Asymmetrisk Walkway: A Novel Behavioral analyse for å studere asymmetrisk 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

Atferds analyser blir ofte brukt for vurdering av sensorisk svekkelse i sentralnervesystemet (CNS). De mest sofistikerte metoder for å kvantifisere lokomotoriske underskudd hos gnagere er å måle minutt forstyrrelser av ubegrenset gangart Ground (f.eks., Manuell BBB scorer eller automatisert Catwalk). Imidlertid er kortikale innganger ikke er nødvendig for generering av grunnleggende bevegelse frembringes av rygg sentrale mønstergenerator (CPG). Dermed ubegrensede, walking oppgaver teste lokomotoriske underskudd på grunn av motor kortikal fall bare indirekte. I denne studien foreslår vi en ny, presis fot-plassering muskel oppgave som evaluerer kortikale innganger til rygg CPG. En instrumentert peg-veis ble brukt til å pålegge symmetriske og asymmetriske lokomotoriske oppgaver mimicking lateralized bevegelse underskudd. Vi viser at turnus fra ekvidistante inter-steglengder på 20% til endringer i forbena holdning fasekarakteristikkene under bevegelse med preffeilet skrittlengde. Videre foreslår at den asymmetriske gangveien tillater målinger av atferds utfall produsert av kortikal styresignaler. Disse tiltakene er relevant for vurderingen av verdifall etter kortikal skade.

Introduction

Post-takts sykelighet i den gjenlevende befolkningen omfatter brutto motoriske svekkelser som utgjør en utfordring for kvantitativ vurdering i både mennesker starte hjerneslag og dyremodeller av neurologisk svekkelse ^1. I klinisk setting, er disse motoriske vansker målt ved hjelp av subjektive kriterier som er mer følsomme for alvorlig heller enn moderat svekkelse utstilt ved de fleste pasienter. Tilsvarende slike subjektive vurderinger av etter skade motor atferd hos dyr er vanlig, f.eks., Basso, Beattie, og Bresnahan (BBB) ​​muskel skala metode ^2,3. Mens disse subjektive evalueringsmetoder hjelper oversettelse mellom gangart rehabiliterings studier i quadruped dyremodeller og mennesker, er detaljene i motor underskudd forbundet med aktivitet av separate muskelgrupper ikke vurdert. Videre vurdering av motor kortikale bidrag til bevegelse, som den antatte skyldige av motor underskudd i cerebrovaskulær sykdom,kan bare oppnås indirekte selv ved hjelp av de nye automatiserte kvantitative metoder ^4,5, som de er avhengige av open-feltet eller lineær walking oppgaver. Disse oppgavene krever ikke kortikal bidrag og kan utføres av de nevrale mekanismene i ryggmargen, dvs. det sentrale mønster generator (CPG) nettverk som er spart i de fleste dyremodeller av nevrale skade, f.eks spinalized dyr ^{6 -.. 8} . Essential kortikale bidrag til disse ryggmekanismer har blitt eksperimentelt innblandet i oppgaver som krever forventede postural justeringer ⁹ og nådde ^10, samt presis pass ^10.

Videre er de fleste nevrologiske skader asymmetrisk; for eksempel hjerneslag hemiparesis, dvs. svakhet på en side av kroppen, noe som resulterer i en asymmetrisk gangart ^{11 -. 14.} Asymmetrien av hemiplegisk gangart er produsert av asymmetrisk spatiotemporal muskelaktivering viktigst manifestert i forkorting av extensor-assosiert holdning fase og forlengelsen av flexor-forbundet svingfasen av trinnet sykle på paretic side ^15,16. Denne trenden har ennå ikke blitt utforsket gjennom en rekke locomotor hastigheter hos friske eller paretic dyr. I denne studien, benyttet vi analyse av fase varighet egenskaper ¹⁷ som beskriver forholdet mellom varigheten av sving eller holdning fasene som en funksjon av syklustid i hvert trinn. Den oppnådde lineær regresjonsmodell ble deretter ytterligere beskrevet med en analyse av asymmetri i alle lemmer.

Vi rapporterer en roman rimelig metode for å vurdere aktiviteten av synkende kortikale innganger i motorsystemet firbent dyr basert på en presis springbevegelses oppgave. Denne oppgaven er utformet for å utfordre motor cortex ved å pålegge krav til foten plassering over en naturlig rekke gang- hastigheter. I tilleggEr fot-krav til plassering manipulert til fortrinnsvis å utfordre venstre eller høyre side av motorsystem. I en tilsvarende bevegelses oppgave, Metz og Whishaw (2009) undersøkte forekomsten av svikt, antall tapte skritt på uregelmessig rung gangvei, hos rotter. Vår metode er gratis til dette tidligere studie, og det detaljer kvaliteten på fasekontroll i "vellykket" trinn ^18.

Protocol

Følgende trening paradigmet syssels analyse av fasejusteringer av gjennomsnittlig voksen Sprague-Dawley rotte. Vennligst sørg for at protokollen beskrevet her er i samsvar med dine institusjonelle retningslinjer dyr omsorg. Alle prosedyrer i denne studien ble utført i samsvar med Institutional Animal Care og bruk Committee (IACUC) og Office for Laboratory Animal Welfare (OLAW) ved West Virginia University School of Medicine og retter seg etter National Institutes of Health retningslinjer for bruk av eksperimentell dy…

Representative Results

Figur 2 viser en analyse av asymmetri i de lokomotoriske oppgaver for en enkelt representativ emne. Verdiene ble beregnet for alle forhold ved bruk av ligning 1 og 2 fra alle pasientene individuelt (figur 2) og fra sammensatte data fra 8 Sprague-Dawley-rotter (250 – 400 g, Figur 3). Vanligvis, modulering av forbena holdning fase var mindre for den siden til hvilken bevegelse tilstand var foretrekkes (short ISL), i overensstemmelse med id…

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.