Summary
短时间训练 (≤ 10分钟) 高强度间歇训练 (hiit) 正在成为一种替代较长运动方式的方法, 但在动物研究中很少模拟短变种。在这里, 我们描述了一个 10分钟, 每周 3天, 上高架机 hiit 协议, 提高男性和女性老年小鼠的身体性能。
Abstract
高强度间歇训练 (hiit) 正在成为一种治疗方法, 以防止、延迟或减轻脆弱性。特别是短的会话 hiit, 与方案小于或等于10分钟是特别感兴趣的, 因为几个人类研究功能的例程短, 只要几分钟, 每周几次。然而, 很少有动物研究来模拟短期 hiit 的影响。在这里, 我们描述了一种方法, 为老年小鼠使用倾斜跑步机量身定制和渐进的短周期 hiit 方案 10分钟, 每周3天。我们的方法还包括跑步机评估协议。老鼠最初适应跑步机, 然后给人基线平和上坡跑步机的评估。练习课程从3分钟的热身开始, 然后以快的速度间隔 3分钟, 然后以主动恢复的速度进行1分钟的热身。在这些间隔之后, 老鼠将获得最后一段, 该段以快速开始, 加速1分钟。hiit 协议是单独定制的, 因为每只老鼠的速度和强度是根据最初的厌氧评估分数确定的。此外, 我们还详细介绍了根据性能增加或降低单个小鼠强度的条件。最后, 所有小鼠的强度每两周增加一次。我们之前在这个协议中报告提高了老年雄性小鼠的身体性能, 这里显示它也提高了老年雌性小鼠的跑步机性能。我们的协议的优点包括管理时间低 (每6只小鼠约 15分钟, 每周 3天), 为小鼠提供个性化的策略, 以更好地模拟规定的运动, 以及模块化设计, 允许添加或删除的数量和长度时间间隔, 以滴定运动的好处。
Introduction
经常运动能有效预防或延缓许多与年龄有关的疾病, 如石斑病和脆弱的 1、2、3、4。然而, 在65岁及65岁以上的人中, 只有不到15% 的人每周能达到150分钟的适度强度运动加力量的建议
训练5,6。由于缺乏时间和长时间的训练是锻炼的常见障碍, 高强度间歇训练正在成为传统方案的替代方案。hiit 的特点是多次短暂的紧张活动爆发, 这些活动夹杂着短暂的主动恢复期, 最近人们对确定仍然产生有益结果的最短方案感兴趣。这些研究包括每周3天的方案, 其总开庭时间为 4分钟7, 2-3分钟8分, 1.5分钟 9分, 单分10, 甚至40分11.
同样, 人们对 hiit 动物模型也有很大的兴趣。大多数研究使用小鼠12,13,14, 15,16,17, 18,19,20, 21或老鼠22,23, 24,25,并使用跑步机进行, 虽然其他一些使用游泳协议26,27,28. 这些研究大多使用 vo2最大值来确定练习的初始强度13、14、19、21、24。此外, 尽管 hiit 的一个经常被描述的好处是有较短的治疗方案, 但几乎所有这些已确定的研究都具有持续30分钟或更长时间的治疗方案 15,18, 19,21,除了一个稍长于10分钟的方案 20, 另一个与19分钟跨越三个不同强度16。据我们所知, 没有报告的动物研究检查10分钟或更少的 hiit 方案, 或根据个别动物定制的方案, 除了我们公布的研究17作为这个协议的基础。
在这里, 我们描述了一个用于老年小鼠 hiit 的协议, 该协议旨在模拟最近在人类研究中使用的个性化、短会 (≤ 10分钟) 变体7、8、9、10、11。该方法包括在倾斜 (25°) 跑步机上进行10分钟的养生治疗, 预热 3分钟, 在高强度情况下间隔 4分钟, 中间穿插 3个1分钟主动恢复段。该协议的优点包括更大的临床相关性, 因为它具有为单个动物量身定制强度的策略, 设置不基于 vo2最大值的强度, 从而避免对代谢跑步机的需求, 以及模块化设计, 其中的间隔和计时的数量很容易调整。此外, 在本协议中, 我们还提供了两种跑步机评估策略的说明, 其中包括平面连续和上坡间隔, 以检查耐久性。使用这些方法, 我们扩展了我们先前的研究结果, 即短期会话 hiit 提高了17岁雄性小鼠的功能能力, 现在展示 hiit 提高了老年雌性小鼠的跑步机性能。
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Protocol
所有的研究和实验规程都得到了布法罗大学和纽约西部动物护理和使用委员会的批准, 并符合这些委员会的准则。
1. 实验设置和一般建议
请注意:本协议从23个月大开始, 在 c57bl/6j 背景下总共使用了24只雌性小鼠。小鼠携带了一个有条件的 sirtloxp-exon4-loxp突变29, 然而, 这并没有在这个实验中诱导。
- 确保小鼠收到永久标识符, 如耳标、rfid 芯片或尾巴纹身。
请注意:建议在评估期间使用临时标记 (例如, 永久标记标记尾), 以便在评估期间快速识别。 - 在一天结束时使用0.25-0.5% 的漂白剂 (v/v) 或 70% (v/v) 乙醇清洁跑步机, 或在两次试验之间取出粪便或尿液。在启动新的试验之前完全使用干式解决方案。
请注意:乙醇可能会增加跑步机皮带的磨损。建议在每次跑步之间清洗跑步机, 如果与小组居住的雄性老鼠一起工作, 以尽量减少笼子打架。建议在纵向研究 30、31、32的每个时间点的同一时间进行跑步机评估, 如果正在进行其他评估, 顺序应保持不变。进行实验的调查员也应该对老鼠的群体指定视而不见。
2. 使老鼠适应跑步机设备
请注意:在基线实验前1个月开始小鼠的适应。
-
在手动模式下使用跑步机软件 (v3.4.7) 设置初始培训计划 (图 1和表 1)。
- 打开跑步机软件。然后, 单击该文件并打开实验。
- 在 "适应"下的"手动" 选项卡 (图 1) 上输入表1中所示的值。
- 输入会话数为 1, 活动通道数为1到 6个, 具体取决于鼠标数量、访问网格的次数为 10, 冲击次数为20。
请注意:此初始运行的冲击强度设置为 1级 (0.46 ma)。
- 将跑步机的倾斜度设置为 0° (平)。
- 将老鼠放在跑步机上时, 抓住老鼠的尾巴, 直接把老鼠放在皮带上, 以避免在冲击网格上启动老鼠。
- 当训练或评估开始时, 使用刷子或舌头抑制器使老鼠远离冲击栅格。推老鼠开始奔跑, 以避免意外的冲击。
- 在为每只老鼠提供初始训练计划后, 重复上述计划, 并将冲击强度提高到 2级 (0.59 ma), 每次训练之间至少有15分钟。
-
在最初的训练计划结束后的一至两天内, 管理上坡跑步机的适应。
- 打开跑步机软件。然后单击该文件, 然后打开实验。
- 如 "适应"下的表 2所示, 在 "基本" 选项卡上输入值。
- 在 "冲击检测" 下,输入会话编号为 1, 活动通道数为1到 6个, 具体取决于鼠标数、访问网格的次数为 10, 冲击次数为20。
- 单击 "配置文件模式" 选项卡 (图 2), 对于步骤 1, 输入 0 m/min 的启动速度和 5 m/min 的结束速度, 周期为5秒。
- 添加启动速度为 5 m/min 的预热步骤2和为 5 m/min 的结束速度, 持续30秒。添加一个过渡步骤, 从 5 m/min 开始, 结束速度为 6 m/min, 为5秒。
- 添加一个测试速度步骤, 从 6 m/min 开始, 到 6 m/min 结束, 20个月. 添加一个过渡步骤, 从 6 m/min 开始, 到 5 m/min 结束。
- 添加恢复间隔, 从 5 m/min 开始, 到 5点/分钟结束, 时间为 20秒 (图 2)。
- 重复步骤2.6.4 在适应情况下添加测试速度步骤, 如表 2所示。
- 在基线评估前两周, 继续适应, 提供第3节所述的两项跑步机平面有氧能力评估, 连续几天进行。
- 在第二次耐力训练后的一至两天内, 提供第4节所述的两次跑步机上坡无氧能力评估, 当天进行, 训练间隔至少30分钟。
3. 平面连续跑步机评估
- 按照步骤2.1 中所述创建跑步机程序, 使用表 1 "评估" 下所示的值。在 "冲击检测"下, 将会话编号设置为 1, 活动通道数设置为1到 6, 具体取决于鼠标数、访问网格的次数为 10, 冲击次数设置为20。
- 在整个试验过程中对小鼠进行监控, 并将达到终点标准的小鼠从仪器中取出。
请注意:此步骤是为了避免鼠标无意中接触邻近小鼠的冲击网格并影响数据。参数包括皮带的总时间、行驶距离和访问冲击率。建议在每个时间点进行两次评估, 两次评估之间至少相隔一天。
4. 上架间隔跑步机评估
- 按照步骤2.6 中所述创建跑步机程序, 使用表2中的 "评估" 下所示的值。在 "冲击检测"下, 将会话编号设置为 1, 活动通道数设置为1到 6, 具体取决于鼠标数、访问网格的次数为 5, 冲击次数设置为10。
- 将跑步机程序中的间隔字段设置为0.5。
请注意:这样就可以每秒而不是每分钟收集一次数据点, 这有助于识别每个鼠标端点的速度。由于软件限制, 程序将在 50 m/min 阶段后自动停止。参数包括皮带上的时间、行驶的距离以及端点前最后一个成功完成阶段的测试速度。后者用于确定步骤5中描述的 hiit 方案的基线强度。建议每个时间点进行两次评估, 间隔至少30分钟。
5. 短时间高强度间隔训练
- 设置跑步机上坡 (25°), 并卸下塑料盖。
- 确定每个鼠标的强度。使用最后一个成功完成阶段的速度 (步骤 4.5), 并使用表 3查找强度组和相应的"基础"、 "冲刺" 和"虚线" 速度。
-
打开跑步机软件, 然后点击文件创建一个新程序。
- 单击 "配置文件模式" 选项卡, 对于步骤 1, 输入 0 m/min 的启动速度和结束速度, 如 表 3所示, 周期为5秒。
- 添加一个预热步骤 2, 启动速度在基地速度和结束速度在基地速度180秒。
- 输入3个间隔, 每个间隔与 1) 过渡步骤, 从基地到冲刺5 s, 2) 一个步骤在冲刺速度为 60, 3) 过渡步骤, 从 "冲刺" 到基地超过 5秒, 4) 恢复间隔的步骤在 Base 60秒的速度。
- 添加从"基本"到"冲刺速度超过 5秒" 的过渡步骤, 以及从冲刺到超高速超过60秒的最后一步。
请注意:可以保存、修改和重新加载程序。
- 每周进行三天的锻炼, 闭会期间至少休息一天 (即星期一、星期三、星期五)。
- 重写练习程序, 以增加每两周1 m/min 分钟的基础、冲刺和短跑速度。
请注意:演习期间不进行电击。 - 激励老鼠使用化妆刷 (推荐) 或舌头抑制器运行, 以轻松激励落在冲击栅附近或冲击栅上的小鼠。如果鼠标在5秒内没有响应重试, 则为 10秒, 然后每30秒重试一次, 或在恢复间隔期间重试, 直到会话结束。
注:考虑将不在跑步机上以任何强度运行或无法按照为最低强度组确定的强度完成前三个间隔的老鼠从研究中删除 (表 3) - 将无法在连续两次运动中完成前三个间隔的小鼠移动到强度较低的组 (表 3)。
- 将连续两次运动中不需要动机的小鼠转移到强度较高的组 (表 3)。
- 在跑步机运行时, 以笼子里的久坐控制老鼠为例。或者, 可以在不移动的跑步机的车道上放置久坐控制10分钟。
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Representative Results
共有二十五只雌性小鼠在家里繁殖和衰老。c57bl/6j 背景小鼠携带了一个 sirt1loxp-exon4突变29;然而, 这种条件淘汰赛并没有诱发, 因此所有的小鼠都表现出全长 sirtuin1 (数据未显示)。在24个月大的时候, 对老鼠进行了跑步机耐力和上坡能力的评估, 在进行两个月的 hiit 运动 (n = 14) 之前和之后, 或在剩余的笼子久坐 (n = 11) 之后。我们的数据显示, hiit 组的所有14只老鼠在皮带上的跑步机时间都增加了, 而 11只 sed 小鼠中的 7只 (图 4 a, 用于 hiit 的 t-测试 p < 0.0001, sed 的 < 0.14)。在两项试验的基础上, hiit 小鼠在皮带上的时间有了更大的改善 (hiit: 18.2±10.5 min 至31.8±13.7 分, 增量13.6±7.5 分, 而 sed: 19.9±10.0 分至25.3±7分, 三角洲5.3±11.4 分, 未配对学生的 t 测试 p < 0.0391)。
此外, 我们发现, 由于 14只 hiit 小鼠中的12只增加了最大速度, 而我们观察到, 在 11只 sed 小鼠中, 有8只小鼠的跑步机容量下降了 (图 4b, hiit 的 t-测试 p < 0.0022, sed 的 < 0.85)。根据两项试验的效果 (hiit: 14.6±4.3 m/2 至 17.6±5.5 mmin, 三角洲 3.0±3.0 m/min 与 sed: 16.9±3.8 m/min 至 16.5±5.0 mmin) 相比, hiit 小鼠的最大速度也有了更大的提高, 增量 0.5±5.0 mmin, 未配对的学生的 t-测试 p = 0.0441)。两组小鼠的冲击容忍度相似 (冲击到网格访问比率基线-sed: 1.2±0.1 对 hiit: 1.4±0.4, p善 0.24; 端点-sed: 1.2±0.4 对 hiit: 1.±0.4, p增幅 0.46)。
图 1: 跑步机软件手动模式参数, 用于跑步机耐久性评估.跑步机软件手动模式允许调整涉及连续皮带加速的协议。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 用于上坡冲刺评估的跑步机软件配置文件模式程序参数.与手动模式选项卡 (图 1) 上的选项一起使用的跑步机软件配置文件模式允许创建具有自定义速度间隔的协议。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 高强度间隔训练方案原理图.基、冲刺和短跑速度如表 3所示。速度每两周增加 1/分钟。请点击这里查看此图的较大版本.
图4。hiit 对老年小鼠跑步机性能的影响.24个月大的雌性小鼠服用 hiit (n= 14) 或久坐 (sed, n= 11) 2个月。跑步机耐力 (a) 在运动干预前后被评估为连续两天在平跑步机上进行的两项试验中的最佳一次。在倾斜 (25°)跑步机上进行的两项试验中, 最高的是至少30分钟的休息时间。线表示单个小鼠。b 是基线, e 是终点, * * * 表示 p 值 < 0.001 和 * * * 表示 p < 0.0001, 这是由配对学生的 t 测试在基线和终点之间的群体变化之间进行比较确定的。请点击这里查看此图的较大版本.
表 1: 跑步机耐久性适应和评估的程序参数。
| 程序参数 | 驯化 | 评估 |
| 区间 | 1 | 0。5 |
| 时间 | 5 | 90 |
| 启用配置文件模式 | 未选中 | 未选中 |
| 雅格尔步进 | 1.0 m/min | 1 m/min |
| accel intt | 60秒 | 120秒 |
| 最大速度 | 10 m/min | 35 m/min |
| s _ 速度 | 5-min | 5-min |
| 冲击代表率 | 1赫兹 | 1赫兹 |
| 冲击强度 | 1然后2 | 3个 |
表 2: 上坡冲刺驯化和评估的程序参数。
| 程序参数 | 驯化 | 评估 |
| 区间 | 0。5 | 0。5 |
| 时间 | 10 | 90 |
| 启用配置文件模式 | 检查 | 检查 |
| 雅格尔步进 | N |
N |
| accel intt | N |
N |
| 最大速度 | 15 m/min | 35 m/min |
| s _ 速度 | 5-min | 5-min |
| 冲击代表率 | 1赫兹 | 1赫兹 |
| 冲击强度 | 2 | 3个 |
| 配置文件模式 (请参阅图1和图 2, 以设置程序参数) | ||
| 测试间隔 | 8, 10, 10, 10/分钟 | 6, 8, 10, 11, 12..。51, 52 m/min |
表 3: hiit 运动小鼠的强度名称。
| 强度组 | 基线上潜成绩 | 初始运动速度 | ||
| 基地 | 冲刺 | 破折号 | ||
| 0 | < 8 m/min | 5-min | 7 m/min | 10 m/min |
| 1 | 8-16 m/min | 5-min | 10 m/min | 15 m/min |
| 2 | 17-25 m/min | 8 m/min | 13 m/min | 18m/min |
| 3个 | & gt;25 | 11 m/min | 16 m/min | 21 m/min |
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Discussion
短期训练的好处是引起科学和公众兴趣的高强度间歇训练的一个关键方面。然而, 动物研究很少调查10分钟或更短的 hiit 方案。在这里, 我们描述了一个10分钟的短期会话 hiit 上跑步机锻炼方案的协议, 该方案提高了老年雌性小鼠的跑步机性能, 我们以前已经证明, 这可以提高老年雄性小鼠 17的身体性能。我们的协议的优点是, 除了协议的长度只有 10分钟, 设计是模块化的, 这样就可以添加或删除间隔数, 使协议的长度甚至是1分钟。此外, 还可以修改间隔的长度, 提供多种策略来滴定练习和评估影响。
这个协议的另一个优点是, 我们包括一个系统, 根据个别老鼠的身体能力来调整锻炼方案, 据我们所知, 除了我们在17岁的老年雄性老鼠身上的报告之外, 只有另一项研究33使用。尽管单独定制运动干预会将可变性引入实验设计, 但这种方法的一个重要优点是它能更好地模拟人类临床环境中规定的运动的管理。此外, 动物的训练强度不太容易或太困难, 这可能是动物种群在运动能力 (即衰老期间) 表现出多样性的实验中的一个重要因素。这种方法的另一个优点是, 它不需要使用代谢跑步机来确定 vo2最大值, 因为运动强度是根据动物的表现量身定制的, picoli 等人对这一概念作了进一步的研究.
该协议包括对跑步机性能的两项评估, 分别为缓慢加速的平面跑步机测试和倾斜的跑步机增量间隔测试。有多个协议已经公布, 以确定连续跑步机性能的小鼠使用跑步机 16,34, 35, 包括 jove 第36条.在这些研究和文献中, 多个参数不同, 包括: 倾斜度 (通常为耐力测试为0°或 5°)、冲击强度 (范围从 0.25-1.12 ma) 和定义消耗的规则。人们还注意到, 在多项研究中, 通常使用5次连续冲击来定义疲劳。虽然这种策略可能会导致比我们在我们的研究和这个协议中使用的规则更大的疲惫, 这个系统也假设所有的老鼠都有类似的疼痛阈值, 这可能不是真实的, 取决于实验条件。我们对10次访问或20次全面冲击的用尽定义提供了一个框架, 以评估是否有不同的疼痛门槛。最终, 这两种策略都有优点和缺点, 定义端点的决策应与研究目标最佳地保持一致。此外, 一些针对小鼠的跑步机评估方案是在没有使用冲击作为刺激的情况下设计的。虽然这种方法37有好处, 但需要考虑的一些缺点包括使用主观的用尽测定和同时评估多只小鼠的潜在困难。
此外, 还有一些人将工作和权力作为参数来描述跑步机的性能35、38、39。传送带的速度和加速度率在文献中也有不同的表现。由于大多数协议的特点是速度加快, 结果将产生混合有氧和厌氧能力的小鼠, 较慢的协议提供更多的重点是有氧成分。因此, 我们设计了我们的跑步机间隔测试, 以提供更多的重点厌氧组件17。为了实现这一目标, 我们的协议具有较短的测试间隔, 并在两次测试之间进行主动恢复, 使小鼠能够获得更高的速度, 因此相对于我们的平面连续跑步机耐力评估, 可实现更高的厌氧利用率。在我们的协议中, 我们使用了间隔之间20秒的活性恢复期, 即人体组织中肌肉组织的半氧化时间为40秒。然而, 我们注意到这种方法的一个局限性是, 对厌氧代谢的具体影响还有待阐明, 包括对厌氧参数的检查, 如糖酵解代谢、磷酸酶的利用和乳酸动力学将加强这种方法。此外, 调查改变阶段和活动休息时间、倾向和不同速度增量的影响的新研究也将加强这种方法。
本协议中描述的方法, 包括两个跑步机评估, 特别是为较老的动物设计的, 因此包括更多的时间使小鼠适应该协议。适当的适应是实验设计的关键步骤, 以确保端点是由于耗尽而不是由鼠标学习不足造成的。在纵向研究中, 不适当的适应很可能是显而易见的----然而, 重要的是, 在横断面研究中可能不会注意到。虽然年轻的队列可能会有更短的适应协议, 但根据我们的经验, 老年小鼠需要更大的适应, 并公布的老年大鼠运动训练协议在一个月前开始适应, 总共给出10天的时间。跑步机适应41。然而, 我们同意 castro 等人的观点, 即提供过度的适应可能会影响老鼠的行为和对老鼠的影响 35, 他建议总共35天为 35天, 为此, 我们的适应协议符合这些规定的建议.此外, 年龄较大的动物在运动表现上也表现出更大的多样性, 为此, 我们每个评估时间点都包括两项试验。年轻的动物在性能上表现出更大的同质性, 因此, 一个单一的试验可能就足够了。此外, 老年动物的多样性可能使干预措施的直接横断面比较难以解释, 通过比较与基线的变化, 可以取得更大的成功, 就像对老年雌性老鼠的分析一样。我们还指出, 我们还没有在年轻的小鼠身上测试我们的短期 hiit 协议, 在这种情况下, 性能的上限效应可能掩盖了我们的短期 hiit 协议的好处。该协议也仅用于 c57bl/6j 小鼠菌株, 因此, 这一练习对其他小鼠菌株的影响仍有待阐明。此外, 本实验中使用的 c57bl6/j 小鼠携带了 sirt1loxp-exon4-loxp突变 29, 但没有诱导。这些老鼠从一出生就在家里变老了;然而, 在24个月大的时候, 为4个群体供电的人数不足。因此, 我们将实验的重点放在 hiit 和久坐的群体上。我们注意到, 目前的老年雌性小鼠群体和我们以前公布的雄性老鼠群体17 都使用这个简短的 hiit 协议提高了身体表现。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
我们要感谢布法罗大学动物实验动物设施的动物护理人员。这项研究得到了退伍军人事务康复研究和发展赠款 rx001066 和印度小道基金会的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Exer-3/6 Open Treadmill w/ Shock, Detection, auto-calibration and PC Interface/Software | Columbus Instruments | 1055-SDRM | The Columbus Instruments 3/6 treadmill allow up to 6 mice or 3 rats simultaneously. The device comes with controllers to allow manual control of treadmill belt speed and shock intensity, or connections to a computer and software to run and control these elements. |
| Bleach | Varies | Varies | 0.25-0.5% Bleach solution (V/V) is used to clean the treadmill belt between sessions |
| Ethanol | Varies | Varies | 70% ethanol solution (V/V) can alternatively be used to clean treadmill belt between runs and sesions. |
| Make-up Brush (large) | Varies | Varies | A make-up brush provides a soft surface and ample length to motivate mice to continue exercise. |
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