本实验方案描述了三维运动追踪/评估方法，用于描绘大鼠在暴露于模拟失用环境后步态运动的变化。
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摘要
摘要
众所周知，废用会影响神经系统，并导致关节运动发生改变；然而，目前尚不明确哪些指标能够恰当地反映这些特征。本研究描述了一种利用视频捕捉进行三维（3D）重建的运动分析方法。通过该技术，观察了在模拟微重力环境中因尾部悬吊导致后肢去负荷的大鼠行走表现所发生的废用相关改变。经过两周的去负荷处理后，大鼠在跑步机上行走，并使用四台电荷耦合器件（CCD）摄像机记录其步态运动。利用图像处理软件重建三维运动曲线，并与对照组个体进行比较。重建的结果指标成功地揭示了步态运动异常的若干特征：站立相期间膝关节和踝关节的过度伸展以及髋关节位置升高。运动分析具有多种优势。首先，它能够实现对行为的定量评估，而非依赖主观判断（例如某些任务中的通过/失败判定）。其次，一旦获得基础数据集，便可从中提取多个参数以满足特定研究需求。尽管该方法在推广应用中仍存在障碍，但通过确立全面的测量指标和实验操作流程，有望缓解其劳动强度高和成本昂贵等缺点。
引言
缺乏身体活动或不使用会导致运动效应器的退化，例如肌肉萎缩和骨量流失1以及全身性失适应2。此外，最近人们注意到，活动减少不仅影响骨骼肌肉系统结构方面的变化，还会影响运动的质量特征。例如，暴露于模拟微重力环境的大鼠，即使在干预结束后1个月，其肢体位置仍与正常动物不同3,4。然而，关于活动减少所导致的运动功能缺陷，目前报道仍然较少。同时，这些退化所伴随的整体运动特征也尚未被充分阐明。
本方案演示并讨论了运动学评估的应用，通过参考后肢悬吊大鼠因失用所诱发的步态运动缺陷，来可视化运动变化。
已有研究表明，在模拟微重力环境后行走时，人类5和动物4,6,7,8均会出现肢体过度伸展的现象。因此，为了保证普适性，本研究聚焦于一些通用参数：站立相中期（midstance）膝关节和踝关节的角度，以及跖趾关节与髋关节之间的垂直距离（大....
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方案
本研究经京都大学动物实验委员会批准（Med Kyo 14033），并依照美国国立卫生研究院指南（《实验动物护理与使用指南》，第8版）进行。本研究采用7周龄雄性Wistar大鼠。实验操作流程示意图见补充文件1。
1. 让大鼠适应跑台行走
注意：有关该操作步骤的详细信息，请参见先前发表的报告13。
- 将大鼠放置于专为啮齿类动物设计的跑步机上（参见材料表）。在第一次实验中，让动物自由探索跑步机，以适应环境。
注意：此过程约需5分钟。 - 逐步增加跑带速度至所需水平（20 cm/s），并让大鼠行走。如有需要，可在跑步机末端施加电刺激14。
注意：一次行走训练持续约10–20分钟。 - 每隔一天重复一次此过程，持续1周或根据需要更频繁地进行15,16,17。
注意：应在第2步开始前1周启动适应期。 - 将大鼠以每笼2–3只的方式群养....
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结果
将12只动物随机分为两组：去负荷组（UL，n = 6）和对照组（Ctrl，n = 6）。对于UL组，通过尾巴悬吊使动物后肢去负荷2周（UL期），而Ctrl组动物则自由活动。去负荷2周后，UL组表现出与Ctrl组明显不同的步态模式。图1展示了代表性受试者的归一化关节运动轨迹。在支撑相期间，UL组的膝关节和踝关节（即踝关节的跖屈）比Ctrl组表现出更大的伸展，称为“踮足行走”3,16。本研究的目的是确定这些运动功能退变的全面特征。为了从这些总体结果中阐明定量指标，采用了上述三个参数：KSt，支撑中期的膝关节角度；ASt，踝关节角度；MHD，跖骨-髋关节距离（第五跖趾关节与髋关节之间的垂直距离），该距离实际上等同于支撑中期髋关节的高度。
在卸载后2周时，卸载组（UL组）的KSt和ASt均显著高于对照组（Ctrl组）图2A，B
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讨论
环境的改变会导致运动系统功能特征和肌肉骨骼组分的波动26,27。收缩结构或环境的异常可能影响功能能力，即使在机械或环境畸变消除后，这种影响仍可能持续存在19。客观的运动分析有助于对这些功能能力进行定量测量。如上所述，视频分析是获取此类参数的一种强大方法。
为了在视频分析中追踪关节标志点，通常使用红外标记物和摄像机，而手动追踪也较为常见10,28。采用彩色半球形标记物并结合自动捕捉流程，可使该追踪过程更简便且更具成本效益。尽管存在因皮肤滑动导致结果波动的可能，本研究仍采用了此种追踪方法。为解决皮肤滑动问题，Bojados 等人还尝试了放射学方法，将标记物直接植入皮肤下方的骨骼上17。
运动分析的另一个优.......
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披露
作者声明不存在利益冲突。
致谢
本研究部分由日本促进科学基金（JSPS）科研费（编号：18H03129、21K19709、21H03302、15K10441）以及日本医疗研究开发机构（AMED）（编号：15bk0104037h0002）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胶带 | NICHIBAN CO.,LTD. | SEHA25F | 用于固定大鼠尾部线绳以实现后肢去负荷的胶带 |
| 小型动物麻醉装置 | SHINANO MFG CO.,LTD. | SN-487-0T | |
| 自动点击器 | N.A. | N.A. | 可免费下载至个人电脑的软件（https://www.google.com/search?client=firefox-b-1-d&q=自动点击器) |
| CCD相机 | Teledyne FLIR LLC | GRAS-03K2C-C | 用于视频采集的CCD（电荷耦合器件）相机 |
| 棉线 | N.A. | N.A. | 用于将大鼠尾部悬挂在笼顶的线绳 |
| 异氟烷吸入用溶液 | 辉瑞日本公司 | (01)14987114133400 | |
| 关节标记物 | TOKYO MARUI 公司 | 0.12 g BB | 经改装后用作半球形标记物的6 mm软气枪弹丸 |
| Kine Analyzer | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 用于分析的软件 |
| Konishi Aron Alpha | TOAGOSEI 公司有限公司 | #31204 | 用于将球形标记物粘附于大鼠解剖标志点的超级胶水 |
| 运动记录仪 | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 视频录制软件 |
| 油漆记号笔 | MITSUBISHI PENCIL CO., LTD | PX-21.13 | 使用油性记号笔标记动物脚趾 |
| 三维运动捕捉装置（用于小型动物的KinemaTracer） | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 由四个摄像头组成的三维运动分析系统（https://www.kicnet.co.jp/solutions/biosignal/animals/kinematracer-for-animal/ 或 https://micekc.com/en/） |
| 三维（3D）计算器 | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 用于标记物追踪的软件 |
| 跑步机 | MUROMACHI KIKAI CO.,LTD | MK-685 | 配备透明外壳、电刺激装置和速度控制单元的跑步机 |
| Wistar大鼠（雄性，7周龄） | N.A. | N.A. | 可从实验动物供应商处购买获得 |
参考文献
- Bloomfield, S. A. Changes in musculoskeletal structure and function with prolonged bed rest. Medicine and Science in Sports and Exercise. 29 (2), 197-206 (1997).
- Booth, F. W., Roberts, C. K., Laye, M. J. Lack of exercise is a major cause of chronic....
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