Asymétrique Walkway: A Novel Assay pour l'étude du comportement asymétrique 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

Tests comportementaux sont couramment utilisés pour l'évaluation de la déficience sensori-motrice dans le système nerveux central (SNC). Les méthodes les plus sophistiquées pour quantifier les déficits locomoteurs chez les rongeurs est de mesurer les perturbations minute de contrainte démarche Overground (par ex., Le score de BBB manuel ou automatisé Catwalk). Toutefois, les entrées corticales ne sont pas nécessaires pour la génération de locomotion de base produite par le générateur de motif central de la colonne vertébrale (CPG). Ainsi, les tâches de marche sans contrainte tester déficits locomoteurs grâce au moteur cortical dépréciation qu'indirectement. Dans cette étude, nous proposons un nouveau, précise tâche locomotrice pieds placement qui évalue entrées corticales à l'CPG moelle. Un PEG-chemin instrumentée a été utilisé pour imposer des tâches locomotrices symétriques et asymétriques mimant déficits de mouvement latéralisés. Nous démontrons que les changements de longueurs entre foulée équidistantes de 20% produisent des changements dans les caractéristiques de phase des membres antérieurs de position lors de la locomotion avec preflongueur de la foulée commis une erreur. De plus, nous proposons que la passerelle asymétrique permet des mesures de résultats comportementaux produites par des signaux de commande corticales. Ces mesures sont pertinentes pour l'évaluation de la dépréciation après lésions corticales.

Introduction

Post-AVC de morbidité dans la population survivante comprend déficiences motrices qui constituent un défi pour l'évaluation quantitative chez les humains affichent des modèles de course et animales de troubles neurologiques ^1. Dans le contexte clinique, ces déficiences motrices sont mesurées en utilisant des critères subjectifs, qui sont plus sensibles à la déficience grave plutôt que modérée présentée par la majorité des patients. De même, ces évaluations subjectives de comportement moteur post-traumatique chez les animaux sont fréquents, par exemple., Basso, Beattie, et Bresnahan (BBB) ​​échelle locomoteur méthode ^2,3. Bien que ces méthodes d'évaluation subjectives aident traduction entre les études de réhabilitation de la marche dans les modèles et les humains des animaux quadrupèdes, les détails de déficits moteurs associés à l'activité des groupes de muscles distincts ne sont pas évalués. En outre, l'évaluation du cortex moteur contribution à la locomotion, comme le coupable présumé du déficit moteur dans un accident cérébro-vasculaire,ne peuvent être obtenus de manière indirecte, même en utilisant les plus nouvelles méthodes quantitatives les ^4,5 automatisés, car elles reposent sur ​​plein champ ou les tâches de marche linéaires. Ces tâches ne nécessitent pas de contribution corticale et peuvent être effectuées par les mécanismes neuronaux de la moelle épinière, les animaux-à-dire, le générateur de motif central (CPG) réseau qui est épargné dans la plupart des modèles animaux de lésions nerveuses, par exemple, spinalisés ^{6 -.. 8} . Contribution essentielle corticale à ces mécanismes de la colonne vertébrale a été expérimentalement impliqué dans les tâches qui nécessitent des ajustements posturaux anticipés ^{9 et} atteignant ^10, ainsi que l'intensification ¹⁰ précise.

En outre, la plupart des dommages neurologiques est asymétrique; par exemple, accident vasculaire cérébral provoque hemiparesis, à savoir, la faiblesse sur un côté du corps, ce qui conduit à une allure asymétrique ^{11 -. 14.} L'asymétrie de la marche hémiplégique est produite par spatiotempor asymétriquel'activation des muscles al manifeste le plus nettement dans le raccourcissement de la phase d'appui associée extenseur et l'allongement de la phase d'oscillation associée fléchisseur du cycle de l'étape sur le côté parétique ^15,16. Cette tendance n'a pas encore été exploré à travers une gamme de vitesses de locomotion chez les animaux sains ou parétiques. Dans la présente étude, nous avons utilisé l'analyse des caractéristiques de durée de la phase ¹⁷ qui décrit la relation entre la durée de battants ou stance phases en fonction de la durée de cycle à chaque étape. Le modèle de régression linéaire obtenu est ensuite décrite plus en détail par une analyse de l'asymétrie dans toutes les branches.

Nous rapportons une nouvelle méthode à faible coût pour évaluer l'activité de descendre entrées corticales dans le système moteur des animaux quadrupèdes basé sur une tâche précise stepping locomoteur. Cette tâche est conçu pour défier le cortex moteur en imposant des exigences sur le placement des pieds sur une plage naturelle de vitesses de marche. en outre, Les exigences pieds placement sont manipulés pour contester préférentiellement du côté gauche ou droit du système de moteur. Dans une tâche de locomotion semblable, Metz & Whishaw (2009) ont examiné les taux d'échec, le nombre d'étapes manquées sur passerelle échelon irrégulière, chez les rats. Notre méthode est complémentaire à cette étude précédente, et il détaille la qualité du contrôle de phase dans "réussie" ¹⁸ étapes.

Protocol

Le paradigme de la formation suivante emploie l'analyse des ajustements de phase de l'adulte moyen rat Sprague-Dawley. S'il vous plaît assurez-vous que le protocole décrit ici est en conformité avec les directives de votre protection des animaux. Toutes les procédures dans cette étude ont été effectuées en conformité avec le Comité institutionnel de protection des animaux et l'utilisation (IACUC) et l'Office for Laboratory Animal Welfare (OLAW) à l'École de médecine de l'Universi…

Representative Results

La figure 2 montre l'analyse de l'asymétrie dans les tâches de locomotion pour un même objet représentant. Les valeurs ont été calculées pour toutes les conditions à l'aide de l'équation 1 et 2 à partir de tous les sujets individuellement (figure 2) et à partir des données composites de 8 rats femelles Sprague-Dawley (250-400 g, figure 3). Généralement, la modulation de la phase des membres antérieurs d&#39…

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 decade^6,21,22. The current consensus is that the intrinsic spina…

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.