מנגנון גלגלים מבוססי ריצה חדשני עבור ביצועי הדרכת עכברוש משופרים
19 בספטמבר 2016
מחקר זה מציג ריצה חדשנית מערכת ניידות חית גלגל מבוססת לכמת פעילות גופנית יעילה אצל חולדות. Testbed עכברוש ידידותי בנוי, באמצעות עקומת תאוצה אדפטיבית מוגדר מראש, ואת מתאם גבוה בין שיעור המימוש היעיל ואת נפח האוטם מצביע על הפוטנציאל של הפרוטוקול לניסויים למניעת שבץ.
המטרה הכוללת של פרוצדורה זו היא לכמת פעילות גופנית יעילה למניעת שבץ איסכמי בחולדות באמצעות גלגל ריצה עם מיקום מוגדר. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הרפואה למערכות קטנות בנוגע למניעת שבץ. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהיא מציגה מערכת גלגל ריצה יעילה ביותר שניתן להשתמש בה למניעת שבץ איסכמי בחולדות.
ההשלכות של טכניקה זו משפרות את יעילות המניעה של שבץ מוחי, כיוון שהתוצאות הנוגעות לחסימה של העורק המוחי האמצעי מראות כי מערכת ה-PRW המוצעת על ידינו עלתה בביצועיה על מערכת הליכה מסורתית. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי מניעת שבץ, ניתן ליישמה גם במודלים של מחלות אחרות, כגון מחלת אלצהיימר. את הפרוצדורה ידגימו Ling-Yu Tang ו-Chung-Ham Wang, טכנאים מהמעבדה שלנו.
התחילו בהשגת גלגל ריצה מאקרילי שקוף, בקוטר 55 סנטימטרים וברוחב 15 סנטימטרים. חתכו פתח בצורת רבע עיגול באחד מצדדיו של גלגל הריצה כדי שישמש ככניסה וכיציאה עבור החולדות. לאחר מכן, הניחו שכבה של מסלול גומי בעל חיכוך גבוה בחלקו הפנימי של הגלגל האקרילי.
בשלב הבא, חברו מוט ברזל עם מיסבים לגלגל הריצה. לאחר מכן, הניחו שתי עמודי אקריל משולשים משני צדי גלגל הריצה כדי שישמשו כמסגרת תמיכה. השתמשו בברגים כדי לחבר לוח אקריל שקוף חצי-מעגלי בעובי של 1 mm לצדדים החיצוניים של שני העמודים המשולשים.
וודאו שלוחות האקריליק נמצאים במרחק של כ-שלושה סנטימטרים מכל צד של גלגל הריצה. השתמשו בלוח זה כדי למקם את חיישני האינפרא-אדום; לשם כך, קדחו מראש חור בכל לוח אקריליק בכל מרווח של 45 מעלות. לאחר מכן, צרו חורים שגודלם זהה לגודלם של חיישני האינפרא-אדום.
להפעלת גלגל הריצה, השתמשו במנוע DC ללא פחמים (Brushless DC Motor) ובבקר מנוע. הרכיבו דיסק גומי בקוטר 10 centimeters על הציר המרכזי של המנוע. באמצעות מסגרת הברזל והקפיצים התומכים במנוע, חברו את דיסק הגומי מהציר המרכזי של המנוע לצד החיצוני של גלגל הריצה.
בשלב הבא, השתמש בבקר זעיר (microcontroller) כדי לסובב את דיסק הגומי, ועקוב אחר הסיבוב של גלגל הריצה. לאחר מכן, התקן ארבעה פולטי אינפרא-אדום בצד אחד, וארבעת מקלטי האינפרא-אדום המתאימים בצד הנגדי, באופן רצופי בין 0 מעלות ל-135 מעלות. לבסוף, חבר ארבעה זוגות של חיישני אינפרא-אדום המותקנים בשתי לוחות האקריליק לפיני ה-general של הבקר הזעיר באמצעות כבלי ליבה אחת, כדי ליצור את מערכת גלגל הריצה-מיקום.
שלושה ימים לפני תחילת תרגיל האימון בן השבועות שלושה, אפשרו לחולדה להתרגל לסביבת הריצה באמצעות הפעלה ידנית של גלגל הריצה. במהלך האימון בהפעלה ידנית, הגבירו בהדרגה את מהירות הריצה עד שהחולדה לא תוכל לשמור על הקצב. ברגע שזה קורה, הפחיתו את המהירות עד שהחולדה תחזור לקצב ריצה יציב, ולאחר מכן הגבירו שוב את המהירות בהדרגה עד שהחולדה תגיע ל-20 meters per minute.
שלושה ימים לאחר מכן, התחילו את אימון הכושר שנמשך שלושה שבועות על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה במיקרו-בקר בכל שבוע כדי להפעיל מודל אימון שבו החולדה רצה במהירות של 20 meters per minute למשך 30 minutes במהלך השבוע הראשון, 30 meters per minute למשך 30 minutes במהלך השבוע השני, ו-30 meters per minute למשך 60 minutes במהלך השבוע השלישי. שמרו על החולדה במצב ריצה קבוע בין 0 מעלות ל-135 מעלות, המוגדרים כאזור האימון האפקטיבי. התחילו בהערכת הביצועים ההתנהגותיים באמצעות מדדי חומרת פגיעה נוירולוגית בכל החולדות שעברו שבץ ביום שלפני הניתוח, וכן מדי יום במשך שבעה ימים לאחר הניתוח.
בשלב הבא, מדדו את חוזק הגפיים של החולדה באמצעות מישור משופע. לשם כך, הניחו את החולדה על מכשיר טיפוס משופע על בסיס יומי, והרגילו את החולדה למכשיר ולתנאי הבדיקה שבוע לפני תחילת הבדיקות. במהלך הבדיקה, הניחו את החולדה בחלקו העליון של המכשיר בכיוון שבו ציר הגוף מיושר עם הציר האורכי של המישור המשופע.
יש לוודא שהחולדה נשארת לאורך השיפוע של המשטח בעל פסי הגומי של המישור המשופע, אשר צריך להיות מכוון לזווית של 25 מעלות. הגדל את הזווית באופן דינמי באמצעות בורג כדורי המחובר למנוע צעד כדי לקבוע את הזווית המקסימלית שבה החולדה מסוגלת להיאחז במישור. הגדל בהדרגה את זווית המישור המשופע עד שהחולדה אינה מצליחה להיאחז, ולאחר מכן זהה אירוע של החלקה למטה.
לבסוף, יש להביא שני צופים נאיביים שיבחנו וידרגו באופן עצמאי את כל מבחני ההתנהגות. מחקר זה הציג גישה מדעית לכימות פעילות גופנית יעילה באימון למניעת שבץ מוחי, והשתמש במדדי חומרה נוירולוגית, או M-N-S-S, כדי לאמת את השיטה המוצעת. תוצאות אלו מראות שונות משמעותית בין כל קבוצות התרגול לבין קבוצות הביקורת, דבר המצביע על כך שפעילות גופנית תורמת למניעת שבץ מוחי.
קבוצת ה-PRW מציגה את הניקוד הנמוך ביותר מבין קבוצות הפעילות הגופנית, מה שמעיד על מנגנון נוירו-פרוטקטיבי עדיף בהשוואה למערכות האימון האחרות. בנוסף, קבוצת ה-PRW משיגה נפח אינפארקט קטן בהרבה מקבוצת הביקורת, ומדורגת במקום הנמוך ביותר מבין כל קבוצות הפעילות הגופנית, מה שמאשש את ההשפעה הבולטת של PRW על מניעת שבץ מוחי. ניתן לבצע טכניקה זו בתוך שש עשרה שעות אם היא מבוצעת כראוי.
במהלך ביצוע הליך זה, חשוב לזכור להסתמך על התוצאות והאינדיקטורים ולעקוב אחריהם כדי לדייק את הקצב, הזמן והמיקום. לאחר ביצוע הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון גלגל ריצה ממוטור מסורתי, כדי לענות על שאלות נוספות בנוגע ללמידה יציבה. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום הפיזיולוגיה של הגפה לחקור רפואה מונעת בחולדות.
לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי האופן שבו בונים מערכת גלגלי ריצה יעילה ביותר למניעת שבץ איסכמי בחולדות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג מערכת חדשנית לניטור ניידות בעלי חיים המבוססת על גלגל ריצה, לצורך כימות פעילות גופנית יעילה בחולדות, במטרה למנוע שבץ איסכמי. השיטה מדגימה מתאם גבוה בין שיעורי הפעילות הגופנית היעילה לבין נפח השחור (infarct volume), מה שמעיד על הפוטנציאל שלה לניסויי מניעת שבץ.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- מניעת שבץ מוחי
- מערכות ניידות של בעלי חיים
רקע
- שבץ מוחי איסכמי הוא בעיה בריאותית משמעותית.
- פעילות גופנית יעילה עשויה למלא תפקיד במניעת שבץ מוחי.
- שיטות מסורתיות עשויות שלא לכמת במדויק את הפעילות הגופנית.
- מערכות חדשניות יכולות לשפר את המחקר במניעת שבץ מוחי.
מטרת המחקר
- כימות פעילות גופנית יעילה בחולדות.
- הערכת הפוטנציאל של מערכת גלגל ריצה למניעת שבץ מוחי.
- השוואה בין המערכת החדשה לשיטות מסילה רצה מסורתיות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח של גלגל ריצה עם מערכת מיקום.
- הטמעה של עקומת האצה אדפטיבית שהוגדרה מראש.
- מדידה של שיעורי פעילות גופנית אפקטיביים.
- ניתוח קורלציה עם נפח האוטם.
תוצאות עיקריות
- מערכת גלגל הריצה הראתה מתאם גבוה עם נפח השבץ (infarct volume).
- היא הניבה תוצאות טובות יותר ממערכות הליכה מסורתיות בכימות הפעילות הגופנית.
- ניתן להחיל את השיטה על מודלים של מחלות אחרות, כגון מחלת אלצהיימר.
- הודגם על ידי הטכנאים Ling-Yu Tang ו-Chung-Ham Wang.
מסקנות
- מערכת גלגל הריצה החדשנית יעילה עבור מחקר למניעת שבץ מוחי.
- היא משפרת את ההבנה של תפקיד הפעילות הגופנית בשבץ איסכמי.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב למחלות נוירולוגיות אחרות.
שאלות נשאלות בשכיחות
רלוונטיות תעשייתית למסמכים מנהליים
מחקר זה מציג מערכת של גלגל ריצה עם מיקום (PRW) המאפשרת כימות מדויק של עצימות הפעילות הגופנית במודלים של מכרסמים, ובכך נותנת מענה לפער מרכזי במחקרים פרה-קליניים של שבץ מוחי. על ידי קורלציה בין מדדי פעילות גופנית בזמן אמת לבין הפחתה בנפח האוטם (infarct), השיטה תומכת בהסרת סיכונים מכניסטית של התערבויות מבוססות פעילות גופנית. היא מגבירה את הביטחון החזוי בתיקוף יעדים לאסטרטגיות נוירופרוטקטיביות ומשפרת את הרצף התרגומי משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטי
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של פעילות גופנית כהיפותזה טיפולית במודלים של שבץ איסכמי.
- ערך תפעולי: מספק נתוני מיקום כמותיים בזמן אמת להבהרת קשרי מינון-תגובה בין עצימות הפעילות הגופנית לבין נוירופרוטקציה.
- ערך ניבוי: תומך בתיקוף של יעדים תפקודיים על ידי קישור יעילות הפעילות הגופנית להפחתה בנפח האינפארקט ולשיפור במדדים נוירולוגיים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר פלטי תרגול סטנדרטיים וניתנים לשחזור באמצעות מעקב מיקום המבוסס על חיישני אינפרא-אדום.
- ערך תפעולי: מאפשר מוכנות של הבדיקה באמצעות עקומות האצה אדפטיביות הממזערות את השונות בין המפעילים.
- מדרגיות: תומך בשימוש חוזר בפלטפורמה על פני מודלים של מחלות שונות, כולל מחלת אלצהיימר, כפי שצוין בתמלופה.
מחקר טרנסלציוני ופרה-קליני
- ערך מדעי: מדגים רלוונטיות למחלה במודלים של חסימה של העורק המוחי האמצעי (MCAo) עם תוצאות נוירו-פרוטקטיביות מאושרות.
- ערך תפעולי: מבטיח רציפות משלב הגילוי דרך העבודה הפרה-קלינית על ידי מתן אפשרות לאימון אורך של שלושה שבועות.
- החלטות מותאמות סיכון: מסייע בהערכות go/no-go בהתבסס על נפח השבץ המוחי (infarct volume) ומתאמי mNSS.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
מערכת ה-PRW משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות ועד לזיהוי מועמדים (lead identification) ותיקוף פרה-קליני, במיוחד עבור מסלולי נוירופרוטקציה המודרגים על ידי פעילות גופנית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בחקירה מכניסטית של אפנון מסלולים מושראים על ידי פעילות גופנית בפתולוגיה של שבץ מוחי.
- סריקה: מספקת מדדים כמותיים הניתנים לשחזור של עצימות הפעילות הגופנית באמצעות מערכי חיישנים באינפרה-אדום.
- אנליטיקה: מאפשרת ניתוח מתאם בין משך/מהירות הפעילות הגופנית לבין נפח השבץ (infarct volume), ובכך תומכת בהערכה השוואית של תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין יעילות הפעילות הגופנית לתוצאות פרה-קליניות באמצעות מבחני mNSS ומבחני מישור נטוי.
- שימוש חוזר ארגוני: ממצבת את ה-PRW כפלטפורמה רב-פעמית לכימות פעילות גופנית במודלים מגוונים של מחלות נוירולוגיות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בהתערבויות מבוססות תרגיל על ידי הפחתת עמימות מכניסטית במודלים של שבץ מוחי.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות באמצעות עקומות תאוצה מוגדרות מראש ותיעוד חיישנים אוטומטי.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות להסרת סיכונים מוקדמת של משטרי תרגול לפני מחקרי in vivo יקרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעוד סדרי עדיפויות מותאמי סיכון של מועמדים לנוירופרוטקציה בהתבסס על ספי תייעול תרגול מתוקתקים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בפיזיולוגיה של המאמץ, אינטגרציית חיישנים ובדיקות התנהגותיות במכרסמים.
- תלוי בציוד הכולל מנועי DC ללא מברשות, בקרים זעירים (microcontrollers) וזוגות של פולטי וקולטי אינפרא-אדום.
- מחייב סטנדרטיזציה רב-צוותית עבור מיקום החיישנים, פרוטוקולי מהירות ונתיבי ניתוח נתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת ה-PRW למודלים של מחלות אחרות או לתגובות ספציפיות לזן.
- כולל מגבלות מעשיות כגון הצורך במומחיות כירורגית במידול MCAo והערכה התנהגותית בסמיות.
