Omfattande förståelse för inaktivitetsinducerad gångförändring hos gnagare
Summary
Detta protokoll beskriver tredimensionell rörelsespårning / utvärdering för att skildra gångrörelseförändring hos råttor efter exponering för en simulerad disuse-miljö.
Abstract
Det är välkänt att disuse påverkar neurala system och att gemensamma rörelser förändras; Vilka resultat som korrekt uppvisar dessa egenskaper är dock fortfarande oklart. Den aktuella studien beskriver en rörelseanalysmetod som använder tredimensionell (3D) rekonstruktion från videoinspelningar. Med hjälp av denna teknik observerades engångsframkallade förändringar av gångprestationer hos gnagare som utsattes för en simulerad mikrogravitationsmiljö genom att lossa bakbenet i svansen. Efter 2 veckors lossning gick råttorna på ett löpband och deras gångrörelser fångades med fyra laddningskopplade enheter (CCD) kameror. 3D-rörelseprofiler rekonstruerades och jämfördes med kontrollpersoner som använde bildbehandlingsprogrammet. De rekonstruerade resultatmåtten skildrade framgångsrikt distinkta aspekter av förvrängd gångrörelse: hyperextension av knä- och fotlederna och högre position för höftlederna under hållningsfasen. Rörelseanalys är användbar av flera skäl. För det första möjliggör det kvantitativa beteendeutvärderingar istället för subjektiva observationer (t.ex. godkänd / underkänd i vissa uppgifter). För det andra kan flera parametrar extraheras för att passa specifika behov när de grundläggande datauppsättningarna har erhållits. Trots hinder för bredare tillämpning kan nackdelarna med denna metod, inklusive arbetsintensitet och kostnad, lindras genom att bestämma omfattande mätningar och experimentella förfaranden.
Introduction
Brist på fysisk aktivitet eller användning leder till försämring av lokomotoriska effektorer, såsom muskelatrofi och benförlust1 och helkroppsdekonditionering2. Dessutom har det nyligen märkts att inaktivitet inte bara påverkar strukturella aspekter av muskuloskeletala komponenter utan också kvalitativa aspekter av rörelsen. Till exempel skilde sig extremitetspositionerna hos råttor som utsattes för en simulerad mikrogravitationsmiljö från intakta djur även 1 månad efter att ingreppet slutade 3,4. Ändå har lite rapporterats om rörelseunderskott orsakade av inaktivitet. Dessutom har omfattande rörelseegenskaper hos försämringarna inte fastställts helt.
Det nuvarande protokollet demonstrerar och diskuterar tillämpningen av kinematisk utvärdering för att visualisera rörelseförändringar genom att hänvisa till gångrörelseunderskott som framkallas genom användning hos råttor som utsätts för lossning av bakbenen.
Det har visats att hyperextensioner av lemmar vid promenader efter en simulerad mikrogravitationsmiljö observeras både hos människor5 ochdjur 4,6,7,8. För universalitet fokuserade vi därför på allmänna parametrar i denna studie: vinklar på knä- och fotlederna och vertikalt avstånd mellan metatarsophalangealleden och höften (ungefär motsvarande höftens höjd) vid mittpunkten i hållningsfasen (mittställning). Vidare föreslås potentiella tillämpningar av videokinematisk utvärdering i diskussionen.
En serie kinematiska analyser kan vara en effektiv åtgärd för att bedöma funktionella aspekter av neural kontroll. Men även om rörelseanalyser har utvecklats från fotavtrycksobservation eller enkel mätning på inspelad video9,10 till flera kamerasystem11,12, har universella metoder och parametrar ännu inte fastställts. Metoden i denna studie är avsedd att ge denna gemensamma rörelseanalys omfattande parametrar.
I det tidigare arbetet13 försökte vi illustrera gångförändringar hos nervskadade modellråttor med hjälp av omfattande videoanalys. I allmänhet är dock de potentiella resultaten av rörelseanalyser ofta begränsade till förutbestämda variabler som tillhandahålls i analysramarna. Av denna anledning detaljerade denna studie ytterligare hur man införlivar användardefinierade parametrar som är allmänt tillämpliga. Kinematiska utvärderingar med hjälp av videoanalyser kan vara till ytterligare nytta om korrekta parametrar implementeras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förändring av miljöer leder till fluktuerande funktionella aspekter och muskuloskeletala komponenter i lokomotoriska system26,27. Avvikelser i kontraktila strukturer eller miljöer kan påverka funktionsförmågan och kvarstå även efter upplösning av mekaniska/miljömässiga snedvridningar19. Objektiv rörelseanalys hjälper till att mäta dessa funktionella förmågor kvantitativt. Som visas ovan är videoanalys en kraftfull metod f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes delvis av Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (nr 18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441) och Japan Agency for Medical Research and Development (AMED) (nr 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. 신경과학. 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).
