فهم شامل لتغيير المشية الناجم عن الخمول في القوارض

يؤدي نقص النشاط البدني أو عدم الاستخدام إلى تدهور المؤثرات الحركية ، مثل ضمور العضلات وفقدان العظام¹ وإزالة تكييف الجسم كله². علاوة على ذلك ، لوحظ مؤخرا أن الخمول لا يؤثر فقط على الجوانب الهيكلية للمكونات العضلية الهيكلية ولكن أيضا على الجوانب النوعية للحركة. على سبيل المثال ، كانت مواقع أطراف الفئران المعرضة لبيئة محاكاة الجاذبية الصغرى مختلفة عن تلك الخاصة بالحيوانات السليمة حتى بعد شهر 1 من انتهاء التدخل ^3,4. ومع ذلك، لم يبلغ إلا عن القليل عن العجز في الحركة الناجم عن عدم النشاط. كما أن خصائص الحركة الشاملة للتدهور لم تحدد بشكل كامل.

يوضح البروتوكول الحالي ويناقش تطبيق التقييم الحركي لتصور تغيرات الحركة من خلال الإشارة إلى عجز حركة المشي الناجم عن عدم الاستخدام في الفئران المعرضة لتفريغ الأطراف الخلفية.

وقد تبين أن فرط تمدد الأطراف في المشي بعد بيئة محاكاة الجاذبية الصغرى لوحظت في كل من البشر⁵ والحيوانات⁴،^6،7،8. لذلك ، من أجل العالمية ، ركزنا على المعلمات العامة في هذه الدراسة: زوايا مفاصل الركبة والكاحل والمسافة الرأسية بين المفصل المشطي السلامي والورك (أي ما يعادل تقريبا ارتفاع الورك) في النقطة الوسطى من مرحلة الوقوف (الوسط). وعلاوة على ذلك، يقترح في المناقشة تطبيقات محتملة للتقييم الحركي بالفيديو.

قد تكون سلسلة من التحليلات الحركية مقياسا فعالا لتقييم الجوانب الوظيفية للتحكم العصبي. ومع ذلك ، على الرغم من أنه تم تطوير تحليلات الحركة من مراقبة البصمة أو القياس البسيط على الفيديو الملتقط 9,10 إلى أنظمة الكاميرا المتعددة ^11,12 ، إلا أنه لم يتم بعد إنشاء طرق ومعلمات عالمية. تهدف الطريقة في هذه الدراسة إلى تزويد تحليل الحركة المشترك هذا بمعلمات شاملة.

في العمل السابق¹³ ، حاولنا توضيح تغيرات المشي في الفئران نموذج الآفة العصبية باستخدام تحليل فيديو شامل. ومع ذلك ، بشكل عام ، غالبا ما تقتصر النتائج المحتملة لتحليلات الحركة على المتغيرات المحددة مسبقا المقدمة في أطر التحليل. ولهذا السبب، تناولت هذه الدراسة مزيدا من التفصيل لكيفية إدراج بارامترات يحددها المستعملون وقابلة للتطبيق على نطاق واسع. قد تكون التقييمات الحركية باستخدام تحليلات الفيديو ذات فائدة أكبر إذا تم تنفيذ المعلمات المناسبة.

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل لجنة التجارب الحيوانية بجامعة كيوتو (Med Kyo 14033) وتم إجراؤها وفقا للمبادئ التوجيهية للمعهد الوطني للصحة (دليل رعاية واستخدام المختبر ، الطبعة 8th). تم استخدام ذكور فئران Wistar البالغة من العمر 7 أسابيع في هذه الدراسة. ويرد مخطط يمثل تسلسل الإجراءات في الملف التكميلي 1.

1. التعرف على الفئران مع المشي على جهاز المشي

ملاحظة: يرجى الاطلاع على التقرير¹³ المنشور سابقا للحصول على تفاصيل بشأن الإجراء.

1. ضع الفئران على جهاز المشي المصمم للقوارض (انظر جدول المواد). في الجلسة الأولى ، اسمح للحيوان باستكشاف جهاز المشي ليعتاد على البيئة.
   ملاحظة: تستغرق هذه العملية حوالي 5 دقائق.
2. قم بزيادة سرعة الحزام تدريجيا إلى المستوى المطلوب (20 سم / ثانية) وامش الفئران. استخدم صدمة كهربائية في نهاية جهاز المشي إذا لزم الأمر¹⁴.
   ملاحظة: تستغرق جلسة المشي الواحدة حوالي 10-20 دقيقة.
3. كرر هذه العملية كل يومين لمدة أسبوع واحد أو أكثر بشكل متكرر إذا لزم الأمر¹⁵،^16،17.
   ملاحظة: ابدأ فترة التعريف قبل 1 أسبوع من الخطوة 2.
4. احتفظ بالفئران في مجموعات في أقفاص (2-3 فئران في كل قفص) مع دورة ضوء وظلام لمدة 12 ساعة. توفير الغذاء والماء بشكل خاص.

2. تطبيق تفريغ الأطراف الخلفية على الفئران ووضع علامات مشتركة

ملاحظة: ارفع الأطراف الخلفية للفئران باستخدام خيط وشريط لاصق متصل بالذيل كما هو موضح في التقارير السابقة¹⁸،^19،20. تأكد من تثبيت الخيط والشريط في قاعدة الذيل لمنع انزلاق جلد الذيل. راقب الحيوانات جيدا واضبط ارتفاع التفريغ أو ضيق الشريط إذا لزم الأمر.

1. تحت 2-5 ٪ استنشاق الايزوفلوران مع قناع مخدر ، لف النصف الأول من شريط طوله 30 سم من الشريط اللاصق حول الجزء القريب من ذيل الفئران.
2. قم بطي خيط قطني بطول 1 متر (خيوط مطبخ قطنية ، قطرها 1 مم تقريبا) إلى نصفين. قم بعمل حلقة عن طريق ربط عقدة عند نقطة الوسط المطوية 50 سم. يجب أن تكون العقدة على بعد حوالي 5 سم من الطرف لترك حلقة محيط 10 سم.
3. اسمح لل 15 سم المتبقية من الشريط اللاصق بالمرور مرة واحدة عبر حلقة الخيط لتأمين الشريط. لف الشريط المتبقي حول الجزء البعيد من الذيل.
4. قم بتأمين الطرف الآخر من الخيط على المنصة العلوية للقفص. احتفظ بالحيوانات في قفص مرتفع بما يكفي لرفع أطرافها الخلفية من ذيولها. بخلاف التفريغ ، قم بتوفير نفس البيئة مثل تلك الخاصة بمجموعة Ctrl ، مثل الطعام والماء وفراش الأرضيات.
5. قم بإعداد العلامات والبرامج المشتركة (انظر جدول المواد) باتباع الخطوات أدناه.
   ملاحظة: للحصول على تفاصيل بشأن هذه الخطوة، يرجى الاطلاع على Wang et ^al.13.
   1. تحت 2-5 ٪ استنشاق الايزوفلوران ، نعلق علامات شبه كروية ملونة (قطرها 3 مم) على الجلد الحليق المقابلة للمعالم العظمية. حافظ على مستوى الأيزوفلوران منخفضا قدر الإمكان لمنع التخدير العميق جدا.
   2. تأكد من أن المعالم هي العمود الفقري الحرقفي العلوي الأمامي (ASIS) ، والمدوراتير الرئيسي (مفصل الورك) ، ومفصل الركبة (الركبة) ، و malleolus الجانبي (الكاحل) ، والمفصل المشطي الخامس (MTP) ²¹.
      ملاحظة: قم بطلاء طرف إصبع القدم إذا كانت هناك حاجة إلى زاوية إصبع القدم. استخدم علامة طلاء زيتية (انظر جدول المواد). يفضل استخدام الغراء السائل للمواد اللاصقة لأن الشكل السائل يجف بشكل أسرع.

3. تتبع العلامة باستخدام مقاطع الفيديو التي تم التقاطها

1. افتح تطبيق MotionRecorder (انظر جدول المواد) وقم بتشغيل جهاز المشي. ضع الفئران على حزام جهاز المشي.
   ملاحظة: تم وضع الكاميرات الأربع لالتقاط الفيديو (انظر جدول المواد) على طول الحواف الطويلة لجهاز المشي: كاميرتان على كل حافة، على بعد حوالي 50 سم × 50 سم، في مواجهة مركز منطقة حزام جهاز المشي.
2. زيادة سرعة الحزام حتى 20 سم / ثانية. عندما يبدأ الفئران في المشي بشكل طبيعي بالسرعة المطلوبة ، انقر فوق رمز التسجيل لبدء التقاط الفيديو. بمجرد الحصول على خطوات كافية (5 خطوات متتالية ، ويفضل 10 خطوات) ، أوقف الالتقاط بالنقر فوق رمز التسجيل مرة أخرى.
   ملاحظة: التقط بيانات عن متعددة في تجربة واحدة. جرب ما يصل إلى خمس مرات لكل فأر. إذا كان الفئران لا يمشي ، فالتقط واحدة مختلفة وجرب الأولى لاحقا. كان معدل التقاط الكاميرا 120 إطارا / ثانية.
3. افتح تطبيق 3DCalculator (انظر جدول المواد) وملف الفيديو المراد تحليله.
4. قم باقتصاص الفيديو عن طريق ضبط شريط التمرير الأفقي في الأعلى ليحتوي على أعداد كافية من الخطوات المتتالية. تغييرات الصورة التي تم التقاطها عن طريق سحب رمز (أيقونات) طرف النهاية في شريط الشرائح الأصفر.
5. لالتقاط العلامات، حدد وسائل إيضاح العلامات بالنقر فوق رموز إيضاح العلامات في نموذج صورة العصا، وسحبها إلى العلامة المقابلة على الفيديو الذي تم التقاطه، وتحرير الزر. تقوم هذه العملية بتخصيص لون العلامة لوسيلة إيضاح العلامة في صورة العصا. كرر هذه العملية لكل علامة يتم تعقبها.
6. انقر على أيقونة التتبع التلقائي . إذا لم يتتبع النظام علامات التتبع بدقة أو توقفت عملية التتبع بسبب فقدان العلامة، فقم بالتبديل إلى الوضع اليدوي.
   ملاحظة: لا تتوقف هذه العملية التلقائية إلا إذا تم تفويت العلامات. إذا حدثت عمليات التوقف في كثير من الأحيان أكثر من كل عدد قليل من الإطارات ، ففكر في تغيير موضع العلامات المفقودة.
7. إذا كانت هناك حاجة إلى الوضع اليدوي، فانقر فوق الرمز يدوي للتبديل. انقر فوق وسيلة إيضاح العلامة المفقودة على صورة العصا والعلامة المقابلة على الفيديو. يستمر الفيديو بإطار واحد لكل نقرة في الوضع اليدوي.
   ملاحظة: استخدم التطبيقات المتاحة مجانا التي تمكن النقر التلقائي لمنع إرهاق أولئك الذين يتتبعون (رقمنة) العلامات (انظر جدول المواد).

4. حساب المعلمات المطلوبة

1. افتح تطبيق KineAnalyzer (راجع جدول المواد) وقم بتحميل الملف.
2. انتقل إلى القائمة عرض > تحرير العلامة الرئيسية . يفتح نافذة "تحرير العلامة الرئيسية".
   ملاحظة: تحتوي العلامات التي تم التقاطها على أرقام بسيطة حتى يتم تصنيفها.
3. انقر على التسمية المطلوبة (معلم) في علامة التبويب علامة التبويب ، ثم انقر فوق اللون المطلوب. تحدد هذه العملية كل علامة إلى معلم معين.
4. انتقل إلى علامة التبويب الرابط . قم بإنشاء خطوط بالنقر فوق علامتين على التوالي. تقوم هذه العملية بإنشاء خطوط تتوافق مع كل طرف باستخدام علامات مصنفة.
5. قم بتعيين الألوان للخطوط التي تم إنشاؤها عن طريق تحديد اللون المطلوب من عمود اللون .
6. تعريف الزوايا عن طريق تعيين خطوط مرجعية/متحركة واتجاهات الزوايا. انتقل إلى علامة تبويب الزاوية. بعد تسمية الزاوية ، قم بتعيين المتجه A (الخط المرجعي) والمتجه B (الخط المتحرك) بالنقر فوق العلامات المقابلة لكل معلم. ثم حدد اتجاه الزاوية بقيمة في قسم التشغيل في علامة التبويب نفسها.
   ملاحظة: بالنسبة لهذه الدراسة ، كانت المعلمات التي تم التركيز عليها بشكل أساسي في منتصف مرحلة الوقوف (الوسط): KSt (زاوية الركبة) ، ASt (زاوية الكاحل) ، MHD (مسافة الورك المشطية: أي ما يعادل ارتفاع الورك ، انظر القسم التالي). تم تعريف زاوية الركبة وزاوية الكاحل على أنها الزاوية بين عظم الفخذ والساق والساق وعظم مشط القدم الخامس ، على التوالي. زاوية 0 درجة تعني أن المفصل كان مثنيا بالكامل.
7. في علامة التبويب المسافة ، حدد معلمة المسافة (MHD). حدد علامتين مطابقتين في قسم إعداد المسافة . كما ستتوفر مسارات مشتركة كدالة لدورة الخطوة الطبيعية.
   ملاحظة: يجب إجراء تحديد الزوايا/المعلمات مرة واحدة فقط. ستكون إعدادات المعلمات متاحة للتقييمات اللاحقة بمجرد اكتمال عملية التحديد هذه.

تم تعيين 12 حيوانا عشوائيا إلى واحدة من مجموعتين: مجموعة التفريغ (UL ، n = 6) أو المجموعة الضابطة (Ctrl ، n = 6). بالنسبة لمجموعة UL ، تم تفريغ الأطراف الخلفية للحيوانات بواسطة الذيل لمدة 2 أسابيع (فترة UL) ، في حين تركت مجموعة Ctrl حرة. بعد 2 أسابيع من التفريغ ، أظهرت مجموعة UL نمط مشية متميز مقارنة بمجموعة Ctrl. ويبين الشكل 1 المسارات المشتركة الطبيعية للمواضيع التمثيلية. خلال مرحلة الوقوف ، أظهرت مجموعة UL امتدادات أخرى في الركبة والكاحل (أي الانثناء الأخمصي للكاحل) من مجموعة Ctrl ، والتي تسمى "المشي على أصابع القدم"3,16. كان الهدف من هذه الدراسة هو تحديد الخصائص الشاملة لهذه التدهورات الحركية. ولتوضيح المقاييس الكمية من هذه النتائج الإجمالية، تم تنفيذ ثلاثة بارامترات على النحو المذكور أعلاه: KSt، زاوية الركبة في الوسط؛ KSt، زاوية الركبة في الوسط أزاوية الكاحل. MHD ، مسافة الورك مشط القدم (المسافة الرأسية بين المفصل المشطي الخامس ومفصل الورك) ، والتي تعادل تقريبا ارتفاع مفصل الورك في الوسط.

في أسبوعين (أسبوعين بعد التفريغ) ، كان كل من KSt و ASt لمجموعة UL أكبر بكثير من تلك الخاصة بمجموعة Ctrl (الشكل 2A ، B ، اختبار t غير المقترن: p < 0.01). بالإضافة إلى ذلك ، كان MHD أعلى بكثير في مجموعة UL (الشكل 3 ، اختبار t غير المقترن: p < 0.01). يظهر موضع المخلب أثناء الوسط في الشكل التكميلي 1.

نشاط أقل من خلال التفريغ قد يسبب تغيرات عصبية22،23،24،25. يمكن أن تؤدي هذه التعديلات إلى تدهور في السمات الوظيفية للأنظمة الحركية 3,4 والميزات العضلية الهيكلية. يمكن أن تعزى التغييرات الكبيرة في المعلمات الموضحة أعلاه إلى تلك التغيرات العصبية.

الشكل 1: المسارات المشتركة الطبيعية للمواضيع التمثيلية. يتم ضبط الإحداثي بحيث تظهر المسارات في الرسم البياني تقريبا في المركز. (أ) أظهرت مفاصل الركبة والكاحل (ب) في مجموعة التفريغ امتدادا إضافيا (الانثناء الأخمصي للكاحل) أكثر من المجموعة الضابطة خلال مرحلة الوقوف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: زوايا مشتركة للركبة والكاحل في الوسط. أظهرت مجموعة التفريغ زوايا أكبر بكثير في كل من (A) KSt (الركبة) و (B) Ast (الكاحل) من المجموعة الضابطة (اختبار t غير المقترن: p < 0.01). يمثل شريط الخطأ الفاصل الزمني للثقة بنسبة 95٪. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: ارتفاع مفصل الورك في الوسط. كانت مسافة مشط القدم لمجموعة التفريغ أعلى بكثير من المجموعة الضابطة (اختبار t غير المقترن: p < 0.01). يمثل شريط الخطأ الفاصل الزمني للثقة بنسبة 95٪. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: مخطط يمثل تسلسل الإجراءات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 1: وضع مخلب الفئران أثناء الوسط. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

فيديو تكميلي 1: تتبع الخطوات من الأسفل. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الفيديو.

الفيديو التكميلي 2: تقييم الوصول إلى الاقتراحات. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الفيديو.

ويعلن صاحبا البلاغ أنه لا يوجد تضارب في المصالح.