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方法文章

一种基于创新跑轮机制的改进大鼠训练性能方法

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DOI：

10.3791/54354

⸱

2016年9月19日

 ,  , 
1Department of Electronic Engineering, National Chin-Yi University of Technology, 2Department of Electrical Engineering, National Cheng Kung University, 3Department of Biotechnology, Southern Taiwan University of Science and Technology, 4Department of Medical Research, Chi Mei Medical Center

本文内容

摘要

本研究介绍了一种基于跑轮的动物活动能力系统，用于量化大鼠的有效运动活动。通过采用预定义的自适应加速度曲线构建了适合大鼠的实验平台，有效运动率与梗死体积之间存在高度相关性，表明该方案在脑卒中预防实验中具有应用潜力。

摘要

本研究介绍了一种配备定位跑轮（PRW）的动物运动系统，用于量化运动训练在减轻大鼠脑卒中 后症状严重程度方面的有效性。该系统相较于市售的跑步机和电动跑轮（MRW）系统，能够提供更有效的动物运动训练。与仅能实现低于20 m/min速度的MRW相比，本研究中的系统采用直径55 cm、宽15 cm的亚克力轮，支撑更宽敞且高密度橡胶材质的跑带，使大鼠可在30 m/min的稳定速度下奔跑。系统采用预设的自适应加速度曲线，不仅减少了操作者误差，还能训练大鼠持续奔跑直至达到指定强度。为评估运动效果，跑轮上部署了四对红外传感器，用于实时检测大鼠的位置。一旦由微控制器启动自适应加速度曲线，红外传感器获取的数据将被自动记录并由计算机分析。为进行比较，分别使用跑步机、MRW和PRW对大鼠进行了为期3周的训练。在通过手术诱导大脑中动脉闭塞（MCAo）后，采用改良神经功能缺损评分（mNSS）和斜面试验评估大鼠的神经损伤情况。实验验证表明，PRW在上述动物运动系统中效果最为显著。此外，基于大鼠位置分析的运动有效性评估指标显示，有效运动与梗死体积之间存在高度负相关，可用于量化任何类型的脑损伤减轻 实验中大鼠的训练效果。

引言

脑卒中持续对全球各国造成经济负担，导致无数患者出现身体和心理残疾1,2。临床证据表明，规律锻炼可促进神经再生并增强神经连接3,4，同时也有研究显示，锻炼能够降低发生缺血性脑卒中的风险5。在大多数临床实验中，通常采用跑步机或跑轮作为运动训练系统，以大鼠等啮齿类动物作为人类的替代模型，用于评估锻炼的有效性6-8。训练系统一般包括在特定时间段内让大鼠以一定速度奔跑。因此，训练强度通常根据运动速度和持续时间来计算6-8。同样的方法也被用于估算实现神经生理保护所需的运动量。然而，实验中的运动有时会无效，例如当大鼠跟不上跑轮速度而出现踉跄、跌倒或抓握护栏的情况9-11。毋庸置疑，无效运动事件会显著降低运动带来的益处。尽管目前尚无普遍接受的方法来量化可减少脑损伤的有效运动量，但有效运动水平仍是神经生理学领域临床研究人员客观评估运动益处的重要指标。

目前在脑损伤减少 实验中所使用的商用动物运动系统存在多种局限性12。在跑台实验中，大鼠通过电击被强迫奔跑，这会对其造成极大的心理应激，从而干扰最终的神经生理学测试结果8,13,14。跑轮可分为两类，即自愿型和强制型。自愿型跑轮允许大鼠自然奔跑，但由于个体间生理特征和能力的差异，导致实验变异性过大15；而电动跑轮（MRW）则通过电机驱动跑轮旋转，迫使大鼠奔跑。尽管电动跑轮也属于强制训练的一种形式，但其对大鼠造成的心理应激程度低于跑台13,16,17。然而，使用电动跑轮的实验报道指出，当速度超过20 m/min时，大鼠有时会抓住跑轮轨道上的栏杆中断运动，拒绝继续奔跑9。这些实例表明，现有的动物运动系统存在固有的缺陷，难以实现有效的运动训练。因此，为了实现客观的大鼠训练目标，开发一种高效且干扰程度低的训练系统已成为神经生理学运动实验中亟待解决的重要问题。

本研究介绍了一种用于实验的高效跑轮系统 减轻卒中影响的严重程度11除了在训练过程中减少干扰因素外，该系统通过轮子中嵌入的红外传感器检测大鼠的运行位置，从而更可靠地估算有效运动量。传统跑步机带来的心理应激以及磁悬浮跑轮（MRWs）中频繁的运动中断均会扭曲运动估算结果的客观性。本研究提出的定位跑轮（PRW）系统旨在尽量减少不必要的干扰，同时为量化有效运动提供一种可靠的训练模型。

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方案

伦理声明：实验程序已获中国台湾科技部、中国台湾台南市南台科技大学实验动物中心动物伦理委员会批准。

1. 构建跑步轮结构

注意：所有亚克力材料均应为透明。每次使用后，先用清水清洗拆卸下来的轮子，然后用酒精擦拭橡胶轨道和亚克力板。

  1. 准备一个直径为 55 cm、宽度为 15 cm 的亚克力跑轮。
    注意：该跑轮比传统跑轮（直径 = 35 cm；宽度 = 12 cm）更大（图 1A）。
  2. 使用切割工具，在跑轮一侧切出一个四分之一圆的开口，作为大鼠的进出通道（图 1B）。在亚克力跑轮内侧贴附一层高摩擦橡胶轨道（图 1B）。
  3. 安装带轴承的铁杆，用于连接跑轮（图 1B）。在跑轮两侧各放置一个亚克力三角柱，作为支撑框架（图 1B）。
  4. 使用螺丝将厚度为 1 mm 的半圆形透明亚克力板固定在两个三角柱的外侧，用于安装红外传感器。确保亚克力板距离跑轮两侧各约 3 cm。

2. 部署红外传感器并定义有效运动区域

注意：在设计红外系统时，需考虑跑轮尺寸和大鼠体长。大鼠每次仅触发一个传感器。本实验中，大鼠体长为 20 至 23 cm。

  1. 在亚克力板上每隔 45°（弧长间隔 = 21 cm）钻一个孔，两孔之间的距离大致相当于一只实验大鼠的体长。孔的尺寸应与红外传感器相同（图 2A）。
    注意：对于传统的 MRW，每隔 70° 钻一个孔（弧长间隔 = 21 cm，图 2B）。
  2. 在 PRW 实验期间，保持大鼠在 0° 至 135° 范围内持续奔跑。
    注意：因此将该区域定义为有效运动区域，其余部分视为无效运动区域。对于传统的 MRW，将有效运动区域定义为 0° 至 140° 之间的部分（图 2B）。

3. 驱动跑轮

  1. 使用无刷直流电机和电机驱动器来驱动跑轮。
  2. 将一个直径为 10 cm 的橡胶圆盘安装在电机的中心轴上（图 1B）。
  3. 利用铁架和弹簧支撑电机，将电机中心轴上的橡胶圆盘连接至跑轮的外侧。
    注意：弹簧必须与螺丝配合使用，以实现电机高度的动态调节，并防止因弹簧松动导致橡胶圆盘与跑轮轨道脱离。
  4. 通过微控制器控制电机，驱动直径为 10 cm 的橡胶圆盘，观察由于橡胶圆盘与跑轮跑道之间的摩擦力而使跑轮旋转，从而构建一个电动跑轮平台。
  5. 依次在 0° 至 135° 范围内安装四个红外传感器（图 2A）。
    注意：对于传统的 MRW，应在 0° 至 140° 范围内安装传感器（图 2B）。
  6. 使用单芯电缆将安装在两块亚克力板上的四对红外传感器连接至微控制器的通用引脚，从而构成一个定位跑轮系统。

4. 构建自适应加速度曲线

  1. 在正式开始为期3周的运动训练前3天，通过手动操作跑轮对大鼠进行训练。
    注意：目的是让大鼠熟悉跑步环境，并测试每只大鼠是否能够承受20 m/min的速度持续奔跑。
    1. 在手动操作训练过程中，逐步提高跑速，直至大鼠无法跟上节奏。此时降低速度，待大鼠恢复稳定奔跑状态后，再逐步提高速度，直至达到20 m/min（见图3中的虚线）。手动训练共涉及七只大鼠，用于构建训练曲线。
  2. 利用数值方程拟合手动测试第3天的实测数据，计算出最接近手动训练的加速度曲线（带圆圈的曲线，图3）。将方程1拟合至原始数据，其中Cini = 8、Cfin = 20 和 τ = 30 分别表示初始速度、最终速度和时间常数。
    注意：该方程可根据大鼠个体的身体状况进行调整，因此将所计算出的曲线称为自适应加速度训练模型。
    描述PRW电压瞬态V_PRW(t)的指数衰减方程；公式展示。  (1)
  3. 在正式训练的第1周使用方程1。
  4. 在第2周和第3周的训练中，调整方程1的参数，即将A从12调整为22，使速度达到30 m/min。

5. 控制软件程序

注意：仅为基于微控制器的电机操作以及从红外传感器向计算机传输信号以进行后续数据分析开发代码。

  1. 使用 C 编程语言编写一个软件控制程序，该程序包含一个主程序和两个用于微控制器中定时器的中断服务程序18。
    1. 确保主程序初始化微控制器的寄存器，并在微控制器的内存中构建自适应加速度曲线模型。
    2. 使用定时器 0 的中断服务程序来激活自适应加速度曲线，并计算整个训练持续时间。
    3. 使用定时器 1 的中断服务程序从红外传感器提取信号数据，并将数据传输至计算机。
    4. 使用主程序记录 0o 位置，以调节跑步轮的速度。
  2. 一旦位于 0° 的接收式红外传感器被触发，则将其解释为一次跌落事件，由主程序累计该事件次数。当跌落事件发生次数达到大鼠位置检测总数的 10% 阈值时，自动降低跑步轮速度，作为训练大鼠的安全措施。注意：跑步轮速度将持续降低，直至大鼠能够返回安全区域（0o 至 135o）并维持稳定的运行状态，以确保安全。

6. 操作定位跑步轮系统

  1. 打开微控制器，等待操作员按下按钮以启动每周的训练模型。
    1. 按下“开始”按钮，启动第1周的训练模型。
      注意：电机将根据自适应加速度曲线自动加速，直至达到20 m/min，并在30分钟后自动停止。
    2. 按下“开始”按钮，启动第2周的训练模型。
      注意：电机将根据自适应加速度曲线自动加速，直至达到30 m/min，并在30分钟后自动停止。
    3. 按下“开始”按钮，启动第3周的训练模型。
      注意：电机将根据自适应加速度曲线自动加速，直至达到30 m/min，并在60分钟后自动停止。
      注意：在整个训练过程中，需将红外传感器接收到的信号数据无线传输至计算机。
  2. 使用计算机分析位置数据，以获得整个运动过程的有效运动指标（静力平衡；公式 ΣFx=0；表示力的平衡；物理公式。）。参见公式2。
    静力平衡公式，EEE_PRV% = EED/(EED + IED) × 100%，计算公式。  (2)
    注意：EEE、EED和IED分别表示有效运动指标、有效运动时长和无效运动时长。

7. 训练大鼠

  1. 将成年雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为五组（每组n = 9）：假手术组、对照组、跑步机组、MRW组和PRW组。
  2. 对三个运动组进行为期3周的运动训练， 即 跑步机、MRW 和 PRW 组，但不包括假手术组和对照组。
    注意：每组运动训练为期3周，第1周为20 m/min，持续30分钟；第2周为30 m/min，持续30分钟；第3周为30 m/min，持续60分钟。

8. 动物与脑卒中模型

  1. 如第7.1节所述，将所有参与实验的成年雄性Sprague-Dawley大鼠（体重介于250–280 g之间）随机分为5组。
  2. 称量所有动物体重，以确保准确计算药物剂量。使用戊巴比妥钠（25 mg/kg，腹腔注射 [i.p.]）以及包含氯胺酮（4.4 mg/kg，肌肉注射 [i.m.]）、阿托品（0.02633 mg/kg，[i.m.]）和赛拉嗪（6.77 mg/kg，[i.m.]）的混合制剂对大鼠进行麻醉。
    1. 通过监测呼吸频率（正常值为70–115次/分钟）、节律、呼吸深度、黏膜颜色，并定期测试反射（如e.g. 趾夹、尾夹、眼睑/睫毛及睑裂反射）来评估麻醉深度。
  3. 将温度探头插入直肠，并使用独立的加热灯将直肠温度维持在37至37.5 °C之间。
  4. 通过经颈外动脉途径将尼龙线插入颈内动脉，以阻塞大脑中动脉开口，从而建立局灶性缺血模型——短暂性大脑中动脉闭塞（MCAo）19。
    1. 对假手术组动物执行相同的操作步骤，但不将尼龙线插入颈内动脉。维持局灶性脑缺血1小时后，撤出尼龙线，缝合切口，并保留1 cm长的尼龙缝线外露，以便后续撤出以实现再灌注。
  5. 给予动物皮下（s.c.）注射镇痛药（布托啡诺（0.05 mg/kg，s.c.）），每日两次，持续3天。

9. 评估神经损伤

  1. 分别通过神经功能缺损评分（mNSS）评估神经学和运动功能20 以及一个斜面测试21.
    注：mNSS 是运动（肌肉状态、异常运动）、感觉（视觉、触觉和本体感觉）和反射测试的综合评分。未能完成某项任务时记 1 分。神经功能评分范围为 0–18 分（正常评分为 0 分，最高缺损评分为 18 分）。
  2. 在手术前1天及术后连续7天，每天评估所有大鼠的行为学表现。
  3. 使用倾斜平面测量大鼠后肢握力强度。
    1. 每天将大鼠放置于倾斜攀爬装置上，并在测试前1周使其适应该装置和测试条件。
    2. 将每只大鼠放置于装置上，在适应期期间引导大鼠攀爬平台直至装置顶端。
    3. 测试时将大鼠置于装置顶部，头部朝下。确保大鼠的身体轴线沿 20 x 20 cm2 倾斜平面上起始于某一角度的带肋橡胶表面 25°.
    4. 通过与步进电机连接的滚珠丝杠动态增加角度，以确定动物能够紧贴斜面的最大角度。逐渐增加斜面的角度，直至小鼠无法继续附着于斜面，随后检测其下滑事件。斜面的基线角度为 25° 在开始时。
    5. 请两名未被告知大鼠接受何种处理的观察者，独立地对所有行为学测试进行检查和评分， 即 左右两侧最大角度的平均值。
  4. 在MCAo术后第7天处死所有动物。在深麻醉状态下（戊巴比妥钠100 mg/kg，腹腔注射），经心脏灌注生理盐水22. 取出脑组织，浸入冷生理盐水中5分钟，随后使用组织切片机将其切成2.0 mm的冠状切片22.
  5. 将新鲜脑切片浸入2, 3, 5-三苯基氯化四氮唑（TTC）中 37 °C 30分钟，然后将切片转移至5%甲醛溶液中固定 4 °C 孵育24小时。将染色后的脑切片置于有机玻璃支架上。
  6. 使用连接到装有图像处理软件的个人计算机的CCD相机，对经TTC染色的切片进行带有校准标尺的拍照。同时使用半自动图像分析系统估算梗死面积（mm²）。2) 来自每张TTC染色脑切片23.
  7. 通过累加所有脑片中梗死区域的面积，计算每张切片的总梗死体积。在每张2 mm厚切片的两侧分别标记未染色区域（缺血脑组织），然后计算梗死体积及其平均值。
  8. 按如下公式计算校正的梗死体积（CIV）：
    CIV = {LT - (RT - RI)} 静力平衡，ΣFx=0 公式，示意图，受力分析，物理学，教育概念，力学。 3天
    注：LT 和 RT 分别表示左侧和右侧半球的面积，单位为 mm²2，RI 分别为梗死面积，单位为 mm²2，d = 2 mm 为切片厚度。

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结果

本节重点比较术后1周时五个组别在mNSS评分、斜面测试结果及脑梗死体积方面的差异。图4A和4B分别展示了各组的平均mNSS评分和平均斜面测试结果。在mNSS改善方面，PRW组表现最佳。PRW组与MRW组之间以及跑步机组与PRW组之间的显著差异明确表明，与其他现有的动物运动系统相比，PRW在对抗中风方面具有更有效的保护作用。术后七天内，所有运动组的斜面测试均能在显著更陡的倾斜角度下完成，明显优于对照组，充分证明了运动在减轻中风后遗症严重程度方面的益处。特别是，PRW组的倾斜角度在所有运动组中最为陡峭，甚至可与假手术组相媲美，显示出比跑步机组和MRW组更高的恢复水平。此外，图4C显示，在神经损伤评估7天后取出脑组织切片进行分析，PRW组不仅其梗死体积显著小于对照组，而且在所有运动组中梗死体积最小。因此，明显可见，使用PRW训练的大鼠相较于使用现有商用训练系统的大鼠，其脑梗死损伤程度显著更低，验证了PRW在减少脑损伤训练方面的优越性。

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讨论

本方案描述了一种高效跑轮系统，用于减轻动物卒中 后症状的严重程度 。作为一个对大鼠友好的实验平台，该系统设计时采用预设的自适应加速度曲线，使大鼠在整个跑步过程中能够保持稳定的运行速度。在典型的训练系统中，预设的训练速度和持续时间需手动设定，一旦开始运动，会很快达到预设速度。在这种情况下，大鼠很可能无法适应较高速度，导致跌倒或翻滚，从而影响跑步的稳定性。关键步骤为1.1、4.1和4.2，这些是PRW相对于MRW的关键特征。步骤1.1中所述的宽敞跑动轨道与步骤4.1和4.2中提到的自适应加速度训练模型构建相结合，构成了对典型MRW的改进版本。这些关键特征可导致比MRW更小的梗死体积。所介绍系统的整体设计旨在构建一个减少无效运动的大鼠友好型实验平台。更具体而言，系统部署了4对红外传感器，用于实时检测大鼠的位置，从而提供一种量化有效运动活动的指标（定义于步骤6.6），以便与mNSS评分、斜面倾角及脑梗死体积进行相关性比较。该指标可用于量化各类尚未在传统训练平台上实现的神经生理学实验。然而，由于红外传感器分布较稀疏，可能无法准确检测体型较小大鼠的有效运动。此外，相较于 treadmill（ treadmill），该平台的一个主...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨向中国台湾台南市永康区中华路901号701室奇美医学中心医学研究部实验室动物中心的王志中博士（奇美医学中心教育副院长）表示感谢，感谢其提供了拍摄场地。同时，作者也感谢中国台湾台南市奇美医学中心医学研究部的唐玲玉女士和王仲涵先生，他们在大鼠真实实验中对原型系统的演示提供了宝贵协助。作者谨此感谢中国台湾科技部（MOST 104-2218-E-167-001-）对本研究提供的资助支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
无刷直流电机Oriental MotorBLEM512-GFS
电机驱动器Oriental MotorBLED12A
电机减速器Oriental MotorGFS5G20
速度计Oriental MotorOPX-2A
跑步机Columbus InstrumentsExer-6M
红外发射器 Seeed StudioTSAL6200
红外接收器Seeed StudioTSOP382
微控制器Silicon LabsC8051F330
CCD相机Canon Inc.EOS 450D
图像处理软件Adobe Systems IncorporatedADOBE Photoshop CS5 12.0
图像分析软件Media CyberneticsPro Plus 4.50.29
戊巴比妥钠Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA)SIGMA P-3761
氯胺酮Pfizer (Kent, UK) 1867-66-9
阿托品Taiwan Biotech Co., Ltd. (Taoyuan, China Taiwan)A03BA01
赛拉嗪Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA)SIGMA X1126
丁丙诺啡Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA)B9275

参考文献

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