Summary
Cette étude présente un système innovant de mobilité des animaux à base de roue de roulement pour quantifier une activité d'exercice effectif chez les rats. Un banc d'essai de rat-friendly est construit, en utilisant une courbe d'accélération adaptative prédéfinie, et une forte corrélation entre le taux d'exercice effectif et le volume de l'infarctus suggère le potentiel du protocole pour les expériences de prévention des accidents vasculaires cérébraux.
Abstract
Cette étude présente un système de mobilité des animaux, équipé d'une roue de positionnement de roulement (PRW), en tant que moyen de quantifier l'efficacité d'une activité d'exercice pour réduire la gravité des effets de l'accident vasculaire cérébral chez le rat. Ce système offre une formation d'exercice animale plus efficace que les systèmes disponibles dans le commerce tels que des tapis roulants et des roues de course motorisés (MRWs). Contrairement à une MRW qui ne peut atteindre des vitesses inférieures à 20 m / min, les rats sont autorisés à fonctionner à une vitesse stable de 30 m / min sur une piste plus spacieuse et de caoutchouc haute densité course soutenue par une roue acrylique de 15 cm de large avec un diamètre de 55 cm de ce travail. En utilisant une courbe d'accélération adaptative prédéfini, le système réduit non seulement l'erreur de l'opérateur, mais forme également les rats à courir constamment jusqu'à une intensité spécifiée est atteinte. Comme une façon d'évaluer l'efficacité de l'exercice, la position en temps réel d'un rat est détecté par quatre paires de capteurs infrarouges déployés sur la roue de roulement. une fois qu'uncourbe d'accélération adaptatif est initiée à l'aide d'un micro-contrôleur, les données obtenues par les capteurs infrarouges sont automatiquement enregistrées et analysées dans un ordinateur. A titre de comparaison, trois semaines de formation est effectuée sur des rats en utilisant un tapis roulant, une MRW et une PRW. Après induire chirurgicalement occlusion de l'artère cérébrale moyenne (MCAo), les scores modifiés neurologiques de gravité (MNSs) et un test de plan incliné ont été menées pour évaluer les dommages neurologiques aux rats. PRW est validé expérimentalement comme le plus efficace entre ces systèmes de mobilité des animaux. En outre, une mesure exercice de l'efficacité, basée sur l'analyse de la position de rat, a montré qu'il existe une forte corrélation négative entre l'exercice effectif et le volume de l'infarctus, et peut être utilisée pour quantifier une formation de rat dans tout type de cerveau des expériences de réduction des dommages.
Introduction
Strokes existent en permanence comme un fardeau financier pour les pays à l' échelle mondiale, laissant d' innombrables patients handicapés physiques et mentaux 1, 2. Il existe des preuves cliniques pour suggérer que l' exercice régulier peut améliorer la régénération des nerfs et de renforcer les connexions neuronales 3, 4, et il est également indiqué que l' exercice peut diminuer le risque de souffrir d' accidents vasculaires cérébraux ischémiques 5. Avec soit un tapis roulant ou une roue en cours d'exécution en tant que système de formation d'exercice, les rongeurs, tels que les rats, servir de proxy pour les humains pour tester l'efficacité des exercices dans une grande majorité des expériences cliniques 6 - 8. Un système de formation implique généralement la formation d'un rat pendant une certaine période de temps, au cours de laquelle un rat tourne à une certaine vitesse. Par conséquent, l'intensité d'entraînement est généralement calculé en fonction de la vitesse et de la durée d'exercice 6 - 8. La même approche est appliquée àestimer la quantité d'exercice nécessaire pour la protection neurophysiologique. Cependant, les exercices expérimentaux sont parfois avérés inefficaces, comme quand un trébuche de rat, les chutes, ou saisit les rails une fois qu'ils sont incapables de rattraper la vitesse de roue de roulement 9 - 11. Inutile de dire que les incidents d'exercice inefficaces réduisent de manière significative le bénéfice de l'exercice. Même si il n'y a pas toute approche universellement acceptée actuellement pour quantifier les exercices efficaces pour réduire les lésions cérébrales, le niveau des exercices efficaces tient toujours comme une évaluation objective pour les chercheurs cliniques pour illustrer les bienfaits de l'exercice dans la discipline de la neurophysiologie.
Il existe un certain nombre de limitations disponibles dans le commerce des systèmes de mobilité des animaux utilisés dans les lésions cérébrales des expériences 12 de réduction d'aujourd'hui. Dans un cas de tapis roulant, les rats sont contraints de fonctionner au moyen de chocs électriques, induisant énorme psychologiquele stress sur les animaux et donc des interférences dans le test neurophysiologique résultats finaux 8, 13, 14. roues en cours peuvent être classés en deux types, à savoir volontaires et forcés. Roues de roulement volontaires permettent rats de fonctionner naturellement, créant une variabilité excessive en raison des différences dans les caractéristiques et les capacités physiques 15 des rats, tandis que les roues de course motorisés (MRWs) utilisent un moteur pour faire tourner la roue, ce qui oblige les rats à courir. En dépit d' être aussi une forme de formation forcée, MRWs impose moins de stress psychologique sur les rats que les tapis roulants 13, 16, 17. Cependant, des expériences utilisant MRWs ont rapporté que les rats interrompent parfois l'exercice en saisissant les rails sur la voie de la roue et en refusant de fonctionner à des vitesses supérieures à 20 m / min 9. Ces exemples montrent que les systèmes de mobilité des animaux actuellement disponibles ont un inconvénient inhérent qui inhibe efficacement l'exercice. Pourdes fins de formation de rat objectifs, le développement d'un système de formation très efficace mais avec une faible interférence est donc considérée comme un problème urgent pour les expériences d'exercice neurophysiologiques.
Cette étude présente un système de roue de roulement très efficace pour les expériences sur la réduction de la gravité des effets de la course 11. En plus d'un nombre réduit de facteurs d'interférence lors d'un processus de formation, ce système détecte la position de marche d'un rat en utilisant des capteurs infrarouges intégrés dans la roue, réalisant ainsi une estimation plus fiable de l'activité de l'exercice effectif. Le stress psychologique imposé par des tapis roulants traditionnels et les interruptions d'exercice fréquentes MRWs tant biaiser l'objectivité des estimations d'exercice résultant. Un système de roue de positionnement de roulement (PRW) présenté dans cette étude est développée dans le but de minimiser les interférences indésirables tout en fournissant un modèle de formation fiable pour quantifier exe efficacercice.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Déclaration d'éthique: Les procédures expérimentales ont été approuvées par le comité d'éthique des animaux du sud de Taiwan University of Science and Technology Laboratory Animal Center, National Science Council, République de Chine (Tainan, Taiwan).
1. Construire la structure de course de roue
REMARQUE: Tous acrylique doit être transparent. Laver la roue démontée avec de l'eau, puis utiliser l'alcool pour essuyer la chenille en caoutchouc et les feuilles acryliques après chaque utilisation.
- Obtenir une roue de roulement acrylique pour être de 55 cm de diamètre et 15 cm de largeur.
NOTE: Cette roue est supérieure à une roue traditionnelle de roulement (diamètre = 35 cm; largeur = 12 cm) (F igure 1A). - L' utilisation d' un couteau, découper une ouverture en quart de cercle dans un côté de la roue de roulement pour agir comme une entrée et une sortie aussi bien pour les rats (figure 1B). Placer une couche de chenille en caoutchouc à haut frottement à l'intérieur de la acrroue ylique (figure 1B).
- Placez une tige de fer avec des roulements pour relier la roue de roulement (figure 1B). Placez deux colonnes triangulaires acryliques de chaque côté de la roue de roulement pour agir en tant que cadre de support (figure 1B).
- Joindre une feuille de 1 mm d'épaisseur semi-circulaire, acrylique transparent sur les côtés extérieurs des deux colonnes triangulaires à l'aide de vis. Utilisez cette feuille pour déployer les capteurs infrarouges. Faire en sorte que les feuilles acryliques sont d'environ 3 cm de chaque côté de la roue de roulement.
2. Déploiement des capteurs infrarouges et Définition de la zone d'exercice efficace
NOTE: Prendre en compte la taille de la roue de roulement et la longueur de rat dans la conception d'un système infrarouge. Un rat ne déclenche un capteur unique à la fois. Dans cette expérience, les rats sont compris entre 20 et 23 cm de long.
- Percez un trou dans les plaques acryliques chaque (intervalle d'arc = 21 cm) à 45 °, avec la distanceentre deux trous étant à peu près équivalente à la longueur d'un rat d'essai. Faire des trous de la même taille que les capteurs infrarouges (figure 2A).
NOTE: Pour MRWs traditionnels, percer un trou tous les 70 ° (intervalle d'arc = 21 cm, figure 2B). - Au cours d'une expérience PRW, maintenir les rats à un état d'équilibre de courant entre 0 ° à 135 °.
NOTE: Ainsi définir cette zone comme la zone d'exercice effectif, tout en vue de toutes les autres sections que les aires d'exercice inefficaces. Pour MRWs traditionnels, définir la zone d'exercice efficace que la portion comprise entre 0 ° à 140 ° (figure 2B).
3. Conduire la roue de roulement
- Utilisez un moteur à courant continu sans balais et un pilote de moteur pour entraîner la roue de roulement.
- Monter un disque de 10 cm de diamètre en caoutchouc sur l' axe central du moteur (figure 1B).
- Utilisation de l'armature de fer et des ressorts pour supporter le moteur, branchez le disque en caoutchoucl'axe central du moteur sur le côté extérieur de la roue de roulement.
NOTE: Les ressorts doivent coopérer avec les vis pour permettre des ajustements en hauteur du moteur dynamique et pour empêcher le disque de caoutchouc d'être déconnecté à la piste de roue de roulement en raison des ressorts lâches. - Faire fonctionner le moteur pour entraîner les 10 cm disque de caoutchouc de diamètre à l'aide d'un microcontrôleur, et d'observer la roue tourner en raison de la friction entre le disque de caoutchouc et la piste de la roue, la création d'une plate-forme de roue de roulement motorisé.
- Installer quatre capteurs infrarouges de manière séquentielle entre 0 ° et 135 ° (figure 2A).
NOTE: Pour MRWs traditionnels, monter des capteurs entre 0 ° à 140 ° (figure 2B). - Connectez quatre paires de capteurs infrarouges montés dans les deux feuilles d'acrylique aux broches générales du microcontrôleur à l'aide de câbles à âme unique, formant ainsi un système de positionnement de roue de roulement.
4. Construire un accélér Adaptivesur la courbe
- Trois jours avant le début de l'entraînement officiel d'exercice de 3 semaines, la formation des rats en actionnant manuellement la roue de roulement.
NOTE: Le but est de permettre aux rats de se familiariser avec l'environnement en cours d'exécution, et est de tester si chaque rat peut supporter en cours d'exécution à 20 m / min.- Pendant la formation, à commande manuelle, d'accélérer progressivement la vitesse de défilement jusqu'à ce qu'un rat est incapable de suivre le rythme. Lorsque cela se produit, réduire la vitesse jusqu'à ce que le rat retrouve un rythme de fonctionnement régulier, puis augmenter progressivement la vitesse jusqu'à ce que le rat atteint 20 m / min (lignes en pointillés sur la figure 3). Le manuel de formation comprend sept rats pour construire les courbes de formation.
- En utilisant une équation numérique pour adapter les données mesurées au jour 3 du test manuel, calculer les courbes d'accélération les plus proches du manuel de formation (la courbe avec les cercles, la figure 3). Fit l' équation 1 aux données brutes, où C ini = 8, C fin NOTE: Cette équation s'adapte à l'état du corps d'un rat. Par conséquent, se référer à la courbe calculée comme un modèle d'accélération de formation adaptative.
(1) - Utilisez l'équation 1 pour la semaine 1 de la formation formelle.
- Pour les semaines 2 et 3 de la formation, régler les paramètres de l'équation 1, c'est-à-dire, le changement A 12-22, pour permettre à la vitesse pour atteindre 30 m / min.
(1) 5. Contrôle du Logiciel
REMARQUE: Exclusivement développer un code pour le fonctionnement du moteur à microcontrôleur et pour la transmission de signaux en provenance des capteurs infrarouges à un ordinateur pour une analyse ultérieure des données.
- Utiliser un langage de programmation C pour écrire un programme de contrôle du logiciel contenant un programme principal et deux routines d'interruption de service pour la minuterie enle microcontrôleur 18.
- Assurez-vous que le programme principal initialise le registre du microcontrôleur et construit un modèle de courbe d'accélération adaptative dans la mémoire du microcontrôleur.
- Utilisez la routine d'interruption de service de minuterie 0 pour activer la courbe d'accélération adaptative et calculer la durée de la formation entière.
- Utiliser la routine d'interruption de service de minuterie 1 pour extraire les données des signaux des capteurs infrarouges et pour transférer les données vers l'ordinateur.
- Utilisez le programme principal pour enregistrer la position de 0 o pour régler la vitesse de la roue de roulement.
- Une fois que le capteur de réception IR à 0 ° est déclenchée, l'interpréter comme une incidence de la chute, qui est accumulé par le programme principal. Le moment où les fois d'occurrence des incidents de chute atteint le seuil de 10% du nombre de détections de position de rat, deaccelerate la roue de roulement automatiquement en tant que mesure de sécurité pour les rats entraînés. NOTE: La o vitessef roue en cours d' exécution est réduite jusqu'à ce que le rat peut revenir à la zone de sécurité (0 o à 135 o) et de maintenir un état de fonctionnement stable pour la mesure de sécurité.
6. Utilisation du système de roue de course de positionnement
- Allumez le microcontrôleur et attendre pour un opérateur d'appuyer sur le bouton pour démarrer le modèle de formation de chaque semaine.
- Appuyez sur le bouton "Démarrer" pour lancer le modèle de formation pour la semaine 1.
REMARQUE: Le moteur accélère automatiquement en fonction de la courbe d'accélération adaptatif jusqu'à ce qu'elle atteigne 20 m / min, et arrête automatiquement après 30 min. - Appuyez sur le bouton "Démarrer" pour lancer le modèle de formation pour la semaine 2.
REMARQUE: Le moteur accélère automatiquement en fonction de la courbe d'accélération adaptatif jusqu'à ce qu'elle atteigne 30 m / min, et arrête automatiquement après 30 min. - Appuyez sur le bouton "Démarrer" pour lancer le modèle de formation pour la semaine 3.
NOTE: Le moteur automatiquement accelerates sur la base de la courbe d'accélération adaptatif jusqu'à ce qu'elle atteigne 30 m / min, et arrête automatiquement après 60 min.
NOTE: Tout au long du processus de formation, de transmettre les données de signaux reçus des capteurs infrarouges à un ordinateur sans fil.
- Appuyez sur le bouton "Démarrer" pour lancer le modèle de formation pour la semaine 1.
- L'utilisation d'un ordinateur, d'analyser les données de localisation pour obtenir une mesure d'exercice efficace pour le processus d'exercice (
). Voir l'équation 2. 
(2)
NOTE: EEE, EED et IED représentent la mesure d'exercice effectif, les durées efficaces et inefficaces exercice, respectivement.
). Voir l'équation 2. 
(2) 7. Formation des Rats
- diviser Aléatoirement mâles adultes rats Sprague-Dawley en cinq groupes (n = 9 pour chaque groupe): les simulacres, le contrôle, tapis roulant, MRW et PRW groupes.
- Effectuer un exercice de formation de 3 semaines pour les trois groupes d'exercice, à savoir le trgroupes eadmill, MRW et PRW, alors que ne le font pas pour l'imposture et les groupes témoins.
NOTE: La formation d'exercice de 3 semaines pour chaque groupe d'exercice est de 20 m / min pendant 30 minutes au cours de la semaine 1, 30 m / min pendant 30 minutes au cours de la semaine 2 et 30 m / min pendant 60 minutes au cours de la semaine 3.
8. animale et modèle de l'AVC
- Comme indiqué dans Sec. 7.1, diviser au hasard tous les adultes mâles rats Sprague-Dawley impliqués, pesant entre 250-280 g, en 5 groupes.
- Peser tous les animaux pour assurer précis des calculs de dosage des médicaments. Anesthésier les rats avec du pentobarbital sodique (25 mg / kg par voie intrapéritonéale [IP]) et un mélange contenant de la kétamine (4,4 mg / kg par voie intramusculaire [im]), atropine (0,02633 mg / kg [im]) et de xylazine (6,77 mg / kg, [im]).
- Évaluer la profondeur de l' anesthésie en surveillant le taux de respiration (70-115 respirations normales / min), le rythme, la profondeur de la respiration, la couleur des muqueuses et des tests réguliers des réflexes, par exemple pincement des orteils, pincement de la queue, la paupière / cilset palpébrale.
- Insérer des sondes de température dans le rectum et pour maintenir la température rectale compris entre 37 et 37,5 ° C en utilisant des lampes chauffantes séparées.
- Provoquer ischémie focale transitoire occlusion de l' artère cérébrale moyenne (MCAo) en insérant un filament dans l'artère carotide interne pour obturer l'orifice de l'artère cérébrale moyenne via carotide externe approche de l' artère 19.
- Effectuez les mêmes procédures d'exploitation sur les animaux opérés de manière fictive, alors que ne pas insérer un filament dans l'artère carotide interne. Maintenir une ischémie cérébrale focale pendant 1 heure, retirer le filament, fermer l'incision, puis laisser 1 cm de la suture en nylon en saillie, qui pourrait être retiré pour permettre la reperfusion.
- Administrer sous-cutanée (sc), injection d'un analgésique (buprénorphine (0,05 mg / kg, sc)), dans les animaux pour l'analgésie deux fois par jour pendant 3 jours.
9. Évaluation Neural Dommages
- Evalfonctions luer neurologiques et motrices, respectivement, par le score de gravité neurologique (MNSs) 20 et un test de plan incliné 21.
NOTE: MNSs est un composite du moteur (état musculaire, mouvement anormal), sensoriel (visuel, tactile et proprioceptive) et des tests de réflexes. Donner un point pour non-exécution d'une tâche. Taux fonction neurologique sur une échelle de 0-18 (score normal = 0; maximale score déficit = 18). - Évaluer tous les rats en termes de performance comportementale la veille et par jour pendant un laps de temps de 7 jours après la chirurgie.
- Mesurer la biche force branche de préhension du rat en utilisant un plan incliné.
- Placer des rats sur l'appareil d'escalade inclinée sur une base quotidienne, et s'acclimater aux rats à l'appareil et les conditions de test 1 semaine avant l'essai.
- Placer chaque rat sur l'appareil et favoriser le rat à monter sur la plate-forme jusqu'à ce que le haut de l'appareil pendant la période d'acclimatation.
- Placez le rat àla partie supérieure de l'appareil avec la tête vers le bas au cours des essais. Faire en sorte que l'axe du corps des haubans de rats le long d'une surface nervurée 2 caoutchouc 20 x 20 cm sur le plan incliné à partir d'un angle de 25 °.
- Augmenter l'angle dynamiquement à l'aide d'une vis à billes relié à un moteur pas à pas pour déterminer l'angle maximal auquel un animal pourrait tenir au plan. Augmenter l'angle du plan incliné progressivement jusqu'à ce que la souris n'a pas réussi à maintenir sur le plan incliné, puis détecter un événement glisser vers le bas. Le degré de plan incliné de référence est de 25 ° au début.
- Demandez à deux observateurs (inconscients de ce traitement , les rats avaient été donnés), d'examiner de façon indépendante et marquer tous les tests de comportement, à savoir la moyenne des angles maximaux gauche et du côté droit.
- Sacri fi ce de tous les animaux le jour 7 après MCAo. Perfuser les coeurs des animaux sous anesthésie profonde (pentobarbital de sodium 100 mg / kg, ip) avec une solution saline 22 22.
- Immerger les coupes de cerveau frais en 2, 3, chlorure de 5-triphényltétrazolium (TTC) à 37 ° C pendant 30 min, puis transférer les tranches de solution de formaldéhyde de 5% pour fi xation à 4 ° C pendant 24 heures. Placer les tranches de cerveau colorées sur un support de plexiglas.
- Photographier les tranches TTC-colorées avec une échelle calibrée à l'aide d'une caméra CCD reliée à un ordinateur chargé avec un logiciel de traitement d'image. Utiliser un système semi-automatisé d' analyse d' images et d'estimer la zone infarcie (mm 2) de chaque tranche de cerveau TTC teinté 23.
- Calculer le volume de l'infarctus total pour chaque tranche par sommation des zones infarci de toutes les tranches de cerveau. Marquez la zone unstained (cérébrale ischémique) séparément sur chaque côté de 2 mm tranches épaisses, puis calculer le volume de l'infarctus et la valeur moyenne.
- calcufin le volume de l'infarctus corrigé (CIV) comme
CIV = {LT- (RT- RI)}
d (3)
REMARQUE: Lorsque LT et RT représentent les zones des hémisphères gauche et droit en mm 2, respectivement, RI est la région infarcie , en mm 2, et d = 2 mm est l'épaisseur de la tranche.
d (3) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Cette section est consacrée à des comparaisons, fait 1 semaine après la chirurgie, sur les scores MNSs, les résultats des tests inclinaison planes et cérébrales volumes d'infarctus chez les cinq groupes. Figure 4A et 4B présentent les scores moyens MNSs et la moyenne des résultats des tests pente plane, respectivement. Le groupe PRW apparaît comme le meilleur en termes d'amélioration MNSs. Les différences significatives entre PRW et MRW et entre tapis roulant et PRW suggèrent clairement que le PRW protège contre la course plus efficacement que d'autres systèmes de mobilité des animaux actuellement disponibles. tests de plan incliné sont réalisés à nettement plus raides angles d'inclinaison dans tous les groupes d'exercice que dans le groupe de contrôle sur un laps de temps de sept jours après la chirurgie, ce qui démontre clairement les avantages de l'exercice comme un moyen de réduire la gravité des effets de la course. En particulier, l'angle d'inclinaison dans le groupe PRW a été démontré que l'aciravageurs parmi tous les groupes d'exercice, et est même comparable à celle dans le groupe témoin, montrant un niveau plus élevé de récupération que tapis roulant et MRW. En outre, la figure 4C montre que, après l' extraction des coupes de cerveau après 7 jours de neurones évaluation des dommages, le groupe PRW non seulement présentait un volume de l' infarctus significativement inférieure à celle du groupe témoin , mais présentait également le volume le plus petit de l' infarctus parmi tous les groupes d'exercice. Il est donc clairement démontré que les rats entraînés à l'aide d'un PRW subi beaucoup moins de dégâts cerveau myocarde que ceux qui utilisent des systèmes de formation disponibles dans le commerce, la vérification de la supériorité de PRW en ce qui concerne la formation du cerveau de réduction des dégâts.
Cette étude présente une approche scientifique pour quantifier l'activité de l'exercice effectif dans la formation du cerveau de réduction des dégâts. Pendant 3 semaines de formation, il est une mesure de l'exercice effectif de 98% dans PRW, alors que seulement 68% en MRW (tableau 1). Cette différence significative dans le taux d'exercice effectif démontre que la supériorité du mécanisme de formation PRW. La mesure de l' exercice inefficace, défini comme 1 - la mesure de l' exercice effectif et en corrélation avec le score MNSs (figure 4A), donne une corrélation avec le score MNSs (tableau 1) de 88%. En outre, il existe une corrélation de 85% entre la mesure effective de levée et l'angle de l' inclinaison du plan (tableau 1), et une corrélation de 92% entre la mesure d'exercice inefficace et le volume de l' infarctus (tableau 1). En particulier, une mesure d'exercice effectif aussi élevé que 98% est en corrélation avec un faible volume de l'infarctus extrême dans le cas PRW. Une corrélation significative est donc démontrée entre l'exercice inefficace et l'étendue des dommages neurologiques.
/54354/54354fig1.jpg "/>
Figure 1: Système PRW (A) Dessin de construction d'un PRW.. La roue de roulement est de 55 cm de diamètre et 15 cm de largeur. Sur la moitié inférieure de la roue de roulement, un trou a été foré tous les 45 ° pour les capteurs infrarouges tranche. (B) de l' image réelle du PRW. Une couche de chenille en caoutchouc à forte adhérence est positionnée à l'intérieur de la roue acrylique. Une ouverture en quart de cercle sur un côté de la roue de roulement agit comme une entrée et une sortie aussi bien pour les animaux dressés. Une tige de fer avec des roulements relie la roue de roulement aux colonnes triangulaires, supportant la roue de roulement. Un moteur est fixé à l'extérieur de la piste de roue de roulement et est relié à la piste de roulement de roue par un disque de caoutchouc axe central monté sur 10 cm. Un microcontrôleur actionne le moteur et commande ainsi la roue de roulement. Une paire de plaques acryliques semi-circulaires, transparents sont fixés au colu triangulaire mns, et quatre paires de capteurs infrarouges sont intégrés dans les plaques acryliques. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2: Déploiement de capteurs infrarouges (A) Selon la taille de la PRW et la longueur du corps d'un rat, une paire de capteurs infrarouges ont été déployés tous les 45 ° entre 0 ° et 135 ° (produisant un total de 8 capteurs). . Entre 0 ° et 135 °, les rats présentaient un état de fonctionnement normal, et donc cette zone a été définie comme la zone d'exercice efficace. (B) Dans le cas MRW, une paire de capteurs infrarouges ont été déployés tous les 70 ° entre 0 ° à 140 °.obtenir = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3:. Construction d'un modèle d' accélération de formation adaptative pour l' exercice d'accélération en douceur Les lignes en pointillés représentent les courbes d'accélération spécifiées manuellement pour la formation de sept rats au jour 3, et peut être caractérisée comme une fonction exponentielle. Nonlinear d'ajustement de courbe est alors effectuée en conséquence. La courbe avec des cercles représente la courbe d'accélération adaptative initiale pour la semaine 1, la courbe 1 semaine pour faire court. La courbe pour les semaines 2 et 3 est une version adaptée de la courbe semaine 1 avec une vitesse finale à 30 m / min (C fin = 30). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4:. Comparaison sur neurologique évaluation des dégâts parmi les groupes sur une période de temps de 7 jours après la chirurgie (chaque groupe avec 9 rats) (A) Scores moyens MNSs (moyenne ± écart - type). Il existe une variation significative entre tous les exercices et les groupes témoins, la preuve que la réduction des prestations d'exercice de dommages au cerveau. Le groupe PRW fournit le plus faible score parmi les groupes d'exercice, ce qui démontre un mécanisme neuroprotecteur supérieur aux autres systèmes de formation. (B) Moyenne des angles d'essai patte postérieure (moyenne ± SD). Un angle plus raide est démontré dans le PRW que dans le groupe témoin, et il est démontré que la plus forte parmi tous les groupes d'exercice. En outre, il y avait peu de différence entre le PRW et les groupes fictifs, indicating patte postérieure de l'emprise que PRW régénérée rats de à un niveau supérieur. (C) Comparaison du volume de l' infarctus (moyenne ± écart type). PRW acquiert le volume beaucoup plus faible que le groupe témoin, et se classe le plus bas parmi tous les groupes d'exercice, la validation de l'effet important du PRW sur la réduction des dommages au cerveau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Groupe | mesure d'exercice efficace% (EEE) | MNSs | angle plan incliné | le volume de l'infarctus |
| PRW | 98.88 ± 1.11 | 23,54 ± 3,08 | 100 | 37,6 ± 1,08 |
| MRW | 68.05 ± 5.39 | 70,7 ± 6,48 | 34.23 ± 4.48 | 72,76 ± 6,52 </ Td> |
| Contrôle | 0 | 100 | 0 | 100 |
| Le coefficient de corrélation (R 2) avec des équipements électriques et électroniques | -0.88 | 0,85 | -0.92 |
Tableau 1: Comparaison sur la corrélation entre l' activité d'exercice efficace et des dommages neurologiques comparaison de l' activité d'exercice efficace parmi les PRW, MRW et les groupes témoins.. Les groupes PRW et MRW donnent un 98% et une mesure de l'exercice effectif de la moyenne de 68%, respectivement, après une formation de 3 semaines, ce qui signifie que PRW fournit une plus grande quantité d'une formation efficace. Il existe une corrélation entre 0,88 et MNSs mesure d'exercice inefficace, une corrélation de 0,85 entre la mesure effective de l'exercice et l'angle de plan incliné, et une corrélation de 0,92 entre la mesure de l'exercice inefficace et le volume de l'infarctus, le respectivement. En particulier, un taux d'exercice effectif jusqu'à 98% est en corrélation avec un volume de l'infarctus extrêmement petite PSW. Les données de MNSs, angle de plan incliné, et les volumes d'infarctus sont normalisés.
| Fonction | PRW (cette étude) | MRW | Treadmill |
| L'entraînement physique | Forcé (latéralement motorisé) | Forcé (motorisé central) | Forcé (choc électrique) |
| Nombre d'animaux de formation simultanément | Unique | Unique | Pluralité |
| structure de la piste | courroie en caoutchouc texturé | Bars | Courroie en caoutchouc |
| intensité trainable | Low, intermédiaire, élevé | Faible intermédiaire | Low, intermédiaire, élevé |
| accélération Adaptiveentraînement | Oui | Non | Non |
| Exécution de détection de position | Oui | Non | Non |
| formation Décélération | Oui | Non | Non |
| évaluation de l'exercice efficace | Oui | Non | Non |
Tableau 2:. Comparaison entre les systèmes de mobilité des animaux PRW peut être utilisé à tout niveau d'intensité de la formation. La combinaison d'une roue personnalisé avec une courbe de formation adaptative, PRW sert une alternative supérieure aux homologues. En outre, la technique de détection de position infrarouge est utilisé pour quantifier une activité d'exercice efficace pour la réduction des dommages au cerveau.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ce protocole décrit un système de roue de roulement très efficace pour réduire la gravité des effets de l'accident vasculaire cérébral chez les animaux. Comme un banc d'essai de rat-friendly, cette plate-forme est conçue aussi bien d'une manière telle que la vitesse de fonctionnement stable peut être maintenue par des rats à travers un processus en cours au moyen d'une courbe d'accélération adaptative prédéterminée. Dans les systèmes de formation typiques, des vitesses et des durées de formation prédéfinies sont réglées manuellement. Une fois un exercice commence, une vitesse prédéfinie est atteinte très rapidement. Dans ce contexte, il est très probable que les rats sont incapables d'atteindre des vitesses plus élevées, ce qui les rend sèche et tombent et affectant la stabilité de leurs courses en conséquence. Les étapes critiques sont, 1.1, 4.1 et 4.2, qui sont les principales caractéristiques de PRW par opposition à MRW. L'intégration entre une piste de course spacieuse, tel que décrit à l'étape. 1.1, et une construction du modèle d'accélération de formation adaptative, visée à l'étape. 4,1 et 4,2, est présentée comme une version améliorée d'untypique MRW. Ces principales caractéristiques conduisent à un volume d'infarctus réduit de MRW. La conception globale du système présenté est conçu comme un banc d'essai de rat-friendly pour une réduction de l'exercice inefficace. Plus précisément, les 4 paires de capteurs infrarouges sont déployés pour détecter la position en temps réel d'un rat, fournissant une mesure de quantifier une activité d'exercice effectif, défini à l'étape. 6.6, pour les comparaisons sur la corrélation avec les scores MNSs, angle de plan incliné et le volume du cerveau de l'infarctus. Cette mesure peut être utilisée pour quantifier tout type d'expériences neurophysiologiques, mais non réalisés dans les plates-formes de formation classiques. Cependant, il est très probable que l'exercice effectif ne peut être détecté pour un petit rat en raison d'une répartition clairsemée des capteurs IR. En outre, un inconvénient majeur par rapport à un tapis roulant est que seul un seul rat peut être formé à la fois sur cette plate-forme. Le dépannage du système comporte deux parties. Le premier est un alignement précis du capteur pour la transmission et la réception de signauxen raison de la forte directivité de IR, tandis que l'autre est la roue de roulement tournant à de tours par minute (rpm). Une source IR détecteur / paire doivent être alignés jusqu'à ce qu'un signal fort puisse être reçu par le détecteur. En ce qui concerne la roue de roulement, le 10 cm disque de caoutchouc d'un diamètre est progressivement usé lorsque la roue est mise en rotation pendant une longue période de temps. Par conséquent, un besoin de printemps pour être desserré comme un moyen de compenser un caoutchouc dur friction insuffisante pour la rotation de la roue normale. Le tableau 2 donne une comparaison sur les systèmes de mobilité des animaux forcés utilisés dans le cerveau des expériences de réduction des dommages.
Tests donnent des résultats nettement meilleurs en termes de scores MNSs, angle d'inclinaison et les volumes d'infarctus dans le groupe PRW que dans le groupe témoin (p <0,05). Le groupe PRW a été validé comme celui qui fournit la plus grande quantité d'une formation efficace d'exercice parmi tous les groupes d'exercice. Dans cette étude, quand formés à l'aide du MRW traditionnelle, les rats are trouve fréquemment de tenir sur les barreaux de la piste et refuser de fonctionner à une vitesse au - delà de 20 m / min, un accord avec une pièce de travail avant 9. Comme un moyen d'améliorer la performance de formation de rat, la piste métallique est redessiné comme une piste de caoutchouc en cours d'exécution à haute densité dans ce travail. Dans un tapis roulant, le stress psychologique est inévitablement imposé sur les rats conduit aux chocs électriques, un problème non résolu dans la discipline de la physiologie dans le passé. Par conséquent, un moyen doit être trouvé pour réduire la fréquence de chute et d'atténuer le stress psychologique imposée aux rats pendant la formation. De cette manière, les résultats des tests peuvent être interprétés de façon plus précise, comme une façon convaincante pour démontrer le bénéfice de l'exercice à la réduction des dommages au cerveau. Ceci est une motivation majeure derrière ce travail.
Ce travail fournit avec succès une mesure quantitative d'une activité d'exercice effectif en corrélation avec le volume de l'infarctus, la preuve la plus directe de dommages de course. Par conséquent, l'exercice effectifdans d'autres types de tests à base d'animaux peuvent être qualifiés en conséquence. Tel que présenté dans 6-8, à la fois l'intensité de l' exercice et la durée sont dans des expériences neurophysiologiques spécifié par l' utilisateur, mais ne tenant pas compte de la quantité efficace d'un entraînement physique. activité d'exercice efficace est validé comme un facteur clé pour la course neuroprotection, en utilisant ce système de mobilité rat-friendly et animale innovante.
On croit que cette plate-forme peut être appliquée à la formation de vitesse variable et des questions connexes à l'avenir. Comme indiqué dans 24, 25, la formation de vitesse variable est considérée comme une formation plus efficace dans la discipline de physiologie de l' exercice. En utilisant une technique de détection de position infrarouge comme une base, la formation de la vitesse variable peut être précisément menée sur les athlètes d'une enquête en profondeur dans le mécanisme de protection neurophysiologique.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brushless DC motor | Oriental Motor | BLEM512-GFS | |
| Motor driver | Oriental Motor | BLED12A | |
| Motor reducer | Oriental Motor | GFS5G20 | |
| Speedometer | Oriental Motor | OPX-2A | |
| Treadmill | Columbus Instruments | Exer-6M | |
| Infrared transmitter | Seeed Studio | TSAL6200 | |
| Infrared Receiver | Seeed Studio | TSOP382 | |
| Microcontroller | Silicon Labs | C8051F330 | |
| CCD camera | Canon Inc. | EOS 450D | |
| Image processing software | Adobe Systems Incorporated | ADOBE Photoshop CS5 12.0 | |
| Image analysis | Media Cybernetics | Pro Plus 4.50.29 | |
| Sodium pentobarbital | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA P-3761 | |
| Ketamine | Pfizer (Kent, UK) | 1867-66-9 | |
| Atropine | Taiwan Biotech Co., Ltd. (Taoyuan, Taiwan) | A03BA01 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA X1126 | |
| Buprenorphine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | B9275 |
References
- Mayo, N. E., Wood-Dauphinee, S., Cote, R., Durcan, L., Carlton, J. Activity, participation, and quality of life 6 months poststroke. Arch Phys Med Rehabil. 83 (8), 1035-1042 (2002).
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Horner, R. D., Landsman, P. B., Samsa, G. P., Matchar, D. B. Similar motor recovery of upper and lower-extremities after stroke. Stroke. 25 (6), 1181-1188 (1994).
- Raichlen, D. A., Gordon, A. D. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 6 (6), (2011).
- Trejo, J. L., Carro, E., Torres-Aleman, I. Circulating insulin-like growth factor I mediates exercise-induced increases in the number of new neurons in the adult hippocampus. J Neurosci. 21 (5), 1628-1634 (2001).
- Zhang, F., Wu, Y., Jia, J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance. Neuroscience. 177, 170-176 (2011).
- Wang, R. Y., Yang, Y. R., Yu, S. M. Protective effects of treadmill training on infarction in rats. Brain Res. 922 (1), 140-143 (2001).
- Ding, Y., et al. Exercise pre-conditioning reduces brain damage in ischemic rats that may be associated with regional angiogenesis and cellular overexpression of neurotrophin. Neuroscience. 124 (3), 583-591 (2004).
- Li, J., Luan, X. D., Clark, J. C., Rafols, J. A., Ding, Y. C. Neuroprotection against transient cerebral ischemia by exercise pre-conditioning in rats. Brain Res. 26 (4), 404-408 (2004).
- Leasure, J. L., Jones, M. Forced and voluntary exercise differentially affect brain and behavior. Neuroscience. 156 (3), 456-465 (2008).
- Chen, C. C., et al. A Forced running wheel system with a microcontroller that provides high-intensity exercise training in an animal ischemic stroke model. Braz J Med Biol Res. 47 (10), 858-868 (2014).
- Chen, C. -C., et al. Improved infrared-sensing running wheel systems with an effective exercise activity indicator. PLoS One. 10 (4), (2015).
- Fantegrossi, W. E., Xiao, W. R., Zimmerman, S. M. Novel technology for modulating locomotor activity as an operant response in the mouse: Implications for neuroscience studies involving "exercise" in rodents. J Neurosci Methods. 212 (2), 338-343 (2013).
- Hayes, K., et al. Forced, not voluntary, exercise effectively induces neuroprotection in stroke. Acta Neuropathol. 115 (3), 289-296 (2008).
- Arida, R. M., Scorza, C. A., da Silva, A. V., Scorza, F. A., Cavalheiro, E. A. Differential effects of spontaneous versus forced exercise in rats on the staining of parvalbumin-positive neurons in the hippocampal formation. Neurosci Lett. 364 (3), 135-138 (2004).
- Waters, R. P., et al. Selection for aerobic capacity affects corticosterone, monoamines and wheel-running activity. Physiol Behav. (4-5), 1044-1054 (2008).
- Ke, Z., Yip, S. P., Li, L., Zheng, X. -X., Tong, K. -Y. The effects of voluntary, involuntary, and forced exercises on brain-derived neurotrophic factor and motor function recovery: A rat brain ischemia model. PLoS One. 6 (2), (2011).
- Caton, S. J., et al. Low-carbohydrate high-fat diets in combination with daily exercise in rats: Effects on body weight regulation, body composition and exercise capacity. Physiol Behav. 106 (2), 185-192 (2012).
- C8051F330/1/2/3/4/5 datasheet. , Silicon Laboratories Inc. Available from: https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F33x.pdf (2006).
- 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).
- Chen, J. L., et al. Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats. Stroke. 32 (4), 1005-1011 (2001).
- Chang, M. -W., Young, M. -S., Lin, M. -T. An inclined plane system with microcontroller to determine limb motor function of laboratory animals. J Neurosci Methods. 168 (1), 186-194 (2008).
- Gartshore, G., Patterson, J., Macrae, I. M. Influence of ischemia and reperfusion on the course of brain tissue swelling and blood-brain barrier permeability in a rodent model of transient focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 147 (2), 353-360 (1997).
- Chen, F., et al. Rodent stroke induced by photochemical occlusion of proximal middle cerebral artery: Evolution monitored with MR imaging and histopathology. Eur J Radiol. 63 (1), 68-75 (2007).
- Almenning, I., Rieber-Mohn, A., Lundgren, K. M., Lovvik, T. S., Garnaes, K. K., Moholdt, T. Effects of high intensity interval training and strength training on metabolic, cardiovascular and hormonal outcomes in women with polycystic ovary syndrome: a pilot study. PLoS One. 10 (9), (2015).
- Costigan, S. A., Eather, N., Plotnikoff, R. C., Taaffe, D. R., Lubans, D. R. High-intensity interval training for improving health-related fitness in adolescents: a systematic review and meta-analysis. Br J Sports Med. 49 (19), (2015).
