Asimetrik Yürüme Yolu: Asimetrik Locomotion incelenmesi için Yeni Bir Davranış Testi
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
Davranış deneyler genellikle merkezi sinir sisteminde (MSS) sensorimotor bozukluğu değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. Kemirgenler lokomotor açıkları miktarının en sofistike yöntemler kısıtsız yürüyüş overground bir dakika bozukluklarını ölçmek için (örneğin., Manuel BBB puanı veya otomatik CatWalk). Bununla birlikte, kortikal girişler spinal merkezi desen üreteci (CPG) tarafından üretilen bazik lokomosyon üretimi için gerekli değildir. Böylece, kısıtsız yürüyüş görevleri sadece dolaylı nedeniyle motor kortikal bozulma lokomotor açıkları test edin. Bu çalışmada, spinal CPG kortikal girdileri değerlendiren bir roman, hassas ayak yerleştirme lokomotor görev öneriyorum. Bir aletli peg-yollu lateralizan hareket açıklarının taklit simetrik ve asimetrik lokomotor görevleri empoze etmek için kullanılmıştır. Biz pref ile hareket sırasında ön ayakları duruşu faz özellikleri% 20 üretmek değişiklikleri eşit arası adım uzunlukları o vardiya göstermekerred adım uzunluğu. Ayrıca, asimetrik geçit kortikal kontrol sinyalleri tarafından üretilen davranışsal sonuçlar ölçümleri için izin verdiğini öneriyorum. Bu önlemler kortikal hasar sonrasında düşüklüğü değerlendirmesi için geçerlidir.
Introduction
Hayatta kalan nüfusun inme sonrası morbidite hem insanlarda hem de kantitatif değerlendirme için bir sorun teşkil nörolojik bozukluk 1 inme ve hayvan modelleri sonrası kaba motor bozuklukları içermektedir. Klinik ortamda, bu motor bozukluk hastaların çoğunluğu tarafından sergilenen ağır ziyade ılımlı düşüklüğü daha duyarlı olan subjektif kriterler kullanılarak ölçülür. Benzer şekilde, hayvanlarda post-yaralanma motor davranışları gibi subjektif değerlendirmeler, örneğin., Basso, Beattie ve Bresnahan (BBB) lokomotor ölçek yöntemi 2,3, yaygındır. Bu subjektif değerlendirme yöntemleri Urfa'daki hayvan modellerinde ve insanlarda yürüme rehabilitasyon çalışmaları arasındaki çeviri yardım ederken, ayrı kas gruplarının aktivitesi ile ilişkili motorlu açıklarının ayrıntıları değerlendirilmemektedir. Ayrıca, serebrovasküler motor açığının olası suçlu olarak hareketin motor kortikal katkısının değerlendirilmesi,Onlar açık alanda veya doğrusal yürüyüş görevleri güveniyor sadece dolaylı bile en yeni otomatik sayısal yöntemler 4,5 kullanılarak elde edilebilir. Bu görevler kortikal katkı gerekmez ve omurilik nöral mekanizmalar, yani sinir hasarının en hayvan modellerinde bağışladı merkezi desen üreteci (CPG), ağ, örneğin, spinalized hayvanlar 6 ile yapılabilir -.. 8 . Bu omurga mekanizmaların Essential kortikal katkı deneysel postural ayarlamalar 9 ve 10 ulaşan yanı sıra hassas 10 adım beklenen gerektiren görevler dahil olmuştur.
Ayrıca, çoğu nörolojik hasar asimetriktir; örneğin, felç, hemiparezi neden, yani asimetrik bir yürüme 11 ile sonuçlanan vücudun bir tarafında zayıf -. 14. Hemiplejik yürüme asimetri asimetrik spatiotempor tarafından üretilenal kas aktivasyonu en önemlisi ekstansör ilişkili duruş fazının kısaltılması ve paretik tarafta 15,16 adım döngüsünün fleksör ilişkili salınım fazının uzamasına tezahür. Bu eğilim henüz sağlıklı veya paretic hayvanlarda lokomotor hızları aralığında keşfedilmeyi olmamıştır. Bu çalışmada, her adımda döngü süresi bir fonksiyonu olarak swing veya duruş fazları süresi arasındaki ilişkiyi açıklar faz süresi özelliklerinin 17 analizini kullandı. Elde edilen doğrusal regresyon modeli, daha sonra tüm uzuvların genelinde asimetri analizi ile tanımlanmıştır.
Biz kesin bir adım lokomotor görev dayalı dört ayaklı hayvanların motor sisteminde kortikal girdileri azalan aktivitesini değerlendirmek için yeni bir düşük maliyetli bir yöntem sunduk. Bu görev yürüme hızları doğal aralığında ayak yerleştirme talepleri empoze motor korteks meydan okumak için tasarlanmıştır. Ek olarak, Ayak yerleştirme gereksinimleri tercihen motor sistemi sol veya sağ tarafına meydan manipüle. Benzer bir lokomotor görevi, Metz & (2009) Whishaw sıçanlarda başarısızlık oranları, düzensiz basamak geçit üzerinde cevapsız adım sayısını incelenmiştir. Bizim yöntemi bu önceki çalışmada ücretsiz olduğunu ve "başarılı" faz denetimi kalitesini ayrıntıları 18 adımları.
Protocol
Representative Results
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 decade6,21,22. The current consensus is that the intrinsic spina…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Kriss Franklin, Amanda Pollard and Justine Shaffer assisted in animal training and data collection. Sarah Freeman and Alisa Ivanova contributed to data analysis. This study is supported by WVU School of Medicine Start-Up, NIH/NIGMS U54GM104942, and NIH CoBRE P20GM109098.
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. |
References
- Curzon, P., Zhang, M., Radek, R. J., Fox, G. B. . The Behavioral Assessment of Sensorimotor Processes in the Mouse: Acoustic Startle, Sensory Gating, Locomotor Activity, Rotarod, and Beam Walking. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience.. , (2009).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. Graded histological and locomotor outcomes after spinal cord contusion using the NYU weight-drop device versus transection. Experimental Neurology. 139 (2), 244-256 (1996).
- Li, S., Shi, Z., et al. Assessing gait impairment after permanent middle cerebral artery occlusion in rats using an automated computer-aided control system. Behavioural Brain Research. 250, 174-191 (2013).
- Vandeputte, C., Taymans, J. -. M., et al. Automated quantitative gait analysis in animal models of movement disorders. BMC Neuroscience. 11, 92 (2010).
- Yakovenko, S. Chapter 10 – A hierarchical perspective on rhythm generation for locomotor control. Progress in Brain Research. 188, 151-166 (2011).
- Giszter, S. F., Hockensmith, G., Ramakrishnan, A., Udoekwere, U. I. How spinalized rats can walk: biomechanics, cortex and hindlimb muscle scaling – implications for rehabilitation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1198, 279-293 (2010).
- Smith, J. L., Edgerton, V. R., Eldred, E., Zernicke, R. F. The chronic spinalized cat: a model for neuromuscular plasticity. Birth Defects Original Article Series. 19 (4), 357-373 (1983).
- Yakovenko, S., Drew, T. A motor cortical contribution to the anticipatory postural adjustments that precede reaching in the cat. Journal of Neurophysiology. 102 (2), 853-874 (2009).
- Yakovenko, S., Krouchev, N., Drew, T. Sequential Activation of Motor Cortical Neurons Contributes to Intralimb Coordination During Reaching in the Cat by Modulating Muscle Synergies. Journal of Neurophysiology. 105, 388-409 (2011).
- Pizzi, A., Carlucci, G., Falsini, C., Lunghi, F., Verdesca, S., Grippo, A. Gait in hemiplegia: Evaluation of clinical features with the Wisconsin Gait Scale. Journal of Rehabilitation Medicine. 39 (9), 170-174 (2007).
- Bohannon, R. W., Horton, M. G., Wikholm, J. B. Importance of four variables of walking to patients with stroke. International Journal of Rehabilitation Research. 14 (3), 246-250 (1991).
- Richards, C., Malouin, F., Dumas, F., Tardif, D. Gait velocity as an outcome measure of locomotor recovery after stroke. Gait Analysis. Theory and Application. , 355-364 (1995).
- Thaut, M. H., McIntosh, G. C., Rice, R. R. Rhythmic facilitation of gait training in hemiparetic stroke rehabilitation. Journal of the Neurological Sciences. 151, 207-212 (1997).
- Hsu, A. -. L., Tang, P. -. F., Jan, M. -. H. Analysis of impairments influencing gait velocity and asymmetry of hemiplegic patients after mild to moderate stroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (8), 1185-1193 (2003).
- Jansen, K., De Groote, F., Duysens, J., Jonkers, I. Muscle contributions to center of mass acceleration adapt to asymmetric walking in healthy subjects. Gait & Posture. 38 (4), 739-744 (2013).
- Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta physiologica Scandinavica. 521, 1-75 (1983).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (28), 4-7 (2009).
- Hogg, R. V., Ledolter, J. Engineering Statistics. , (1987).
- Brown, T. G. The intrinsic factors in the act of progression in the mammal. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. 84 (572), 308-319 (1911).
- Kiehn, O. Locomotor circuits in the mammalian spinal cord. Annual Review of Neuroscience. 29, 279-306 (2006).
- Blitz, D. M., Nusbaum, M. P. State-dependent presynaptic inhibition regulates central pattern generator feedback to descending inputs. The Journal of Neuroscience. 28 (38), 9564-9574 (2008).
- Martin, J. H., Ghez, C. Red nucleus and motor cortex: parallel motor systems for the initiation and control of skilled movement. Behavioural Brain Research. 28 (1-2), 271-223 (1998).
- Drew, T., Jiang, W., Kably, B., Lavoie, S. Role of the motor cortex in the control of visually triggered gait modifications. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 74 (4), 426-442 (1996).
- Drew, T., Andujar, J. -. E., Lajoie, K., Yakovenko, S. Cortical mechanisms involved in visuomotor coordination during precision walking. Brain Research Reviews. 57 (1), 199-211 (2008).
- 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).
- Uluç, K., Miranpuri, A., Kujoth, G. C., Aktüre, E., Başkaya, M. K. Focal Cerebral Ischemia Model by Endovascular Suture Occlusion of the Middle Cerebral Artery in the Rat. Journal of Visualized Experiments : JoVE. 48, e1978 (2011).
- Hackney, D. B., Finkelstein, S. D., Hand, C. M., Markowitz, R. S., Black, P. Postmortem Magnetic Resonance Imaging of Experimental Spinal Cord Injury Magnetic Resonance Findings versus In Vivo Functional Deficit. Neurosurgery. 35 (6), 1104-1111 (1994).
- Kjaerulff, O., Kiehn, O. Distribution of Networks Generating and Coordinating Locomotor Activity in the Neonatal Rat Spinal Cord In Vitro: A Lesion Study. The Journal of Neuroscience. 16 (18), 5777-5794 (1996).
- Liddell, E. G. T., Phillips, C. G. Striatal and pyramidal lesions in the cat. Brain. 69 (4), 264-279 (1946).
- Beloozerova, I. N., Sirota, M. G. The Role of the Motor Cortex in the Control of Accuracy of Locomotor Movements in the Cat. Journal of Physiology. 461, 1-25 (1993).
- Hill, K. D., Goldie, P. A., Baker, P. A., Greenwood, K. M. Retest reliability of the temporal and distance characteristics of hemiplegic gait using a footswitch system. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (5), 577-583 (1994).
- Hillyer, J. E., Joynes, R. L. A new measure of hindlimb stepping ability in neonatally spinalized rats. Behavioural Brain Research. 202 (2), 291-302 (2009).
