Asymmetric Gångväg: A Novel Behavioral analys för att studera Asymmetric 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

Beteendemässiga analyser används vanligen för bedömningen av sensomotorisk försämring i det centrala nervsystemet (CNS). De mest sofistikerade metoder för att kvantifiera rörelseunderskott hos gnagare är att mäta mycket små störningar i obegränsad gångtunnelbane (t.ex.., Manuell BBB poäng eller automatiserad catwalk). Men kortikala ingångar krävs inte för generering av grundläggande rörelse produceras av spinal centrala mönstergeneratorn (CPG). Således, obegränsade promenader uppgifter testa rörelseunderskott på grund av motor kortikal försämring endast indirekt. I denna studie, föreslår vi en ny, exakt mul- placering rörelse uppgift som utvärderar kortikala ingångar till spinal CPG. En instrumenterad peg-sätt användes för att införa symmetriska och asymmetriska rörelse uppgifter härma lateralized rörelseunderskott. Vi visar att förändringar från samma avstånd mellan steglängder av 20% producerar förändringar i forelimb hållning fasegenskaper under förflyttning med preffelade steglängd. Vidare föreslår vi att den asymmetriska gångväg medger mätningar av beteenderesultat som producerats av kortikala styrsignaler. Dessa åtgärder är relevanta för bedömningen av nedskrivningar efter kortikal skada.

Introduction

Efter stroke sjuklighet i överlevande befolkningen omfattar grovmotoriska funktionsnedsättningar som utgör en utmaning för kvantitativ utvärdering i både människor efter stroke och djurmodeller av neurologiska störningar ^1. I klinisk miljö, är dessa motor nedskrivningar mäts med hjälp av subjektiva kriterier som är mer känsliga för allvarlig snarare än måttlig nedsättning som uppvisas av de flesta patienter. Likaså sådana subjektiva bedömningar av efter skada motorik hos djur är vanliga, t ex., Basso, Beattie, och Bresnahan (BBB) ​​rörelsefördelningsmetod ^2,3. Även om dessa subjektiva utvärderingsmetoder hjälper översättning mellan gångrehabiliterings studier i fyrfotadjur djurmodeller och människor, är detaljerna i motoriken i samband med aktivitet separata muskelgrupper inte bedömts. Dessutom bedömningen av motor kortikal bidrag till rörelse, eftersom den förmodade gärningsmannen motor underskott i cerebrovaskulär olycka,endast kan erhållas indirekt även med de mest nya automatiserade kvantitativa metoder ^4,5, eftersom de bygger på friland eller linjära promenader uppgifter. Dessa uppgifter behöver inte kortikal bidrag och kan utföras av de neurala mekanismer i ryggmärgen, det vill säga den centrala mönstergeneratorn (CPG) nät som skonas i de flesta djurmodeller av nervskador, t.ex. spinalized djur ^{6 -.. 8} . Essential kortikal bidrag till dessa spinal mekanismer har experimentellt inblandad i uppgifter som kräver förväntade postural justeringar ⁹ och når ^10, liksom exakt kliva ^10.

Dessutom är de flesta neurologiska skador asymmetrisk; exempelvis orsakar stroke hemipares, dvs svaghet på en sida av kroppen, vilket resulterar i en asymmetrisk gång ^{11 -. 14.} Asymmetri hemiplegisk gång produceras av asymmetrisk spatiotemporal muskelaktivering mest markant uttryck i förkortningen av extensor associerade hållning fasen och en förlängning av flexor associerade svängningsfasen av stegcykeln på paretic sidan ^15,16. Denna trend har ännu inte utforskats i en rad av rörelsehastigheter hos friska eller paretic djur. I den aktuella studien använde vi en analys av fasvaraktighet egenskaper ¹⁷ som beskriver förhållandet mellan varaktigheten av swing eller hållning faser som en funktion av cykellängd i varje steg. Den erhållna linjära regressionsmodellen därefter beskrivs ytterligare med en analys av asymmetri i alla lemmar.

Vi rapporterar en ny billig metod för att bedöma aktiviteten av fallande kortikala ingångar i motorsystem fyrfotadjur djur på grundval av en exakt stegrörelse uppgift. Denna uppgift är utformad för att utmana motoriska cortex genom att ställa krav på foten placering över en naturliga utbredningsområde gånghastigheter. Dessutom, Mul-placeringskrav är manipulerade för att företrädesvis utmana vänster eller höger sida av motorsystemet. På ett liknande rörelse uppgift, Metz & Whishaw (2009) undersökte andelen fel, antalet missade steg på oregelbunden ringt gångväg, hos råttor. Vår metod är gratis för denna tidigare studie, och det detaljer kvaliteten på fasstyrning i "framgångsrika" steg ^18.

Protocol

Följande utbildning paradigm utnyttjar analys av fas justeringar av genomsnittlig vuxen Sprague-Dawley-råtta. Se till att det protokoll som beskrivs häri i enlighet med dina institutionens riktlinjer djurskötsel. Alla procedurer i denna studie genomfördes i enlighet med Institutional Animal Care och användning kommittén (IACUC) och Byrån för Laboratory Animal Welfare (OLAW) vid West Virginia University School of Medicine och håller sig National Institutes of Health riktlinjer för användning av experimentell …

Representative Results

Fig 2 visar analysen av asymmetri under rörelse uppgifter för en enda representativ ämne. Värdena beräknades för alla förhållanden med hjälp av ekvation 1 och 2 från alla ämnen individuellt (Figur 2) och från sammansatta data från 8 Sprague-Dawley (250-400 g, Figur 3). Generellt moduleringen av forelimb ståfasen var mindre för den sida som rörelse villkoret gynnades (kort ISL), i linje med uppfattningen att ståfasen på …

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.