Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

יישום של תנועת ראש פסיבית ליצירת תאוצות מוגדרות בראשי מכרסמים

Published: July 21, 2022 doi: 10.3791/63100
Automatic Translation
*1, *1, 1, 2, 1, 3, 1, 4, 1, 5
1Department of Rehabilitation for Motor Functions, National Rehabilitation Center for Persons with Disabilities, 2Department of Assistive Technology, National Rehabilitation Center for Persons with Disabilities, 3Department of Metabolism and Endocrinology, Graduate School of Medicine, Juntendo University, 4Department of Rehabilitation Medicine, Graduate School of Medicine, The University of Tokyo, 5Department of Clinical Research, National Rehabilitation Center for Persons with Disabilities
* These authors contributed equally

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מערכת "תנועת ראש פסיבית" שתוכננה בהתאמה אישית, המשחזרת תאוצות מכניות בראשי מכרסמים הנוצרים במהלך ריצת ההליכון שלהם במהירויות מתונות. הוא מאפשר לנתח גורמים/אלמנטים מכניים מההשפעות החיוביות של פעילות גופנית.

Abstract

פעילות גופנית מוכרת באופן נרחב כיעילה עבור מחלות שונות והפרעות פיזיות, כולל אלה הקשורות לתפקוד לקוי של המוח. עם זאת, מנגנונים מולקולריים מאחורי ההשפעות החיוביות של פעילות גופנית אינם מובנים היטב. אימונים גופניים רבים, במיוחד אלה המסווגים כתרגילים אירוביים כגון ריצה והליכה, מייצרים כוחות אימפולסיביים בזמן מגע כף הרגל עם הקרקע. לכן, הועלתה השערה כי השפעה מכנית עשויה להיות מעורבת באופן שבו פעילות גופנית תורמת להומאוסטזיס אורגניזמי. לצורך בדיקת השערה זו על המוח, פותחה מערכת "תנועת ראש פסיבית" (להלן PHM) שתוכננה במיוחד ויכולה ליצור תאוצות אנכיות עם גדלים ומצבים מבוקרים ומוגדרים ולשחזר גירוי מכני שעשוי להיות מיושם על ראשי מכרסמים במהלך ריצת הליכון במהירויות מתונות, התערבות אופיינית לבדיקת ההשפעות של פעילות גופנית בבעלי חיים. על ידי שימוש במערכת זו, הוכח כי PHM משחזר את תת-סוג הקולטן סרוטונין (5-הידרוקסיטריפטמין, להלן 5-HT) תת-סוג 2A (5-HT2A) בתאי העצב בקליפת המוח הקדם-מצחית (PFC) של עכברים. עבודה זו מספקת פרוטוקולים מפורטים ליישום PHM ולמדידת התאוצות המכניות המתקבלות על ראשי מכרסמים.

Introduction

פעילות גופנית מועילה לטיפול או מניעה של מספר הפרעות פיזיות, כולל מחלות אורח חיים כגון סוכרת ויתר לחץ דם חיוני1. בהקשר זה, הצטברו גם ראיות לגבי ההשפעות החיוביות של פעילות גופנית על תפקודי המוח2. עם זאת, המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס היתרונות של פעילות גופנית למוח עדיין אינם מובנים מאליהם. רוב הפעילויות הגופניות והאימונים מייצרים תאוצות מכניות בראש, לפחות במידה מסוימת. בעוד שתופעות פיזיולוגיות שונות מוסדרות באופן מכני, חשיבות ההעמסה המכנית תועדה ברוב המקרים במערכת השלד והשרירים 3,4,5. למרות שהמוח נתון גם לכוחות מכניים במהלך פעילות גופנית, במיוחד מה שמכונה תרגילי השפעה, ויסות מכני של תפקוד המוח הפיזיולוגי נחקר רק לעתים רחוקות. מאחר שיצירת תאוצות מכניות בראש שכיחה יחסית לאימונים גופניים, הועלתה השערה כי ויסות מכני עשוי להיות מעורב ביתרונות של פעילות גופנית לתפקודי המוח.

איתות קולטן5-HT 2A חיוני לוויסות רגשות והתנהגויות בין אותות ביוכימיים שונים המתפקדים במערכת העצבים. הוא מעורב במספר מחלות פסיכיאטריות 6,7,8, שבהן פעילות גופנית הוכחה כיעילה מבחינה טיפולית. קולטן 5-HT2A הוא תת-סוג של קולטן 5-HT2 השייך למשפחת הסרוטונין והוא גם חבר במשפחת הקולטן המצומד לחלבון G (GPCR), שהאיתות שלו מווסת על ידי הפנמתו, תלוי ליגנד או-עצמאי 9. עוויתות ראש הן התנהגות אופיינית של מכרסמים, שכמותם (תדירות) מייצגת במפורש את עוצמת האיתות של קולטן5-HT 2A בתאי העצב הקדם-מצחיים שלהם (PFC)10,11. תוך ניצול הספציפיות הקפדנית של תגובה הזויה זו ל-5-HT מנוהל (תגובת ראש-עווית, להלן HTR; ראו סרט משלים 1), נבדקה ההשערה שהוזכרה לעיל על השלכות מכניות בהשפעות פעילות גופנית על תפקודי המוח. לפיכך, ניתחנו והשווינו את ה-HTR של עכברים הנתונים לפעילות גופנית מאולצת (ריצת הליכון) או להתערבות מכנית המחקה פעילות גופנית (PHM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הניסויים בבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של מרכז השיקום הלאומי לאנשים עם מוגבלויות. חולדות ספראג-דאולי זכרים בני 8-9 שבועות שימשו למדידת תאוצות בראש במהלך ריצת הליכון ו-PHM. עכברי C57BL/6 זכרים בני 9-10 שבועות שימשו לבדיקות התנהגות ולניתוחים היסטולוגיים של ה-PFC. בעלי החיים התקבלו ממקורות מסחריים (ראו טבלת חומרים).

1. מדידת סדרי גודל של תאוצות לאורך צירי x, y ו-z במהלך ריצת הליכון

  1. הרדימו את החולדה בשאיפה של 1.5% איזופלורן.
    הערה: החולדות שימשו לאחר שבוע אחד לפחות של התאקלמות בסביבת המעבדה. ודאו שהחולדה אינה מגיבה לצביטת בוהן אחורית.
  2. תקן את מד התאוצה (ראה טבלת חומרים) על ראש החולדה באמצעות סרט ניתוח.
  3. לאחר התאוששות מלאה מההרדמה, הניחו את החולדה במכונת ההליכון (ראו טבלת חומרים), והתאימו את ההליכון למהירות בינונית (20 מטר לדקה)12 (איור 1A).
    הערה: זה לקח לפחות 20 דקות כדי לאשר את ההתאוששות המלאה של החולדה מן ההרדמה לאחר סיום שאיפת isoflurane ולהתחיל את ניסוי הליכון. ודאו שהחולדה מגיבה לצביטת בוהן אחורית, ומסוגלת ללכת או לרוץ מבלי להיראות מזעזעת.
  4. מדוד את עוצמת התאוצות האנכיות במהלך ריצת הליכון חולדה באמצעות תוכנת היישום בהתאם להוראות היצרן (ראה טבלת חומרים).
    הערה: חלץ 10 גלים טוריים וחשב בנפרד את התאוצות הממוצעות לאורך הצירים התלת-ממדיים (צירי x, y ו-z, איור 1B). סדרי גודל שיא כומתו על-ידי הגדרת גלים מסונכרנים של דריכה (תדר ~2 הרץ) כתאוצות הנגרמות על-ידי ריצה בהליכון (איור 1C). חולדות שימשו למחקר זה מכיוון שגודל גופן הגדול יותר היה מתאים למדידה אמינה של התאוצה האנכית בראש, דבר שלא היה אפשרי בעכברים. עם זאת, עכברים שימשו למחקרים נוספים בגלל הקלות והאמינות בנוגע לניתוח כמותי של תגובת עווית ראש.

2. התאמת מערכת PHM ויישום PHM לעכברים

  1. הגדר מראש את המשרעת של תנודת הפלטפורמה ואת מהירות הסיבוב של המצלמה בצורת מדחף במערכת PHM (איור 1D) כך שהגודל והתדירות של התאוצה האנכית יתאימו לערכים המתקבלים בשלב 1.4.
    הערה: מערכת PHM כוללת מסגרת מתכת ופלטפורמת עץ. ניתן לשנות ולשלוט במהירות המנוע על ידי התאמת החוגה המחוברת לנהג המובנה (ראה טבלת חומרים). סולם החוגה של 600 מתאים ל-2 הרץ, איור 1E. למצלמה בצורת מדחף יש ארבעה להבים עם גובה צעד של 5 מ"מ (איור 1F).
  2. הרדמת העכבר באמצעות שאיפה של 1.2% איזופלורן.
    הערה: נעשה שימוש בעכברים לאחר שבוע אחד לפחות של התאקלמות בסביבות המעבדה. ודא שהעכבר אינו מגיב לצביטת בוהן אחורית.
  3. מקם את העכבר במצב נוטה עם הראש ואת שאר הגוף הממוקם על פלטפורמות מתנדנדות סטטיות, בהתאמה.
    הערה: שמור על העכבר מורדם (1.2% איזופלוראן).
  4. הפעל את המנוע כדי להתנדנד את הפלטפורמה אנכית, והחל PHM על העכבר.
    הערה: מהירות המנוע הותאמה לתנודה של הפלטפורמה ב-2 הרץ (ראה שלב 2.1). הרדימו והניחו את עכבר הבקרה על פלטפורמת PHM באופן דומה, אך השאירו את המנוע כבוי.

3. הפעלת העכבר על ההליכון

  1. הנח את העכבר על מכונת ההליכון וכוונן את ההליכון למהירות בינונית (10 מ'/דקה)13.

4. כימות תגובת עווית ראש העכבר (HTR)

  1. הגדר את מצלמת הווידאו (קצב פריימים: 24 fps) כדי להקליט את כל השטח במארז הפלסטיק השקוף.
    הערה: כלוב הפלסטיק שימש לשמירה על העכבר בתחום הקלטת הווידאו.
  2. מתן תוך-צפקי של 5-הידרוקסיטריפטופן (5-HTP) (100 מ"ג/ק"ג) (ראו טבלת חומרים), המבשר ל-5-HT, לעכבר.
  3. הנח את העכבר בכלוב השקוף והתחל להקליט למשך 30 דקות.
  4. סקור את הסרטון המוקלט (מהירות של 1/2x או 1/3x), וספור את הראש רועד באופן ידני.
    הערה: האנליסטים לא היו עיוורים להליך הניסוי. תנועה מהירה אופיינית "דמוית טיק" של עכבר (ראו סרט משלים 1) נספרה כעוויתות ראש, המתרחשות לעתים רחוקות בסביבת רבייה רגילה.

5. ניתוח אימונוהיסטוכימי של PFC עכבר

  1. לאחר השלמת בדיקות HTR, הרדימו את העכבר על ידי ניהול תערובת של מידזולם (4.0 מ"ג/ק"ג), בוטורפנול (4.0 מ"ג/ק"ג) ומדטומידין (0.3 מ"ג/ק"ג), פרפוז עם 4% פרפורמלדהיד (PFA) ב-PBS, ולאחר מכן הוציאו את המוח בעקבות דיווחים שפורסמו בעבר14,15.
  2. לאחר תיקון המוחות ב-4% PFA ב-PBS למשך 24 שעות נוספות ב-4 מעלות צלזיוס, ואחסון ב-30% סוכרוז/PBS עד שהם שוקעים. הקפיאו את תרכובת טמפרטורת החיתוך האופטימלית הקבועה (תרכובת OCT, ראו טבלת חומרים).
  3. אחזר את מקטעי הקריו של מוח העכבר מתיבת השקופיות (ראה טבלת חומרים). השאירו את השקופיות על מגבונים נקיים בטמפרטורת החדר עד שהדגימות יתייבשו לחלוטין.
    הערה: חתכי סגיטל בעובי עשרים מיקרומטר (רוחבי +0.5-1.5 מ"מ) הוכנו מדגימות קפואות המשובצות בתרכובת OCT באמצעות קריוסטאט (ראו טבלת חומרים).
  4. השתמש בעט חוסם נוזלים (ראה טבלת חומרים) כדי לצייר עיגול סביב הרקמה החתוכה בשקופית כדי להגביל את אזור ההתפשטות של התמיסה (0.1% Tween-20 בתמיסת מלח עם חציצה משולשת (TBS-T).
  5. הניחו מגבונים לחים בתחתית מגש המחזיק את המגלשות כדי ליצור סביבה לחה.
  6. לאחר חלחול עם TBS-T, יש לחסום עם סרום 4% חמורים (ראו טבלת חומרים) בטמפרטורת החדר למשך שעה אחת.
  7. שטפו את השקופיות פעם ב-5 דקות טבילה ב-TBS-T.
  8. יש למרוח 100 μL של נוגדן ראשוני מדולל כראוי ולערבב DAPI ( ראו טבלת חומרים) על כל שקופית, לכסות את המגש כדי למנוע ייבוש הדגימה, ולדגור למשך הלילה בטמפרטורת החדר.
  9. יש לשטוף עם TBS-T שלוש פעמים (5 דקות דגירה כל אחת).
  10. יש למרוח 100 μL של נוגדן פלואורסצנטי מדולל כראוי (מצומד ל-Alexa Fluor 488, 568 או 645) (ראו טבלת חומרים) על כל שקופית ולדגור במשך שעה אחת בטמפרטורת החדר.
  11. יש לשטוף עם TBS-T שלוש פעמים (5 דקות דגירה כל אחת).
  12. הרכב את השקופיות עם מדיום הרכבה (ראה טבלת חומרים). כסו את השקופיות בכיסויים.
  13. צפו בדגימה תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

עוצמת השיא של התאוצות האנכיות בראשי החולדות במהלך ריצת ההליכון שלהן במהירות בינונית (20 מטר לדקה) הייתה בערך 1.0 × גרם (איור 1C). מערכת PHM (איור 1D) הוקמה כדי לייצר שיאי תאוצה אנכיים של 1.0 × גרם בראשי המכרסמים.

מריחת PHM (2 הרץ, 30 דקות ליום במשך 7 ימים) על עכברים החלישה באופן משמעותי את ה-HTR שלהם בהשוואה לעכברי הביקורת (הרדמה יומית ללא PHM במשך 30 דקות ביום במשך 7 ימים) (איור 2). זה מייצג השפעה מדכאת של PHM על איתות קולטן5-HT 2A בתאי העצב PFC.

ריצת ההליכון וה-PHM שיפרו באופן משמעותי את הפנמת קולטני 5-HT2A בתאי עצב PFC של עכברים (איור 3). באופן עקבי, גם ריצת הליכון וגם הבעת c-Fos המושרה על ידי PHM מווסתת כלפי מטה 5-HTP, האירוע התאי במורד הזרם של הפעלת קולטן5-HT 2A 14, בנוירוני PFC של עכברים (איור 4). תוצאות אלה מצביעות על כך שריצת הליכון ו-PHM מפנימים קולטני 5-HT2A בתאי העצב של PFC, ובכך מחלישים את האיתות הרלוונטי.

Figure 1
איור 1: מדידת סדרי הגודל של תאוצות במהלך ריצת הליכון. (A) איור למדידת תאוצות הנוצרות בראשי חולדות במהלך ריצת ההליכון שלהן. (B) הגדרה של צירים x-(שמאל-ימין), y-(rostral-caudal) ו-z-(גב-גחון) ששימשו במחקר זה. (C) תאוצות נוצרו בראשי החולדות במהלך ריצת הליכון במהירות של 20 מטר לדקה ו-PHM (תדירות: 2 הרץ) (n = 3 חולדות לכל קבוצה). מערכת PHM הותאמה כדי לייצר שיאי תאוצה אנכיים שווים לאלה במהלך ריצת הליכון של 20 מטר לדקה (1.0 × גרם). סרגל קנה מידה ישר, 0.5 × גרם / 0.5 שניות. התמונות מייצגות שלושה ניסויים בלתי תלויים עם תוצאות דומות. (D) צילום של כל מערכת ה-PHM. € תצלום של המצלמה בצורת מדחף המחוברת למנוע מצויד בנהג. (F) תצלום של מצלמה בצורת מדחף המורכבת מארבעה להבים עם גובה צעד של 5 מ"מ (ראו חץ אדום דו-ראשי). האיור שונה מ- Ryu et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: יישום PHM לעכברים . (A) המחשה לניתוח ההשפעות של PHM על HTR. (ב,ג) PHM הקל על HTR המושרה על ידי 5-HTP. עוויתות הראש נספרו בבלוקים של 5 דקות (B) ו-30 דקות בלוקים (C) לאחר מתן 5-HTP. בקרה 2 מייצגת עכברים שהורדמו והונחו על פלטפורמת PHM ללא תזוזה. הנתונים מוצגים כאמצעי ± SEM. *, P < 0.05, t-test לא מזווג (n = 10 עכברים עבור כל קבוצה). האיור שונה מ- Ryu et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: ריצת ההליכון ויישום PHM שיפרו את הפנמת קולטן5-HT 2A בתאי עצב PFC של עכברים. (A) מיקרוגרפים של קולטן אנטי-5-HT2A (5-HT2AR; אדום) ואנטי-NeuN (ירוק) של PFC של עכברים שהוזרק להם 5-HTP (או רכב) לאחר שבוע של PHM יומי. תמונות בהגדלה גבוהה יותר של חיסון לקולטן anti-5-HT2A של תאים מחודדים בחץ מוצגות בגווני אפור. קווים צהובים מציינים את שולי הסומא המתוארים על ידי אותות חיוביים ל-NeuN, וראשי חץ ציאן מצביעים על חיסוניים של קולטן אנטי-5-HT2A שהופנם. סרגלי קנה מידה, 20 מיקרומטר. התמונות מייצגות חמישה עכברים. (B) כימות הפנמה של קולטן5-HT 2A בתאי עצב PFC בעכבר. אזורים חיוביים לקולטן 5-HT2A שהופנמו וקשורים לממברנה כומתו כערכים ביחס לאזור החיובי של NeuN בעכבר PFC. בקרה 1 מייצגת עכברים שהונחו במכונת ההליכון שנותרה כבויה, ובקרה 2 מייצגת עכברים שהורדמו והונחו על פלטפורמת PHM שנותרה ללא שינוי. שלושים וחמישה עד ארבעים סומות עצביות חיוביות ל-NeuN נותחו עבור כל עכבר (הופנמו: תרשים שמאלי, p < 0.001, ANOVA חד-כיווני עם מבחן בונפרוני לאחר הוק; תרשים ימני, P = 0.0027, מבחן t לא מזווג; ממברנה הקשורה: תרשים שמאלי, P < 0.001, ANOVA חד כיווני עם מבחן בונפרוני פוסט הוק; תרשים ימני, P = 0.0025, מבחן t לא מזווג; n = 5 עכברים לכל קבוצה). הנתונים מיוצגים כאמצעי ± SEM. **P < 0.01, ***P < 0.001; ns, לא משמעותי. האיור שונה מ- Ryu et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: ריצת ההליכון ויישום PHM מווסת את ביטוי ה-c-Fos המושרה על-ידי 5-HTP בנוירוני PFC של עכברים. (A) מיקרוגרפים של אנטי-c-Fos (ירוק), קולטן אנטי-5-HT2A (אדום) ואנטי-NeuN (כחול) של PFC של עכברים הניתנים באופן תוך-צפקי עם 5-HTP (או רכב) לאחר שבוע של PHM יומי. סרגל קנה מידה, 100 מיקרומטר. התמונות מייצגות ארבעה עד חמישה עכברים. (B) כימות ביטוי c-Fos בתאי עצב חיוביים לקולטן5-HT 2A בעכבר PFC. בקרה 1 מייצגת עכברים שהונחו במכונת ההליכון שנותרה כבויה, ובקרה 2 מייצגת עכברים שהורדמו והונחו על פלטפורמת PHM ללא תזוזה. מוצגת אוכלוסייה יחסית (%) של תאים חיוביים ל-c-Fos של 300 תאים חיוביים לקולטן NeuN ו-5-HT2A (תרשים שמאלי: P < 0.001, ANOVA חד-כיווני עם מבחן בונפרוני לאחר הוק; תרשים ימני: P < 0.001, מבחן t לא מזווג; n = 4 עכברים עבור עמודה 1, n = 5 עכברים עבור עמודות 2 עד 5). הנתונים מיוצגים כאמצעי ± SEM. ***P < 0.001. האיור שונה מ- Ryu et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

סרט משלים 1: תגובת עווית הראש מהעכבר. הסרט בן 2 דקות 46 שניות מתחיל 6 דקות לאחר הזרקת HTP. עוויתות ראש נצפות בנקודות הזמן של 0:03, 0:39, 1:39 ו-2:42. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרט זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

באמצעות מערכת יישומי PHM שפותחה, הראינו כי איתות 5-HT בתאי העצב שלהם ב-PFC מוסדר באופן מכני. בגלל המורכבות של השפעות פעילות גופנית, קשה לנתח במדויק את התוצאה של פעילות גופנית בהקשר של קידום בריאות. ההתמקדות היא בהיבטים מכניים כדי למנוע מעורבות או תרומה של אירועים מטבוליים שעלולים להתרחש עם או לאחר מכן פעילויות גופניות, כגון צריכת אנרגיה. השיטה המתוארת כאן צפויה להיות שימושית יותר במחקר ביו-רפואי הבוחן את המנגנונים העומדים בבסיס השפעות הפעילות הגופנית על תפקודי המוח.

המערכת הנוכחית דורשת הרדמה כדי להכפיף את חיות הניסוי ל-PHM, מה שעלול להשפיע (מזיק או לא) על ההתנהגות והתהליכים של תאי העצבים במוח. ייתכן שניתן יהיה ליישם PHM ללא הרדמה על ידי שינוי המערכת, כולל הגדלים, המצבים וצורות הגלים של תאוצות מכניות הנוצרות על ידי PHM. לדוגמה, פסגות תאוצה קטנות יותר עם גלים סינוסואידליים במקום 1 × גרם פסגות אימפולסיביות של PHM הנוכחי עשויות להיות "מורגשות" כגירוי נוח יותר על ידי בעלי החיים. לחלופין, ניתן ליישם שיטות חדשות להחזקת חיות ניסוי על הפלטפורמה המתנדנדת בלחץ מינימלי. שינויים ושיפורים אלה אפשריים, בעיקר משום שהתאוצות שנוצרו על ידי PHM מתייחסות לפעילות גופנית מתונה באופן עקרוני ולא צפויות להוות לחץ "כואב" עבור חיות ניסוי.

מחקרים קודמים רבים דיווחו על פעילות גופנית מתונה כהליך יעיל לטיפול או מניעה של מחלות והפרעות רבות16,17. סף לקטאט, שבו ריכוז לקטט בפלזמה עולה באופן אקספוננציאלי עם הפרשת הורמון אדרנוקורטיקוטרופי (ACTH), מחוון מתח 18, משמש לקביעת תרגיליםכקלים או מתונים19. עם זאת, תרגיל "אופטימלי" נותר מוגדר ברמה המולקולרית. מכיוון שלא רק המוח אלא בסופו של דבר כל איברי הגוף האחרים נתונים לכוחות מכניים במהלך האימון, הגישה הנוכחית המשתמשת בהפרעות מכניות עשויה להיות מועילה כדי לחשוף את המנגנונים המולקולריים שמאחורי השפעות התרגיל בהקשרים רחבים יותר ולעזור להגדיר "מהו תרגיל אופטימלי" על ידי מדדים מדעיים.

עם זאת, השיטה הנוכחית סובלת ממגבלות מסוימות. לא יכולנו לתקן ביציבות את מד התאוצה בראש העכבר בגלל חוסר תאימות לגודל. למרות שהמדידה הראשונית מצביעה על כך שעוצמת השיא של תאוצות מכניות הנוצרות על ידי הליכון בראש העכבר היא גם כ-1.0 × גרם, נדרשים מחקרים נוספים כדי לכמת אותה בצורה מדויקת יותר.

הפרוטוקול הנוכחי פירט את הנהלים של מערכת PHM שתוכננה בהתאמה אישית, אשר אפשרה לנתח אלמנטים מכניים / גורמים מפעילות גופנית. הגישה מספקת תובנות משמעותיות לגבי היתרונות של פעילות גופנית לתפקודי המוח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין עניין מתחרה הקשור לעבודה המתוארת במאמר זה.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרן המחקר התוך-מוחית של משרד הבריאות, העבודה והרווחה היפני; מענקי סיוע למחקר מדעי מהאגודה היפנית לקידום המדע (KAKENHI 15H01820, 15H04966, 18H04088, 20K21778, 21H04866, 21K11330, 20K19367); תוכנית נתמכת MEXT עבור קרן המחקר האסטרטגי באוניברסיטאות פרטיות, 2015-2019 ממשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה היפני (S1511017); קרן נאיטו למדע והנדסה. מחקר זה קיבל מימון גם מהברית למחקר והכשרה של שיקום רגנרטיבי (AR3T), הנתמכת על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם על שם יוניס קנדי שרייבר (NICHD), המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ מוחי (NINDS), והמכון הלאומי לדימות ביו-רפואי וביו-הנדסה (NIBIB) של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר P2CHD086843.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
5-hydroxytryptophan (5-HTP) Sigma-Aldrich H9772 Serotonin (5-HT) precursor
Brushless motor driver Oriental motor BMUD30-A2 Speed changer build-in motor driver
C57BL/6 mice Oriental yeast company C57BL/6J Mice used in this study
Cryostat Leica CM33050S Microtome to cut frozen samples
DC Motor Oriental motor BLM230-GFV2 Motor
Donkey anti-goat Alexa Fluor 568 Invitrogen A-11057 Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey anti-mouse Alexa Fluor 647 Invitrogen A-31571 Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 488 Invitrogen A-21206 Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey serum Sigma-Aldrich S30-100ML Blocker of non-specific binding of antibodies in immunohistochemical staining
Fluorescence microscope Keyence BZ-9000 Fluorescence microscope
Goat polyclonal anti-5-HT2A receptor Santa Cruz Biotechnology sc-15073 Primary antibody used for immunohistochemical staining
Isoflurane Pfizer v002139 Inhalation anesthetic
KimWipe NIPPON PAPER CRECIA S-200 Paper cloth for cleaning surfaces, parts, instruments in labratory
Liquid Blocker Daido Sangyo PAP-S Marker used to make the slide surface water-repellent
Mouse monoclonal anti-NeuN (clone A60) EMD Millipore (Merck) MAB377 Primary antibody used for immunohistochemical staining
NinjaScan-Light Switchscience SSCI-023641 Accelerometer to measure accelerations
OCT compound Sakura Finetek 45833 Embedding agent for preparing frozen tissue sections
ProLong Gold Antifade Mountant Invitrogen P36934 Mounting medium to prevent flourscence fading
Rabbit polyclonal anti-c-Fos Santa Cruz Biotechnology sc-52 Primary antibody used for immunohistochemical staining
Slide box AS ONE 03-448-1 Opaque box to store slides
Spike2 Cambridge electronic design limited (CED) N/A Application software used to analyze acceleration
Sprague-Dawley rats Japan SLC Slc:SD Rats used in this study
Treadmill machine Muromachi MK-680 System used in experiments of forced running of rats and mice

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lackland, D. T., Voeks, J. H. Metabolic syndrome and hypertension: regular exercise as part of lifestyle management. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-7 (2014).
  2. Heyn, P., Abreu, B. C., Ottenbacher, K. J. The effects of exercise training on elderly persons with cognitive impairment and dementia: a meta-analysis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 85 (10), 1694-1704 (2004).
  3. Saitou, K., et al. Local cyclical compression modulates macrophage function in situ and alleviates immobilization-induced muscle atrophy. Clinical Science. 132 (19), 2147-2161 (2018).
  4. Sakitani, N., et al. Application of consistent massage-like perturbations on mouse calves and monitoring the resulting intramuscular pressure changes. Journal of Visualized Experiments. (151), e59475 (2019).
  5. Miyazaki, T., et al. Mechanical regulation of bone homeostasis through p130Cas-mediated alleviation of NF-κB activity. Scientific Advances. 5 (9), (2019).
  6. Berger, M., Gray, J. A., Roth, B. L. The expanded biology of serotonin. Annual Review of Medicine. 60 (1), 355-366 (2009).
  7. Canli, T., Lesch, K. -P. Long story short: the serotonin transporter in emotion regulation and social cognition. Nature Neuroscience. 10 (9), 1103-1109 (2007).
  8. Roth, B., Hanizavareh, S. M., Blum, A. Serotonin receptors represent highly favorable molecular targets for cognitive enhancement in schizophrenia and other disorders. Psychopharmacology. 174 (1), 17-24 (2003).
  9. Bhattacharyya, S., Puri, S., Miledi, R., Panicker, M. M. Internalization and recycling of 5-HT2A receptors activated by serotonin and protein kinase C-mediated mechanisms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (22), 14470-14475 (2002).
  10. Canal, C. E., Morgan, D. Head-twitch response in rodents induced by the hallucinogen 2,5-dimethoxy-4-iodoamphetamine: a comprehensive history, a re-evaluation of mechanisms, and its utility as a model. Drug Testing and Analysis. 4 (7-8), 556-576 (2012).
  11. Halberstadt, A. L., Geyer, M. A. Characterization of the head-twitch response induced by hallucinogens in mice: detection of the behavior based on the dynamics of head movement. Psychopharmacology (Berl). 227 (4), 727-739 (2013).
  12. Kim, S. -E., et al. Treadmill exercise prevents aging-induced failure of memory through an increase in neurogenesis and suppression of apoptosis in rat hippocampus. Experimental Gerontology. 45 (5), 357-365 (2010).
  13. Li, H., et al. Regular treadmill running improves spatial learning and memory performance in young mice through increased hippocampal neurogenesis and decreased stress. Brain Research. 1531, 1-8 (2013).
  14. González-Maeso, J., et al. Hallucinogens recruit specific cortical 5-HT2A receptor-mediated signaling pathways to affect behavior. Neuron. 53 (3), 439-452 (2007).
  15. Ryu, Y., et al. Mechanical regulation underlies effects of exercise on serotonin-induced signaling in the prefrontal cortex neurons. iScience. 23 (2), 100874 (2020).
  16. Shefer, G., Rauner, G., Stuelsatz, P., Benayahu, D., Yablonka-Reuveni, Z. Moderate-intensity treadmill running promotes expansion of the satellite cell pool in young and old mice. FEBS Journal. 280 (17), 4063-4073 (2013).
  17. Wang, J., et al. Moderate exercise has beneficial effects on mouse ischemic stroke by enhancing the functions of circulating endothelial progenitor cell-derived exosomes. Experimental Neurology. 330, 113325 (2020).
  18. Pacák, K. Stressor-specific activation of the hypothalamic-pituitary-adrenocortical axis. Physiological Research. 49, 11-17 (2000).
  19. Okamoto, M., Soya, H. Mild exercise model for enhancement of hippocampal neurogenesis: A possible candidate for promotion of neurogenesis. The Journal of Physical Fitness and Sports Medicine. 1 (4), 585-594 (2012).

Tags

ביולוגיה גיליון 185 תנועת ראש פסיבית זרימת נוזל אינטרסטיציאלית מתח גזירה נוזלי קולטן5-HT 2A קליפת המוח הקדם-מצחית פעילות גופנית
יישום של תנועת ראש פסיבית ליצירת תאוצות מוגדרות בראשי מכרסמים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Maekawa, T., Sakitani, N., Ryu, Y.,… More

Maekawa, T., Sakitani, N., Ryu, Y., Takashima, A., Murase, S., Fink, J., Nagao, M., Ogata, T., Shinohara, M., Sawada, Y. Application of Passive Head Motion to Generate Defined Accelerations at the Heads of Rodents. J. Vis. Exp. (185), e63100, doi:10.3791/63100 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter