Un mécanisme innovant basé sur des roues de course pour l'amélioration de la performance Formation Rat
Summary
Cette étude présente un système innovant de mobilité des animaux à base de roue de roulement pour quantifier une activité d'exercice effectif chez les rats. Un banc d'essai de rat-friendly est construit, en utilisant une courbe d'accélération adaptative prédéfinie, et une forte corrélation entre le taux d'exercice effectif et le volume de l'infarctus suggère le potentiel du protocole pour les expériences de prévention des accidents vasculaires cérébraux.
Abstract
Cette étude présente un système de mobilité des animaux, équipé d'une roue de positionnement de roulement (PRW), en tant que moyen de quantifier l'efficacité d'une activité d'exercice pour réduire la gravité des effets de l'accident vasculaire cérébral chez le rat. Ce système offre une formation d'exercice animale plus efficace que les systèmes disponibles dans le commerce tels que des tapis roulants et des roues de course motorisés (MRWs). Contrairement à une MRW qui ne peut atteindre des vitesses inférieures à 20 m / min, les rats sont autorisés à fonctionner à une vitesse stable de 30 m / min sur une piste plus spacieuse et de caoutchouc haute densité course soutenue par une roue acrylique de 15 cm de large avec un diamètre de 55 cm de ce travail. En utilisant une courbe d'accélération adaptative prédéfini, le système réduit non seulement l'erreur de l'opérateur, mais forme également les rats à courir constamment jusqu'à une intensité spécifiée est atteinte. Comme une façon d'évaluer l'efficacité de l'exercice, la position en temps réel d'un rat est détecté par quatre paires de capteurs infrarouges déployés sur la roue de roulement. une fois qu'uncourbe d'accélération adaptatif est initiée à l'aide d'un micro-contrôleur, les données obtenues par les capteurs infrarouges sont automatiquement enregistrées et analysées dans un ordinateur. A titre de comparaison, trois semaines de formation est effectuée sur des rats en utilisant un tapis roulant, une MRW et une PRW. Après induire chirurgicalement occlusion de l'artère cérébrale moyenne (MCAo), les scores modifiés neurologiques de gravité (MNSs) et un test de plan incliné ont été menées pour évaluer les dommages neurologiques aux rats. PRW est validé expérimentalement comme le plus efficace entre ces systèmes de mobilité des animaux. En outre, une mesure exercice de l'efficacité, basée sur l'analyse de la position de rat, a montré qu'il existe une forte corrélation négative entre l'exercice effectif et le volume de l'infarctus, et peut être utilisée pour quantifier une formation de rat dans tout type de cerveau des expériences de réduction des dommages.
Introduction
Strokes existent en permanence comme un fardeau financier pour les pays à l' échelle mondiale, laissant d' innombrables patients handicapés physiques et mentaux 1, 2. Il existe des preuves cliniques pour suggérer que l' exercice régulier peut améliorer la régénération des nerfs et de renforcer les connexions neuronales 3, 4, et il est également indiqué que l' exercice peut diminuer le risque de souffrir d' accidents vasculaires cérébraux ischémiques 5. Avec soit un tapis roulant ou une roue en cours d'exécution en tant que système de formation d'exercice, les rongeurs, tels que les rats, servir de proxy pour les humains pour tester l'efficacité des exercices dans une grande majorité des expériences cliniques 6 – 8. Un système de formation implique généralement la formation d'un rat pendant une certaine période de temps, au cours de laquelle un rat tourne à une certaine vitesse. Par conséquent, l'intensité d'entraînement est généralement calculé en fonction de la vitesse et de la durée d'exercice 6 – 8. La même approche est appliquée àestimer la quantité d'exercice nécessaire pour la protection neurophysiologique. Cependant, les exercices expérimentaux sont parfois avérés inefficaces, comme quand un trébuche de rat, les chutes, ou saisit les rails une fois qu'ils sont incapables de rattraper la vitesse de roue de roulement 9 – 11. Inutile de dire que les incidents d'exercice inefficaces réduisent de manière significative le bénéfice de l'exercice. Même si il n'y a pas toute approche universellement acceptée actuellement pour quantifier les exercices efficaces pour réduire les lésions cérébrales, le niveau des exercices efficaces tient toujours comme une évaluation objective pour les chercheurs cliniques pour illustrer les bienfaits de l'exercice dans la discipline de la neurophysiologie.
Il existe un certain nombre de limitations disponibles dans le commerce des systèmes de mobilité des animaux utilisés dans les lésions cérébrales des expériences 12 de réduction d'aujourd'hui. Dans un cas de tapis roulant, les rats sont contraints de fonctionner au moyen de chocs électriques, induisant énorme psychologiquele stress sur les animaux et donc des interférences dans le test neurophysiologique résultats finaux 8, 13, 14. roues en cours peuvent être classés en deux types, à savoir volontaires et forcés. Roues de roulement volontaires permettent rats de fonctionner naturellement, créant une variabilité excessive en raison des différences dans les caractéristiques et les capacités physiques 15 des rats, tandis que les roues de course motorisés (MRWs) utilisent un moteur pour faire tourner la roue, ce qui oblige les rats à courir. En dépit d' être aussi une forme de formation forcée, MRWs impose moins de stress psychologique sur les rats que les tapis roulants 13, 16, 17. Cependant, des expériences utilisant MRWs ont rapporté que les rats interrompent parfois l'exercice en saisissant les rails sur la voie de la roue et en refusant de fonctionner à des vitesses supérieures à 20 m / min 9. Ces exemples montrent que les systèmes de mobilité des animaux actuellement disponibles ont un inconvénient inhérent qui inhibe efficacement l'exercice. Pourdes fins de formation de rat objectifs, le développement d'un système de formation très efficace mais avec une faible interférence est donc considérée comme un problème urgent pour les expériences d'exercice neurophysiologiques.
Cette étude présente un système de roue de roulement très efficace pour les expériences sur la réduction de la gravité des effets de la course 11. En plus d'un nombre réduit de facteurs d'interférence lors d'un processus de formation, ce système détecte la position de marche d'un rat en utilisant des capteurs infrarouges intégrés dans la roue, réalisant ainsi une estimation plus fiable de l'activité de l'exercice effectif. Le stress psychologique imposé par des tapis roulants traditionnels et les interruptions d'exercice fréquentes MRWs tant biaiser l'objectivité des estimations d'exercice résultant. Un système de roue de positionnement de roulement (PRW) présenté dans cette étude est développée dans le but de minimiser les interférences indésirables tout en fournissant un modèle de formation fiable pour quantifier exe efficacercice.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole décrit un système de roue de roulement très efficace pour réduire la gravité des effets de l'accident vasculaire cérébral chez les animaux. Comme un banc d'essai de rat-friendly, cette plate-forme est conçue aussi bien d'une manière telle que la vitesse de fonctionnement stable peut être maintenue par des rats à travers un processus en cours au moyen d'une courbe d'accélération adaptative prédéterminée. Dans les systèmes de formation typiques, des vitesses et des durées…
Declarações
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 |
Referências
- 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. Neurociência. 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. Neurociência. 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. Neurociência. 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).
