Kinematics and Ground Reaction Force Determination: A Demonstration Quantifying Locomotor Abilities of Young Adult, Middle-aged, and Geriatric Rats

该视频演示了一种测量自由行为大鼠的地面反作用力和后肢运动学的程序。老鼠首先被训练持续穿过跑道以获得食物奖励。然后将反光标记放置在后肢的关键地形解剖标志处。

视频记录和地面反作用力数据是在动物为食物奖励而移动时收集的。反光标记被数字化，数据被回顾性处理。在各种疾病模型的大鼠中观察到运动能力的定性和定量差异。

嗨，我叫 Aubrey Webb。我是加拿大阿尔伯塔省卡尔加里市卡尔加里大学兽医学院和霍奇基斯脑研究所的助理教授。与现有方法（如机车评定量表和其他终点测量）相比，该技术的主要优点是该技术提供敏感、客观、定量的数据，以帮助区分运动大鼠组之间的细微差异。

这种方法可以帮助回答神经科学和骨科领域的关键问题，例如潜在治疗方法的效果如何。这项技术的影响延伸到各种疾病模型的治疗，因为当有一种疾病时声称没有效果的可能性是有限的。不过，使用这种技术，这种方法可以深入了解大鼠的运动。

它也可以应用于其他系统，例如各种动物的神经和骨科疾病的各种模型。一般来说，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为生物力学分析需要大量的时间和耐心，而且因为需要先进的生物力学知识来排除数据分析问题，这种方法已经在多个物种中使用了几十年，尽管直到最近才可用于啮齿动物由于市售设备。测量大鼠运动能力的第一步是训练每只动物穿过平坦的表面 enclos 跑道。

从合适的动物供应商处收到老鼠后，动物应该适应它们的新家。一周。在这个适应期间，将几个 Cheerios 放入老鼠的笼子里。

日常动物的食物仅限于其维持能量需求，以防止肥胖并确保此后执行任务的动力。在同一时间段内，每天处理每只动物 10 到 15 分钟，持续一周，将每只动物放入跑道，两端都有 Cheerios。当动物熟悉环境时，它们会开始吃 Cheerios。

一旦动物在跑道内吃了 Cheerios 就感到舒服，它必须经过作调节才能跑完跑道以获得食物奖励。这是通过将四分之一的 cheerio 扔到跑道的另一端（老鼠所在的位置）来实现的。一旦老鼠吃掉了这个 cheerio，在跑道的另一端再放置一个 four-4 cheerio。

重复此作，直到老鼠始终以恒定的小跑速度沿着跑道移动 吃 cheerio 而不驰骋或跳跃 让动物适应这项任务会导致驰骋和边界门，这在生物力学上更难解释。现在让我们看看如何进行联合定位。标记 4。

肢体运动学分析不可靠，因为在四个肢体上放置皮肤标记会带来严重的蹲伏姿势和随后的皮肤运动伪影。相反，前肢的运动学必须使用 X 射线摄影或透视来实现。因此，本视频将仅介绍 Hindin 关节位置标记的放置。

麻醉动物后，将后肢和背侧剃至髂嵴水平。然后将动物放在外部卧位，并使用坚固的包装泡沫将其后肢置于近似站立的位置，以用无毒的永久性标记支撑它。髂嵴的颅骨大部分、股骨大横梁、胫骨外侧突起、跗关节以及第五跖骨的远端和外侧。

需要每天突出显示先前标记的解剖标志，因为大鼠会通过自然梳理行为慢慢去除标记。现在让我们看看如何记录数据。将校准体积放置在跑道的预定区域内。

从每个相机捕获跑道内校准体积的单帧。在启动录制会话之前，请检查每个摄像机的视图。确保所有四个摄像头的视野相同，并且它包括中心的测力台，以及足以捕捉两个步幅的跑道长度。

每个轮询长度上的所有校准标记都将被数字化。在收集数据之前，此校准步骤至关重要。如果未准确执行校准或未在录制会话之前立即进行校准，则所有结果数据都将不准确且不可用。

只有在数字化中完成令人满意的错误后，才在将动物放入跑道之前立即着手收集机车数据。记录它的重量并将锥形反光皮肤标记粘附在后肢地形地标上做出的预定毛毡标记上。将标记放在后肢上后，坐在电脑前，手里拿着通过 Vicon 电机系统连接的事件标记。

使用校准后的文件作为模板，可以在录制之前创建多个文件。通常需要 25 到 30 个文件来确保有足够的运行次数，即收集包含标准和速度。创建文件后，开始收集数据。

首先，通过仔细协调和计时，在跑道的两端投掷四分之一的 Cheerios 来促使老鼠在跑道内穿梭。事件标记在开始时触发，就在老鼠成功完成沿跑道传球之前。检查粗糙的地面反作用力后，进行力追踪，记录是左肢还是右肢后，敲击测力板，保存并关闭文件。

应记录相等次数的左肢和右肢测力板击打。重复记录给定运行中的数据的过程，直到记录了足够数量的运行。现在让我们看看如何在完成运动学和地面反作用力的数据收集后分析运行数据，每只动物的每次运行都需要使用 vicon modus 软件（两个相对固定的标记）评估速度。

例如，回肠的翅膀可用于评估标记之间的虚拟点。这样做可以计算这个虚拟点在水平方向上的速度，只包括动物每秒移动 60 到 90 厘米的跑步。对于分析，至少需要 10 次运行。

左肢与测力平台接触的 5 次滑行，右肢与测力平台接触的 5 次滑行。一旦确定了每只动物可接受的运行，则必须完成剩余皮肤标记的数字化以补偿皮肤运动。膝关节位置的膝关节伪影估计是使用三角测量、髋关节、膝关节和 H 关节角度计算的。

速度和加速度是确定的，站姿和挥杆时间也可以评估。使用相同的软件分析同时收集的地面反作用力数据，可以计算三个正交方向中每个方向上的力的各种变量。分析同时收集的地面反作用力数据使用相同的软件，可以计算三个正交方向上每个方向上的力的各种变量。

现在，我们将展示一些具有代表性的结果来代表这种形式的机车分析的效用。确定了年轻、中年和老年雌性 wister 大鼠的运动学和地面反作用力。从该分析中，发现了雌性 wister 大鼠的年龄相关差异。

特别是，地面反作用力分析表明，与其他动物组相比，老年大鼠的四肢制动能力降低，倾向于更多地使用后肢进行侧向稳定，运动学分析未显示每组之间有任何统计差异。虽然表明在尝试执行此过程时，几乎可以从任何年龄的大鼠开始轻松记录运动学。请务必在收集数据之前或之后立即对动物进行称重，并在按照此程序收集数据之前仔细校准系统。

其他方法，如全动物临床电生理学，可用于回答其他问题。例如，运动学和地面反作用力的发现是否与神经再生或其他更广泛的神经解剖可塑性形式有关，例如周围神经再生？看完这个视频后，你应该对如何使用市售设备从行为自由的大鼠那里收集地面反作用力和后肢运动学数据有很好的了解。