非对称步道：一种研究非对称运动行为的新颖行为学检测方法

摘要

本文介绍了一种用于量化啮齿类动物精确步态的实验方案。在受阻运动过程中，精确的足部定位需要大脑皮层和脊髓中央模式发生器信号的共同参与。本文报道了一种新型的受限行走任务，可直接检测精确的步态行为。

摘要

行为学检测常用于评估中枢神经系统（CNS）的感觉运动功能障碍。量化啮齿类动物运动功能障碍的最精密方法是测量其在地面自由行走时步态的微小异常。例如然而，由脊髓中央模式发生器（CPG）产生的基本 locomotion并不需要皮层输入。因此，非限制性行走任务仅能间接检测由于运动皮层损伤导致的运动功能缺陷。在本研究中，我们提出了一种新型的精确足部定位运动任务，用于评估皮层对脊髓CPG的输入作用。我们使用一种带有仪器化的 peg-way（踏钉通道）来实施对称和不对称的运动任务，以模拟偏侧化的运动功能缺陷。我们证明，在偏好步幅长度下行走时， stride length（步幅长度）间距离变化达20%即可引起前肢支撑相特征的改变。此外，我们认为这种不对称走道可用于测量由皮层控制信号产生的行为学结果，这些指标对于评估皮层损伤后的功能障碍具有重要意义。

引言

卒中后幸存人群的病残率包括粗大运动功能障碍，这在卒中后人类及神经系统损伤动物模型的定量评估中均构成挑战¹。在临床实践中，这些运动功能障碍通常采用主观标准进行测量，而这些标准对重度而非大多数患者所表现出的中度功能障碍更为敏感。类似地，在动物中对损伤后运动行为的主观评估也很常见，例如，Basso、Beattie 和 Bresnahan（BBB）运动功能评分法^2,3。尽管这些主观评估方法有助于四足动物模型与人类在步态康复研究之间的转化，但它们并未评估与各肌肉群活动相关的运动缺陷的具体细节。此外，即使采用最新的自动化定量方法^4,5，也仅能间接获得对运动皮层在行走中作用的评估——而运动皮层被认为是脑血管意外中运动功能障碍的潜在关键因素，因为这些方法依赖于开放场域或直线行走任务。此类任务不需要皮层参与，可由脊髓的神经机制完成，即，中枢模式发生器（CPG）网络，该网络在大多数神经损伤动物模型（例如，脊髓横断动物）中得以保留^6-8。实验已证实，皮层对这些脊髓机制的必要性体现在需要预期性姿势调整⁹和抓取动作¹⁰，以及精确步态控制¹⁰的任务中。

此外，大多数神经损伤具有不对称性；例如，中风会导致偏瘫，即，身体一侧无力，从而引起不对....

方案

以下训练范式采用对成年 Sprague-Dawley 大鼠平均相位调节的分析。请确保本文所述方案符合您所在机构的动物护理指导原则。本研究中的所有操作均依照西弗吉尼亚大学医学院机构动物护理与使用委员会（IACUC）和实验动物福利办公室（OLAW）的规定，并遵守美国国立卫生研究院关于实验动物使用的指导原则。

1. 仪器设置

1. 构建一个不对称步道，其结构为顶部开放的塑料箱，四个角由铝制支架支撑，尺寸为 155 cm × 104 cm（图1）。在箱子的顶边使用两侧带凹槽的铝条进行加固，沿箱子周缘设置可交替安装插销的位置，使同一侧上相邻插销之间的距离定义步幅长度。
2. 在每个角落放置一个 20 cm × 20 cm 的平台（共四个），以分隔各侧所代表的不同条件。该距离应足以包含单只大鼠一个步态周期所经过的距离。
   1. 使用铝材制成的插销，尺寸为 20 cm × 1 cm × 0.5 cm。将每个插销顶端距尖端 2.5 cm 处弯曲，形成足部放置平台。
   2. 通过精密加工的孔洞，使用滑动内嵌支架将插销固定在带凹槽的铝条上，确保所有插销处于相同高度并水平对齐。使用螺丝刀和直尺调整位置。插销宽度采用 1 cm，约等于大鼠足掌的平均尺寸；过窄或过宽的插销均会导致不适或增加足部放置的变异性。
3. 通过调节两侧插销的位置，产生三种精确的行走挑战条件。....

结果

图2展示了单个代表性受试者在运动任务期间不对称性的分析结果。所有条件下的数值均基于所有受试者个体数据（图2）以及8只雌性斯普拉格-道利大鼠（Sprague-Dawley rats，250–400 g，图3）的合并数据，使用公式1和公式2分别计算得出。通常情况下，前肢站立相的调制程度在运动偏好侧（较短的步长，ISL）较低，这与以下观点一致：随着运动速度降低，优势侧（较长的步长，ISL）的站立相在步态周期中所占比例 tends to 占据更大比例，相较于偏好侧肢体。

采用单因素方差分析（α = 0.05）以及使用Matlab中的anova1和multcompare函数进行保守的Bonferroni校正的事后t检验（校正后α = 0.0125），对从L9R6和L6R9条件获得的相应不对称性指数之间的差异（ΔAI）进行检验。.......

讨论

本研究的目的是开发一种行为学任务，以定量评估非对称运动行为中精确控制能力的变化。脊髓中枢模式发生器（CPG）的存在已在功能上被证实多年²⁰，但其解剖和功能特征，以及来自下行通路或感觉反馈通路的调节性输入，直到过去十年才逐渐被阐明^6,21,22。目前的共识是，脊髓固有机制、感觉反馈和下行指令在运动行为的产生过程中紧密整合¹

本文介绍的非对称精确足部放置任务旨在功能性地挑战负责灵巧性非对称迈步控制的系统，这种控制已知需要皮层输入^23,24。该表现是相对于对下行皮层和脑干控制依赖较少的对称性任务进行评估的，因此我们有机会区分脊髓通路与下行通路的各自贡献。由于运动皮层直接参与运动过程中肌肉时相的调节，以及抓取和姿势调整^9,10,25，因此分析在施加的非对称精确迈步任务下时相调节的变化，为描述随意控制的改变提供了依据。这一点在左侧与右侧优势任务之间显著的偏侧化时相调节差异中得以体现，其特征表现为非对称性指数的不同。我们还观察到全身协调性的变化，这种协调需要对侧前肢与后肢之间的对角耦合.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MATLAB® R2013a	MathWorks		用于自定义视频标注软件的设计平台
Sony HDR-CX380/B 高清 Handycam	Sony	27-HDRCX330/B	视频采集设备
Jif 浓稠花生酱 - 无麸质 454 g	J.M. Smucker Company		食物奖励刺激物
蔗糖片剂 - 巧克力味 1800 g	TestDiet	1811256	食物奖励刺激物
曼萨尼塔木咀嚼棒	BioServe	W0016	用于呈现食物奖励刺激物