Асимметричная дорожка: Роман Поведенческая Анализ по изучению Asymmetric 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
Поведенческие анализы обычно используются для оценки сенсомоторных нарушений в центральной нервной системе (ЦНС). Наиболее изощренные методы для количественного дефицита опорно-двигательного аппарата у грызунов является измерение минуту нарушения походки безусловной надземных (например., Руководство оценка BBB или автоматизированная CatWalk). Тем не менее, корковые входы не требуется для генерации основного передвижения производимого спинного центрального генератора шаблона (CPG). Таким образом, непринужденно пешеходные задачи проверки дефицит опорно-двигательного аппарата из-за корковой двигательной недостаточности лишь косвенно. В этом исследовании, мы предлагаем новый, точный футов размещения двигательную задачу, оценивает корковых входов к спинному CPG. Приборами PEG-путь был использован навязать симметричные и асимметричные задачи опорно-двигательного аппарата, имитирующих дефицит латерализованых движения. Мы показываем, что сдвиги от равноудаленных длины между Stride 20% вызывают изменения в передней конечности позиция фазовых характеристик во время передвижения с привдопустил ошибку длина шага. Кроме того, мы предлагаем, что асимметричная дорожки позволяет для измерения поведенческих результатов, полученных с помощью сигналов управления корковых. Эти меры актуальны для оценки обесценения после коркового повреждения.
Introduction
Постинсультная заболеваемость в сохранившихся населения включает в себя грубые нарушения двигательных, которые представляют собой вызов для количественной оценки в обоих людей после инсульта и животных моделей неврологические нарушения 1. В клинической практике эти моторные нарушения оцениваются с использованием субъективных критериев, которые более чувствительны к тяжелой, чем умеренными нарушениями, проявляемой большинства пациентов. Точно такие субъективные оценки поведения после травмы двигателя на животных являются общими, например., То Бассо, Битти и Бреснахан (ВВВ) опорно-двигательного аппарата масштаб метод 2,3. В то время как эти субъективные методы оценки помогают перевод между реабилитации походки исследований в четвероногих животных моделях и у человека, детали дефицита моторных, связанных с активностью отдельных групп мышц не оценивали. Кроме того, оценка вклада двигателя корковой к передвижению, как предполагаемого виновника дефицита двигательной цереброваскулярных аварии,могут быть получены лишь косвенно, даже с использованием самых новых автоматизированных количественных методов 4,5, так как они опираются на открытое поле или линейных пешеходных задач. Эти задачи не требуют кортикального вклад и может быть выполнена с помощью нейронных механизмов спинного мозга, то есть, центральный образец генератора (CPG) сети, который избавлен в большинстве животных моделей нейронной повреждений, например, spinalized животных 6 -.. 8 , Основные корковых вклад в эти спинного механизмов экспериментально вовлечен в задачах, которые требуют корректировки ожидаемых осанкой 9 и 10 идущие, а также точный шагая 10.
Кроме того, большинство неврологические повреждения является асимметричным; Например, инсульт вызывает гемипарез, т.е. слабость на одной стороне тела, что приводит к асимметричному походки 11 -. 14. Асимметрия гемиплегической походкой производится путем асимметричного spatiotemporАктивация мышцы аль наиболее значительно проявляется в сокращении разгибателей ассоциированных фазе позицию и удлинения сгибателей ассоциированных качели фазы шага цикла на паретичной стороны 15,16. Эта тенденция еще не были изучены через диапазоне скоростей локомоторных в здоровых или паретичных животных. В данном исследовании мы использовали анализ длительности фаз характеристик 17, который описывает взаимосвязь между продолжительностью свинг или мировоззренческими фаз в зависимости от продолжительности цикла на каждой стадии. Полученный модель линейной регрессии затем дополнительно описано с анализом асимметрии во всех конечностей.
Мы сообщаем новый метод недорогой для оценки деятельности по убыванию корковых входов в моторной системе четвероногих животных, основанных на точном степпинг опорно-двигательного задания. Эта задача предназначена, чтобы бросить вызов двигателя кору путем наложения требования по размещению ног над естественным диапазоне скоростей пешеходных. К тому жеТребования по колено размещение манипулируют, чтобы преимущественно вызов левую или правую сторону двигательной системы. В подобной задачи опорно-двигательного аппарата, Мец и Уишоу (2009) исследовали цены отказа, количество пропущенных шагов по неправильной дорожке ступеньки, у крыс. Наш метод является дополнением к этой предыдущем исследовании, и детали качества контроля фаз в "успешной" шаги 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).
