Un mecanismo basado en la rueda de funcionamiento innovador para mejorar el rendimiento de formación de la rata
Summary
Este estudio presenta un innovador sistema de movilidad de los animales a base de rueda para correr para cuantificar una actividad de ejercicio efectivo en ratas. Un banco de pruebas de rata está construido, utilizando una curva de aceleración predefinida de adaptación, y una alta correlación entre el tipo de ejercicio efectivo y el volumen del infarto sugiere el potencial del protocolo para los experimentos de prevención del accidente cerebrovascular.
Abstract
Este estudio presenta un sistema de movilidad animal, equipado con una rueda de posicionamiento de rodadura (PRW), como una manera de cuantificar la eficacia de una actividad de ejercicio para reducir la gravedad de los efectos de la apoplejía en ratas. Este sistema proporciona el entrenamiento físico de los animales más eficaz que los sistemas disponibles comercialmente, tales como cintas de correr y ruedas de rodadura motorizados (MRWs). En contraste con un MRW que sólo pueden alcanzar velocidades por debajo de 20 m / min, las ratas se les permite funcionar a una velocidad estable de 30 m / min en una pista más amplia y caucho en marcha de alta densidad con el apoyo de un 15 cm de ancho rueda de acrílico con un diámetro de 55 cm de este trabajo. Usando una curva de aceleración predefinida de adaptación, el sistema no sólo reduce el error del operador, sino también entrena a las ratas para ejecutar persistentemente hasta que se alcanza una intensidad especificada. Como una manera de evaluar la eficacia del ejercicio, posición en tiempo real de una rata es detectada por cuatro pares de sensores infrarrojos desplegados en la rueda en marcha. una vez que unacurva de aceleración adaptable se inicia utilizando un microcontrolador, los datos obtenidos por los sensores de infrarrojos se registran y analizan de forma automática en un ordenador. A efectos de comparación, la formación 3 semanas se lleva a cabo en ratas utilizando una cinta de correr, una MRW y un PRW. Después de inducir quirúrgicamente oclusión de la arteria cerebral media (MCAO), se llevaron a cabo las puntuaciones de gravedad modificados neurológicos (MNSS) y una prueba de plano inclinado para evaluar los daños neurológicos a las ratas. PRW se valida experimentalmente como el más eficaz entre dichos sistemas de movilidad de los animales. Además, una medida de la eficacia del ejercicio, sobre la base de análisis de posición rata, mostró que hay una alta correlación negativa entre el ejercicio efectivo y el volumen del infarto, y se puede emplear para cuantificar una formación de rata en cualquier tipo de experimentos de reducción de daños cerebrales.
Introduction
Existen trazos de forma continua como una carga financiera a los países a nivel mundial, dejando un sinnúmero de pacientes discapacitados físicos y psíquicos 1, 2. Existe evidencia clínica que sugiera que el ejercicio regular puede mejorar la regeneración nerviosa y fortalecer las conexiones neuronales 3, 4, y también se muestra que el ejercicio puede disminuir el riesgo de sufrir accidentes cerebrovasculares isquémicos 5. Ya sea con una cinta rodante o una rueda para correr como un sistema de entrenamiento físico, roedores, tales como ratas, servir como un proxy para los seres humanos para probar la eficacia de los ejercicios en una gran mayoría de los experimentos clínicos 6 – 8. Un sistema de formación implica normalmente la formación de una rata durante un cierto período de tiempo, durante el cual una rata funciona a una cierta velocidad. Por lo tanto, la intensidad del entrenamiento generalmente se calcula en función de la velocidad y duración del ejercicio 6 – 8. El mismo enfoque se aplica aestimar la cantidad de ejercicio necesario para la protección neurofisiológica. Sin embargo, los ejercicios experimentales se encuentran a veces ser ineficaces, tales como cuando un traspiés de rata, caídas o agarra los carriles una vez que son capaces de ponerse al día con la velocidad de rueda de rodadura 9-11. Huelga decir que los incidentes de ejercicio ineficaces reducen significativamente el beneficio del ejercicio. A pesar de que no existe ningún método universalmente aceptado actualmente para cuantificar los ejercicios eficaces para reducir el daño cerebral, el nivel de ejercicios eficaces sigue en pie como una valoración objetiva de los investigadores clínicos para ilustrar los beneficios del ejercicio en la disciplina de la neurofisiología.
Existe una serie de limitaciones en los sistemas de movilidad animales disponibles comercialmente utilizados en los experimentos de reducción de daño cerebral de hoy 12. En un caso cinta de correr, las ratas se ven obligados a ejecutar por medio de descargas eléctricas, induciendo tremenda psicológicade sufrimiento del animal y por lo tanto la interferencia en la prueba neurofisiológica los resultados finales 8, 13, 14. ruedas de rodadura se pueden clasificar en dos tipos, a saber voluntarios y forzosos. Con ruedas de rodamiento voluntarias permiten que las ratas se ejecuten de forma natural, creando excesiva variabilidad debida a las diferencias en las características físicas y capacidades 15 de las ratas, mientras que las ruedas que funcionan con motor (MRWs) emplean un motor para girar el volante, obligando a las ratas para correr. A pesar de ser también una forma de entrenamiento forzado, MRWs impone menos estrés psicológico en ratas que cintas de correr 13, 16, 17. Sin embargo, los experimentos utilizando MRWs han informado de que las ratas a veces interrumpen el ejercicio por el acaparamiento de los carriles en la pista de la rueda y se niega a funcionar a velocidades superiores a 20 m / min 9. Estos ejemplos muestran que los sistemas de movilidad de los animales disponibles en la actualidad tienen una desventaja inherente que inhibe el ejercicio efectivo. porcon fines de formación de rata objetivos, el desarrollo de un sistema de entrenamiento muy eficaz pero con baja interferencia es, por tanto, considerarse como un tema urgente para los experimentos neurofisiológicos de ejercicio.
Este estudio presenta un sistema de rueda de funcionamiento altamente eficaz para los experimentos en la reducción de la gravedad de los efectos de la carrera 11. Además de un número reducido de factores de interferencia durante un proceso de formación, este sistema detecta la posición de funcionamiento de una rata usando sensores infrarrojos incorporados en la rueda, lo que se consigue una estimación más fiable de la actividad de ejercicio efectivo. El estrés psicológico impuesto por cintas tradicionales y las interrupciones frecuentes de ejercicio en MRWs tanto sesgar la objetividad de las estimaciones resultantes de ejercicio. Un sistema de rueda de posicionamiento de rodadura (PRW) presentado en este estudio se desarrolló en un intento de reducir al mínimo la interferencia no deseada al tiempo que proporciona un modelo de formación fiable para cuantificar exe eficazrcise.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe un sistema de rueda de funcionamiento altamente eficaz para reducir la gravedad de los efectos de la carrera en los animales. Como banco de pruebas de rata con niños, esta plataforma está diseñada así de tal manera que una velocidad de funcionamiento estable puede ser mantenido por las ratas a través de un proceso en ejecución por medio de una curva de aceleración adaptativa predeterminada. En los sistemas de formación típicas, velocidades y duraciones de formación predefinidos se ajust…
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).
