تحليل مشيه للإعاقات الحركية تعتمد على سن في الفئران مع نيوروديجينيريشن
Summary
في هذه الدراسة، ونحن تثبت استخدام تحليل مشيه الحركية استناداً إلى التصوير البطني الطائرة لرصد التغييرات الطفيفة في التنسيق الحركي، فضلا عن تطور نيوروديجينيريشن مع التقدم في السن في نماذج الماوس (مثلاً، اندوفيلين المسخ خطوط الماوس).
Abstract
اختبارات السلوك الحركي تستخدم عادة لتحديد مدى صلة وظيفية نموذج القوارض واختبار حديثا تطوير علاجات في هذه الحيوانات. على وجه التحديد، يتيح تحليل مشيه استئثارها المرض تعمل ذات الصلة التي لوحظت في المرضى البشرية، لا سيما في أمراض الأعصاب التي تؤثر على قدراتهم الحركية مثل مرض باركنسون (PD)، مرض الزهايمر (AD)، الجانبي الضموري التصلب الجانبي (المرض)، وغيرها. في أوائل الدراسات على طول هذا الخط، تم قياس بارامترات مشيه شاقة ويتوقف على العوامل التي كان من الصعب التحكم (مثلاً، تشغيل السرعة، مستمر على التوالي). تطوير أنظمة الطائرة البطني (VPI) التصوير جعلت ممكناً القيام بتحليل مشيه على نطاق واسع، مما يجعل هذا الأسلوب أداة مفيدة لتقييم السلوك الحركي في القوارض. نقدم هنا، بروتوكولا متعمقة لكيفية استخدام تحليل مشيه الحركية لدراسة تطور تعتمد على سن العجز الحركي في نماذج الماوس من نيوروديجينيريشن؛ وتستخدم خطوط الماوس مع انخفاض مستويات اندوفيلين، التي تلف الأعصاب يزيد تدريجيا مع التقدم في السن، كمثال.
Introduction
أمراض الأعصاب تشكل عبئا كبيرا على المرضى والأسر والمجتمع، وسوف تصبح من قلق أكبر كلما زاد متوسط العمر المتوقع، وما زال سكان العالم العمر. أحد الأعراض الأكثر شيوعاً من أمراض الأعصاب مشاكل التوازن والتنقل. وهكذا، وصف السلوك الحركي في الشيخوخة الثدييات (مثلاً، مكافحة القوارض) نماذج، و/أو نماذج عرض تعمل الأعصاب، أداة قيمة إثبات الأهمية في فيفو من نماذج حيوانية معينة، أو العلاجية العلاجات التي تهدف إلى تحسين أعراض المرض. تقريبا كل نهج لعلاج أمراض الأعصاب في نهاية المطاف يتطلب اختبار نموذج حيوان قبل الشروع في تجربة سريرية في البشر. ولذلك، من الأهمية بمكان أن يكون السلوك موثوقة واستنساخه بالاختبارات التي يمكن استخدامها لقياس استمرار الأمراض ذات الصلة تعمل على طول العمر التقدم، بغية ضمان أن دواء مرشح، الذي أظهر المحتملة في نموذج في المختبر ، ويمكن تحسين النمط الظاهري في الحيوانات حية فعالية.
واحد جوانب تقييم السلوك الحركي في القوارض هو تحليل مشيه الحركية، التي يمكن أن يؤديها VPI (أيضا يسمى البطني الطائرة بالفيديو)1،2. هذه الطريقة المتبعة تستفيد من التسجيل المستمر للجانب السفلي القوارض المشي فوق مطحنة شفافة ويجهز حزام1،2،،من34. تحليل الفيديو تغذية البيانات ينشئ “يطبع مخلب الرقمية” من جميع أطرافه الأربعة أن الخص بشكل حيوي وموثوق بها نمط المشي للقوارض، كما وصفت أصلاً اللفت et al. 2 وأميندي et al. 3.
مبدأ التحليل القائم على تصوير مشيه قياس منطقة مخلب على اتصال بحزام المطحنة على مر الزمن، لكل مخلب الفردية. ويمثل موقف كل زيادة في منطقة باو (في مرحلة الكبح) وانخفاضا في منطقة باو (في مرحلة الدفع). ويعقب هذا المرحلة البديل الذي يتم الكشف عن لا إشارة. وتشكل خطوة سوينغ وموقف معا. بالإضافة إلى مشيه ديناميات المعلمات، ويمكن أيضا استخراج المعلمات الموقف من أشرطة الفيديو المسجلة. معلمات المثالية وتعريفها وترد في الجدول 1 وتشمل عرض موقف (SW؛ المسافة مجتمعة من الكفوف الصدارة أو هند إلى المحور الآنف والذيل)، خطوة طول (SL؛ ومتوسط المسافة بين خطوات اثنين من مخلب نفسه)، أو مخلب التنسيب الزاوية (زاوية مخلب للمحور الآنف والذيل). تسمح البيانات ديناميات الموقف ومشية استخلاص النتائج على توازن الحيوان (بواسطة معلمات الموقف وتغيراتها عبر عدة خطوات) والتنسيق (بواسطة مشيه ديناميات المعلمات). معلمات أخرى، مثل معامل ترنح (SL تباين حسبتها [(كحد أقصى. SL−min. SL)/يعني م])، أطرافهم هند يشاطر موقف (وقت كل أطرافه هند هي على اتصال بالحزام)، أو اسحب مخلب (المساحة الإجمالية مخلب على الحزام من موقف كامل مخلب زنتها) يمكن أيضا استخراج، وقد أبلغت إلى تغيير في مختلف الأعصاب دي نماذج سيسي5،6،،من78 (انظر الجدول 1).
| المعلمة | وحدة | تعريف |
| الوقت البديل | مرض التصلب العصبي المتعدد | مدة الزمن مخلب ليست على اتصال حزام |
| الوقت موقف | مرض التصلب العصبي المتعدد | مدة الزمن مخلب على اتصال حزام |
| الفرامل % | % لوقت الموقف | النسبة المئوية للوقت موقف الكفوف في طور الفرامل |
| دفع % | % لوقت الموقف | النسبة المئوية للوقت موقف الكفوف في مرحلة الدفع |
| عرض موقف | سم | مسافة مجتمعة من السطح أو هند الكفوف إلى المحور الآنف والذيل |
| طول برايد | سم | متوسط المسافة بين خطوات اثنين من مخلب نفس |
| تردد واسعة | خطوات/s | عدد خطوات كاملة في الثانية |
| مخلب موضع الزاوية | درجة | زاوية مخلب فيما يتعلق بمحور الآنف والذيل في الحيوان |
| معامل ترنح | a.u. | تقلب SL حسبتها [(max SL-min SL)/يعني م] |
| موقف مشترك % | % من الموقف | الوقت موقف أطرافهم هند المشتركة؛ الوقت الذي يتم كل أطرافه هند على اتصال بالحزام في نفس الوقت |
| اسحب مخلب | مم2 | تبلغ المساحة الإجمالية مخلب على الحزام من موقف كامل مخلب زنتها |
| تحميل أطرافهم | سم2 | ماكس دا/dT؛ أقصى معدل تغير منطقة مخلب في مرحلة الانهيار |
| تقلب زاوية الخطوة | درجة | الانحراف المعياري للزاوية بين هند الكفوف كدالة SL وسويسري |
الجدول 1. تعريف معلمات مشيه الرئيسية التي يمكن اختبارها بتصوير الطائرة البطني.
يمكن أن يكون تحديا تقييم سلوك القوارض نماذج لأمراض الأعصاب الحركية اعتماداً على شدة النمط الظاهري لنموذج محدد في سن معينة. عدة الأمراض، أبرزها PD، إظهار سلوك القوى الحركية (الحركة) العجز، سواء في المرضى أو في نماذج حيوانية. هو أحد الأعراض الرئيسية الأربعة في PD bradykinesia، التي تقدم مع الشيخوخة، وتتجلى في ضعف مشيه شديدة الفعل في المراحل المبكرة من PD9. الدراسات نموذج PD الحادة، والقوارض تعامل مع 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP)، قد استخدمت بالفعل VPI مشيه تحليل10،،من1112. ومع ذلك، نظراً للطابع الحاد لهذا النموذج، هذه الدراسات لا تتناول تطور العجز الحركية المرتبطة بالسن. وقد أجرى عدة دراسات أجريت مؤخرا تحليل مشيه في الفئران الذين تتراوح أعمارهم بين التغييرات الأعصاب، على سبيل المثال13،،من1415، وإذ تشدد على أهمية فهم تطور المرض مع التقدم في السن .
بالإضافة إلى حالات العجز الحركي، نماذج حيوانية من أمراض الأعصاب غالباً صعوبات مع التركيز على مهام الفحص وإظهار العاهات المعرفية البارزين، لا سيما مع التقدم في السن. يمكن أن يؤثر هذا النمط الظاهري نتيجة لاختبارات السلوك الحركي. هي واحدة من الاختبارات الأكثر استخداماً لفحص السيارات العجز، اختبار روتارود16، تعتمد على الإدراك والاهتمام، والإجهاد17،18. أثناء الاستعداد للسير في حلقة مفرغة يجهز يعتمد أيضا على هذه العوامل، قيد القراءة مسجل، الذي هو سمة من سمات أكثر توحيدا والآن أقل تتأثر بتغير الإدراك. آثار الإجهاد والاهتمام قد تكون مرئية في معلمات محددة، مثل الوقت البديل/موقف للإجهاد، و SL للاهتمام19،20، ولكن ليس في القدرة على تشغيل الشاملة.
ويوفر نهج تحليل مشيه الحركية كذلك ميزة وجود خيارات لضبط التحدي لنماذج القوارض. يسمح المطحنة مع زاوية قابلة للتعديل وسرعة المشي بسرعة من 0.1-99.9 سم/s، حيث أن القوارض المصابين بضعف شديد في المشي قد تكون لا تزال قادرة على تشغيل بسرعة بطيئة (~ 10 سم/ثانية). عدم إعاقة الحيوانات يمكن أن يقاس في تشغيل أسرع بسرعة (30-40 سم/ثانية). توفر مراقبة أم لا قادرة على تشغيل بسرعة بعض الحيوانات المختبرة نتيجة بحد ذاتها. علاوة على ذلك، يمكن الطعن في القوارض بالإضافة إلى ذلك للتشغيل المنحدر، أو لأسفل انخفاضا، عن إمالة المطحنة إلى زاوية المطلوب مع المساعدة من جونيوميتير، أو عن طريق إرفاق زلاجات مرجحة لأطرافه هند الفأر أو الجرذ.
بالإضافة إلى العديد من الدراسات واحدة من البروتينات التي هي تحور في المرضى، هناك وعي متزايد مؤخرا الصلات بين الالتقام عيب العملية ونيوروديجينيريشن13،،من2122، 23،24،،من2526،،من2728. الفأر نماذج مع انخفاض مستويات اندوفيلين-أ (اندوفيلين من الآن فصاعدا)، دوراً رئيسيا في كلا كلاثرين بوساطة الالتقام21،13،29،،من3031 , 32 , 33 , تم العثور على 45 و34من الالتقام كلاثرين مستقلة، لإظهار نيوروديجينيريشن والعاهات تعتمد على العمر في النشاط الحركي13،21. ترميز الجينات ثلاثة أسرة البروتينات اندوفيلين: اندوفيلين 1، اندوفيلين 2، واندوفيلين 3. جدير بالذكر أن النمط الظاهري الناجمة عن نضوب البروتينات اندوفيلين تختلف إلى حد كبير تبعاً للعدد المفقودين اندوفيلين الجينات13،21. بينما ثلاثية المغلوب (كو) لجميع اندوفيلين الجينات القاتلة ساعات قليلة بعد الولادة، والفئران دون كلا اندوفيلين 1 و 2 لا تزدهر ولا يموت في غضون 3 أسابيع بعد الولادة، كو واحد لأي من اندوفيلينس الثلاثة يظهر لا النمط الظاهري الواضح لاختبار 21من شروط. إظهار انخفاض عمر الوراثية المسخ الأخرى اندوفيلين وتطوير الإعاقات الحركية مع زيادة العمر13. على سبيل المثال، اندوفيلين 1KO-2HT-3KO الفئران عرض التعديلات المشي ومشاكل التنسيق الحركية (كاختبار تحليل مشيه الحركية وروتارود) بالفعل في 3 أشهر عمر، بينما على ليتيرماتيس، اندوفيلين 1KO-2WT-3KO الحيوانات، عرض كبير تخفيض التنسيق الحركي فقط في 15 شهرا من العمر13. نظراً للتنوع الواسع لتعمل في هذه النماذج، من الضروري تحديد وتطبيق اختبار التي يمكن أن تدمج مجموعة متنوعة من التحديات المرافقة للسيارات للحيوان وقدرات الإدراك، فضلا عن السن. هنا، نحن بالتفصيل الإجراءات التجريبية التي تستفيد من تحليل مشيه الحركية لتقييم ظهور وتطور من العاهات الحركية في نموذج ماوس تظهر التغييرات الأعصاب (أي طفرات اندوفيلين). وهذا يشمل قياس البارامترات مشيه في مختلف الإعمار ومختلف الحدة من ضعف في الحركة.
Protocol
Representative Results
Discussion
دراسة تنسيق السيارات هو نهج مفيد في وصف نماذج أمراض الأعصاب، خاصة بالنسبة للأمراض مثل PD الذي هو التنسيق الحركي تأثرا شديدا. مع المساعدة من بالانزيم تحليل مشيه الحركية الوظيفية، علينا تحديد بعض التغييرات الطفيفة في مشيه الحيوانات في بداية مشاكل الحركة، أو في نماذج مع نيوروديجينيريشن ضعيف…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر أولياء الحيوان في مرفق العيني الحيوان للمساعدة في تربية، والدكتور نونو رايموندو لتعليقات مفيدة على المخطوطة. الدردشة معتمد بواسطة المنح من مؤسسة البحوث الألمانية (DFG) من خلال مركز البحوث التعاونية SFB-889 (مشروع A8) و SFB-1190 (مشروع P02)، وجائزة إيمي نويثر الشباب محقق (1702/1). C.M.R. معتمد من قبل الزمالة، من مدرسة الدراسات العليا غوتنغن لعلوم الأعصاب والفيزياء الحيوية والعلوم البيولوجية الجزيئية (جنب).
Materials
| DigiGait | Mouse Specifics, Inc., Framingham, Massachusetts, USA | DigiGait Imager and Analysis Software are included with the hardware | |
| non-transparent blanket or dark cloth | cover the test chamber to reduce the animal's feeling of exposure/stress | ||
| balance | e.g. Satorius | balance with 0.1 g accuracy and a maximum load of at least 100 g | |
| red finger paint | e.g. Kreul or Staedtler | for increasing the contrast between paws and animal’s body | |
| small paint brush | soft brush to apply finger paint to the animal paws | ||
| diluted detergent | for cleaning | ||
| disinfectant, e.g. Meliseptol or 70% ethanol | e.g. B.Braun | for desinfection |
References
- Clarke, K. A., Still, l. J. Gait analysis in the mouse. Physiology and Behavior. 66, 723-729 (1999).
- Kale, A., Amende, I., Meyer, G. P., Crabbe, J. C., Hampton, T. G. Ethanol’s effects on gait dynamics in mice investigated by ventral plane videography. Alcohol Clin Exp Res. 28 (2), 1839-1848 (2004).
- Amende, I., Kale, A., McCue, S., Glazier, S., Morgan, J. P., Hampton, T. Gait dynamics in mouse models of Parkinson’s disease and Huntington’s disease. J Neuroeng Rehabil. 25, 2-20 (2005).
- Herbin, M., Hackert, R., Gasc, J. P., Renous, S. Gait parameters of treadmill versus overground locomotion in mouse. Behavioural Brain Res. 181 (2), 173-179 (2007).
- Powell, E., Anch, A. M., Dyche, J., Bloom, C., Richtert, R. R. The splay angle: A new measure for assessing neuromuscular dysfunction in rats. Physiol Behav. 67 (5), 819-821 (1999).
- Blin, O., Ferrandez, A. M., Serratrice, G. Quantitative analysis of gait in Parkinson patients: increased variability of stride length. J Neurol Sci. 98 (1), 91-97 (1990).
- Švehlík, M. D., et al. Gait Analysis in Patients With Parkinson’s Disease Off Dopaminergic Therapy. Arch Phys Med Rehabil. 90 (11), 1880-1886 (2009).
- Roome, R. B., Vanderluit, J. L. Paw-dragging: a novel, sensitive analysis of the mouse cylinder test. J Vis Exp. (98), e52701 (2015).
- Roiz Rde, M., Cacho, E. W., Pazinatto, M. M., Reis, J. G., Cliquet, A., Barasnevicius-Quagliato, E. M. Gait analysis comparing Parkinson’s disease with healthy elderly subjects. Arg Neuropsiquiatr. 68 (1), 81-86 (2010).
- Wang, X. H., et al. Quantitative assessment of gait and neurochemical correlation in a classical murine model of Parkinson’s disease. BMC Neurosci. 13, 142 (2012).
- Lao, C. L., Kuo, Y. H., Hsieh, Y. T., Chen, J. C. Intranasal and subcutaneous administration of dopamine D3 receptor agonists functionally restores nigrostriatal dopamine in MPTP-treated mice. Neurotox Res. 24 (4), 523-531 (2013).
- Zhao, Q., Cai, D., Bai, Y. Selegiline rescues gait deficits and the loss of dopaminergic neurons in a subacute MPTP mouse model of Parkinson’s disease. Int J Mol Med. 32 (4), 883-891 (2013).
- Murdoch, J. D., et al. Endophilin-A deficiency induces the FoxO3a-Fbxo32 network in the brain and causes dysregulation of autophagy and the ubiquitin-proteasome system. Cell Rep. 17 (4), 1071-1086 (2016).
- Dai, M., et al. Progression of Behavioral and CNS Deficits in a Viable Murine Model of Chronic Neuronopathic Gaucher Disease. PLoS One. 11 (9), e0162367 (2016).
- Szalardy, L., et al. Lack of age-related clinical progression in PGC-1α-deficient mice – implications for mitochondrial encephalopathies. Behav Brain Res. , 272-281 (2016).
- Rustay, N. R., Wahlsten, D., Crabbe, J. C. Influence of task parameters on rotarod performance and sensitivity to ethanol in mice. Behavioural Brain Research. 141 (2), 237-249 (2003).
- Majdak, P., et al. A new mouse model of ADHD for medication development. Sci Rep. 6, 39472 (2016).
- Ishige, A., Sasaki, H., Tabira, T. Chronic stress impairs rotarod performance in rats: implications for depressive state. Behavior. (1-2), 79-84 (2002).
- Fukui, D., Kawakami, M., Matsumoto, T., Naiki, M. Stress enhances gait disturbance induced by lumbar disc degeneration in rat. European Spine Journal. 27 (1), 205-213 (2017).
- Stuart, S., Galna, B., Delicato, L. S., Lord, S., Rochester, L. Direct and indirect effects of attention and visual function on gait impairment in Parkinson’s disease: influence of task and turning. Eur J Neuroscience. 46 (1), 1703-1716 (2017).
- Milosevic, I., et al. Recruitment of endophilin to clathrin coated pit necks is required for efficient vesicle uncoating after fission. Neuron. 72 (4), 587-601 (2011).
- Shi, M., et al. Identification of glutathione S-transferase pi as a protein involved in Parkinson disease progression. Am. J. Pathol. 175 (1), 54-65 (2009).
- Arranz, A. M., et al. LRRK2 functions in synaptic vesicle endocytosis through a kinase-dependent mechanism. J. Cell Sci. 128, 541-552 (2015).
- Quadri, M., et al. Mutation in the SYNJ1 gene associated with autosomal recessive, early-onset Parkinsonism. Hum. Mutat. 34 (9), 1208-1215 (2013).
- Krebs, C. E., et al. The Sac1 domain of SYNJ1 identified mutated in a family with early-onset progressive Parkinsonism with generalized seizures. Hum. Mutat. 34 (9), 1200-1207 (2013).
- Edvardson, S., et al. A deleterious mutation in DNAJC6 encoding the neuronal-specific clathrin-uncoating co-chaperone auxilin, is associated with juvenile parkinsonism. PLoS ONE. 7 (5), e36458 (2012).
- Cao, M., Milosevic, I., Giovedi, S., De Camilli, P. Upregulation of parkin in endophilin mutant mice. J neurosci. 34 (49), 16544-16549 (2014).
- Cao, M., et al. Parkinson sac domain mutation in synaptojanin 1 impairs clathrin uncoating at synapses and triggers dystrophic changes in dopaminergic axons. Neuron. 93 (4), 882-896 (2017).
- Farsad, K., Ringstad, N., Takei, K., Floyd, S. R., Rose, K., De Camilli, P. Generation of high curvature membranes mediated by direct endophilin bilayer interactions. J. Cell Biol. 155, 193-200 (2001).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. The SH3p4/Sh3p8/SH3p13 protein family: binding partners for synaptojanin and dynamin via a Grb2-like Src homology 3 domain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (16), 8569-8574 (1997).
- Ringstad, N., et al. Endophilin/SH3p4 is required for the transition from early to late stages in clathrin-mediated synaptic vesicle endocytosis. Neuron. 24 (1), 143-154 (1999).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. J. Differential expression of endophilin 1 and 2 dimers at central nervous system synapses. Biol. Chem. 276 (44), 40424-40430 (2001).
- Verstreken, P., et al. Endophilin mutations block clathrin-mediated endocytosis but not neurotransmitter release. Cell. 109 (1), 101-112 (2002).
- Boucrot, E., et al. Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway. Nature. 517, 460-465 (2015).
- Takezawa, N., Mizuno, T., Seo, K., Kondo, M., Nakagawa, M. Gait disturbances related to dysfunction of the cerebral cortex and basal ganglia. Brain Nerve. 62 (11), 1193-1202 (2010).
- Wahlsten, D. . Mouse Behavioral Testing: How to Use Mice in Behavioral Neuroscience. , (2010).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. D. Treadmill Gait Analysis Does Not Detect Motor Deficits in Animal Models of Parkinson’s Disease or Amyotrophic Lateral Sclerosis. J Mot Behav. 40 (6), 568-577 (2008).
- Hampton, T. G., Amende, I. Treadmill gait analysis characterizes gait alterations in Parkinson’s disease and amyotrophic lateral sclerosis mouse models. J Mot Behav. 42 (1), 1-4 (2010).
- Glajch, K. E., Fleming, S. M., Surmeier, D. J., Osten, P. Sensorimotor assessment of the unilateral 6-hydroxydopamine mouse model of Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 230 (2), 309-316 (2012).
- Takayanagi, N., et al. Pelvic axis-based gait analysis for ataxic mice. J Neurosci Methods. 219 (1), 162-168 (2013).
- Zhou, M., et al. Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease. Neurosci Lett. 584, 184-189 (2015).
- Geldenhuys, W. J., Guseman, T. L., Pienaar, I. S., Dluzen, D. E., Young, J. W. A novel biomechanical analysis of gait changes in the MPTP mouse model of Parkinson’s disease. PeerJ. 3, e1175 (2015).
- Baldwin, H. A., Koivula, P. P., Necarsulmer, J. C. Step Sequence is a Critical Gait Parameter of Unilateral 6-OHDA Parkinson’s Rat Models. Cell Transplant. 26 (4), 659-667 (2017).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Curr Protoc Neurosci. , (2001).
- Milosevic, I. Revisiting the Role of Clathrin-Mediated Endocytosis in Synaptic Vesicle Recycling. Front Cell Neurosci. , (2018).
