梯子横杆行走任务：评分系统及其实际应用

摘要

梯子行走任务是一种新的测试方法，用于评估精细行走能力，并测量前肢和后肢的放置、迈步以及肢体间的协调性。

摘要

在中风、脊髓损伤及其他神经退行性疾病动物模型的开发进展中，需要采用高敏感度的检测方法，以细致评估运动功能的不同方面，并检测运动能力的细微丧失。为了提高检测的有效性和分辨力，测试方法应能够对运动功能进行定性和定量测量，并对恢复期间的行为变化具有敏感性。本研究描述了一种用于评估大鼠精细行走能力的新任务，可同时测量前肢和后肢功能。实验要求动物在水平梯子上行走，梯子横档间距可变且定期调整。横档间距的变化可防止动物学习横档的绝对或相对位置，从而最大限度地减少动物通过学习来代偿功能缺损的可能性。此外，改变横档间距使得该测试可在长期研究中重复使用。本文还描述了用于定量和定性评估前肢与后肢表现的方法，包括肢体放置、迈步动作及协调性。此外，当某一肢体发生错位时，动物出现的失误步态或代偿性步态可反映其代偿策略的使用情况。

方案

梯子横档行走测试装置

水平梯 rung 行走测试装置由透明有机玻璃侧壁和金属横杆（直径 3 mm）组成，金属横杆可插入装置中，使横杆之间最小间距为 1 cm（见图 1；Metz 和 Whishaw，2003）。侧壁长 1 m，从横杆高度起测量高 19 cm。梯子离地面抬高 30 cm，起始端设有一个中性起始笼，末端设有躲避处（动物的家笼）。由于动物在训练期间已适应环境，装置的抬高不太可能引起焦虑。通道的宽度根据动物体型进行调整，使其比动物体宽约 1 cm，以防止动物在通道内转身。

通过改变金属横档的位置来调节任务的难度。规则排列的横档使动物能够在多次训练过程中学习该模式，并预判横档的位置（图1，模式A）。而每次试验都变化的不规则排列则防止动物学习到固定模式（图1，模式B）。在规则排列中，横档间距为2 cm。在不规则排列中，横档间距在1至5 cm之间系统性地变化。共使用五种不同的不规则横档排列模板，以便对所有动物应用相同的模式，从而标准化测试难度并提高结果的可比性（见结果部分）。

视频记录

将一台相机（Canovision，佳能公司）置于略微腹侧的角度，以便同时记录四肢的所有位置。快门速度设置为 500 - 2000 s。视频记录通过每秒 30 帧的逐帧分析进行解析。

行为训练与测试分析

动物被训练从一个中性笼子穿过梯子到达其所在的家笼，家笼中的同窝幼崽提供了行走的正向强化。所有动物均朝同一方向穿过梯子。未提供其他强化措施来激励动物穿越梯子。每次实验中，所有动物均被训练和测试五次。

足错评分

前肢和后肢放置的定性评估采用先前描述的足部错误评分系统进行（Metz 和 Whishaw，2003）。分析通过逐帧检查视频录像完成。仅分析每个肢体的连续步态。因此，在步态中断（如停顿或足部错误）之前的最后一步以及中断之后的第一步不予评分。在梯子末端完成的最后一个步态周期也不计入评分。当发生失误时，根据肢体落在横杆上的位置以及肢体在横杆之间的伸出情况对肢体放置进行评分。

使用7个类别的评分标准对足部或爪子在横杆上的放置方式进行评分（见图2）。根据足部或爪子的位置以及放置准确性中出现的错误进行评分。

（0）完全错过。 当肢体完全错过横杆，即未接触横杆，并发生坠落时，得分为0分。坠落定义为肢体严重陷入横杆之间，且身体姿势和平衡受到干扰。
（1）严重打滑。 肢体最初放置在横杆上，但在承重时滑脱并导致坠落。
（2）轻微打滑。 肢体放置在横杆上，在承重时发生滑脱，但未导致坠落，也未中断步态周期。在此情况下，动物能够维持平衡并继续协调行走。
（3）重新放置。 肢体放置在横杆上，但在承重前迅速抬起并放置到另一横杆上。
（4）校正动作。 肢体最初朝向某一横杆移动，但随后在未接触该横杆的情况下放置到另一横杆上。或者，若肢体放置在横杆上后，在同一横杆上迅速调整位置，则也记录为4分。
（5）部分放置。 肢体以前肢的腕部或指端，或后肢的足跟或脚趾部分接触横杆。
（6）正确放置。 肢体掌部中段完全置于横杆上，并实现充分承重。

当多种错误同时发生时，记录其中最低的得分。例如，若一只脚先踩到一个横档，然后在同一歩中又踩到另一个横档（得分为3），随后在横档之间滑落并跌落（得分为1），则记录得分为1。当发生跌落时，仅对引发错误的肢体进行评分，在动物将所有肢体重新调整到位之前，其他肢体均不再计分。五次试验的错误得分取平均值用于分析。

步位准确性分析（错误次数）

统计每次穿越过程中的错误次数。错误根据足部失误评分系统确定。每次肢体放置得分为0、1或2分时即定义为一次错误，即任何类型的足部滑动或完全踏空均视为错误。每只肢体的错误次数和步数均分别记录。根据这些数据，计算每次试验中每步的平均错误数，并对五次试验的结果取平均值。第二个定量分析参数是动物通过梯子任务全长所需的平均时间。计时从动物被放置到梯子上并开始行走整个长度时开始。动物在行进过程中停留的时间不计入总时间。

前爪脚趾评分

当前爪正确放置且其中部位于横杆上时（即足部错误评分系统中的6分），记录前爪脚趾评分。前爪脚趾围绕横杆弯曲的程度采用三分制进行评定（图2）。评分时以前肢承重最大的位置为准，即前肢垂直置于横杆上。评分标准如下：
（0）脚趾闭合角度约为90度。
（1）脚趾闭合角度约为45度。
（2）脚趾完全环绕横杆弯曲。
取五个步态的评分平均值用于分析。

图注

图1. 前外侧视角下的熟练梯格行走测试装置，图中标注了装置的具体尺寸。本研究采用了两种不同的梯格排列模式：模式A，规则梯格排列；模式B，不规则梯格排列。不规则梯格排列在连续试验之间有所变化。

图2. 代表性照片展示手指评分的三个类别。注意在完全承重时手指相对于前肢的角度。

讨论

本研究引入梯子横档行走任务作为一项新的测试方法，用于评估精细行走能力、肢体定位及肢体协调性。梯子横档行走任务通过结合对精细行走的定性与定量分析，能够区分运动功能中细微的功能障碍。视频分析程序可用于更详细地描述功能缺损情况，本文所述的简单评分量表可揭示抓握横档时肢体定位错误及趾（指）屈曲异常。定性分析包括统计行走过程中足部落点错误的次数以及通过装置所需的时间。这些指标可对足部定位准确性和趾（指）使用情况进行有效且可靠的评估。

存在多种步行测试方法，包括转棒行走测试、横梁行走测试、圆筒实验、步态分析以及地面反作用力分析（Muir, 2005）。这些测试均可有效地将肢体放置动作分解，用于行为学分析。然而，本测试方案具有若干优势。首先，该测试允许对动物的自发性行走进行观察，因为无需通过食物或饮水剥夺来激发其运动动机。其次，动物需跨越梯状跑道的横杆，这一过程要求精确的足部定位与抓握动作，从而可同时对迈步和抓握行为进行分析。最重要的是，本测试通过对横杆间距进行变化，对持续性运动构成挑战，这种变化可用于评估持续行走能力及/或对迈步模式的记忆能力（McVea 和 Pearson, 2007）。<...