helfen, werden die Details der motorische Defizite mit Aktivität aus getrennten Muskelgruppen verbunden sind, nicht beurteilt. Darüber hinaus ist die Bewertung der Kraft kortikalen Beitrag zur Fortbewegung, wie die mutmaßlichen Täter von Kraftdefizit Apoplexie,kann nur erhalten indirekt auch mit den meisten neuen automatisierten quantitativen Methoden 4,5 werden, da sie auf offenem Feld oder lineare Fuß Aufgaben verlassen. Diese Aufgaben erfordern nicht kortikalen Beitrag und kann von den neuronalen Mechanismen des Rückenmarks, das heißt der zentralen Mustergenerator (CPG) Netzwerk, das in den meisten Tiermodellen von Nervenschäden verschont wird, beispielsweise spinalisierten Tiere 6 durchgeführt werden. -. 8 . Wesentliche kortikalen Beitrag zu diesen Rückenmechanismen wurde experimentell in Aufgaben, die erwarteten Haltungsanpassungen 9 und 10 erreichen, sowie präzise Schritt 10 erfordern in Verbindung gebracht.
Darüber hinaus ist den meisten neurologischen Schäden asymmetrische; bewirkt zum Beispiel Schlaganfall hemiparesis dh Schwäche auf einer Seite des Körpers, die in asymmetrischer Gang 11 ergibt. – 14. Die Asymmetrie der hemiplegischen Gangart wird durch asymmetrische spatiotempor hergestelltal Muskelaktivierung am deutlichsten in der Verkürzung des Extensor-assoziierten Standphase und der Verlängerung des Flexor-assoziierten Schwungphase des Schrittzyklus auf der paralytischen Seiten 15,16 manifestiert. Dieser Trend hat sich noch nicht in einer Reihe von Bewegungsgeschwindigkeiten bei gesunden oder paretischen Tieren erforscht. In der aktuellen Studie, verwendeten wir die Analyse von Phasendauer Merkmale 17, die die Beziehung zwischen der Dauer der Schaukel oder Standphase als Funktion der Zyklusdauer in jedem Schritt beschreibt. Das erhaltene lineare Regressionsmodell wurde dann weiter mit einer Analyse der Asymmetrie in allen Gliedern beschrieben.
Berichten wir eine neuartige kostengünstige Methode zur Bestimmung der Aktivität von absteigend kortikalen Eingänge im Motorsystem Vierfüßlers Tiere auf der Grundlage eines präzisen Bewegungsschritt Aufgabe. Diese Aufgabe wird entworfen, um die Motorkortex durch die Einführung Anforderungen an Fußplazierung über einen natürlichen Bereich von Gehgeschwindigkeiten herauszufordern. Außerdem, Fuß-Platzierung Anforderungen werden manipuliert, um den linken oder rechten Seite des Motorsystems bevorzugt herauszufordern. In einer ähnlichen Bewegungsaufgabe, Metz & Whishaw (2009) untersuchte die Ausfallraten, die Anzahl der verpassten Schritte auf unregelmäßige Sprosse Gehweg, bei Ratten. Unsere Methode ist komplementär zu dieser früheren Studie, und es beschreibt die Qualität der Phasensteuerung in "erfolgreichen" Schritte 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).
