Summary
Protokolle werden vorgestellt, um die autonomen und verhaltensorientierten Auswirkungen passiver Bewegungen bei Nagetieren mittels vertikaler Aufzugsbewegung und Riesenraddrehung zu bewerten.
Abstract
Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, die autonomen und verhaltensorientierten Auswirkungen passiver Bewegung bei Nagetieren mithilfe der vertikalen Aufzugsbewegung und der Riesenradrotationsgeräte zu bewerten. Diese Assays können helfen, die Integrität und das normale Funktionieren des autonomen Nervensystems zu bestätigen. Sie sind an quantitative Maßnahmen gekoppelt, die auf der Defäkationszählung, der Offenfeldprüfung und der Gleichgewichtsbalkenüberquerung basieren. Die Vorteile dieser Assays sind ihre Einfachheit, Reproduzierbarkeit und quantitative Verhaltensmaßnahmen. Die Grenzen dieser Assays bestehen darin, dass die autonomen Reaktionen Epiphänomene nicht-vestibulärer Störungen sein könnten und dass ein funktionierendes vestibuläres System erforderlich ist. Die Untersuchung von Erkrankungen wie Reisekrankheit wird durch die detaillierten Verfahren dieser Assays erheblich unterstützt.
Introduction
Bewegungskrankheit (MS) durch abnormale visuovestibuläre Stimulation führt zu autonomen Reaktionen, die Symptome wie epigastrische Beschwerden, Übelkeit und/oder Erbrechen1hervorrufen. Nach aktuellen Theorien kann Bewegungskrankheit durch einen sensorischen Konflikt oder neuronale Diskrepanz durch den Empfang integrierter Bewegungsinformationen verursacht werden, die sich vom erwarteten internen Modell der Umgebung2,3 oder der Posturalinstabilität unterscheiden, wie sie auf einem gähnenden Schiff auftreten würde4,5. Trotz erheblicher Fortschritte auf dem Gebiet der Reisekrankheit und der vestibulären autonomen Funktion6,7,8,9,10,11,12kann die zukünftige Forschung durch standardisierte Bewertungsprotokolle unterstützt werden. Die Bewertung der autonomen Auswirkungen von passiven Standardbewegungen wird den Untersuchungen der Ursachen und der Prävention von Reisekrankheit sehr zugute kommen. Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, die autonomen und verhaltensauffälligen Auswirkungen passiver Bewegung bei Nagetieren zu bewerten. Tiermodelle, wie Zagetiere, ermöglichen eine einfache experimentelle Manipulation (z.B. passive Bewegung und Pharmazie) und Verhaltensbeurteilungen, mit denen die Ätiologie von Bewegungskrankheiten untersucht werden kann. Hier stellen wir eine detaillierte Batterie vor, um die Auswirkungen passiver Bewegung und die Integrität der vestibulären Funktion zu testen.
Die vorliegende Studie beschreibt zwei Assays, die vertikale Bewegung des Aufzugs (EVM) und die Riesenradrotation (FWR), die autonome Reaktionen auf die passive Bewegung auslösen. Die Assays sind an drei quantitative Verhaltensmaßnahmen gekoppelt, den Gleichgewichtsstrahl (bei Mäusen13 und Ratten14,15,16,17), die Offenfelduntersuchung und die Defäkationszählung. Die EVM (ähnlich der Steigung und Rolle eines Schiffes, das auf eine Welle trifft) bewertet die vestibuläre Funktion, indem sie die otolith sensorischen Organe stimuliert, die lineare Beschleunigungen kodieren (d. h. das Saccule, das auf Bewegungen in der vertikalen Ebene reagiert)18. Das Gerät FWR (Zentrifugalrotation oder Sinusbewegung) stimuliert die Otolithorgane durch lineare Beschleunigung und die halbkreisförmigen Kanäle durch Winkelbeschleunigung19,20. Das Riesenrad/Zentrifugaldrehgerät ist einzigartig in seiner autonomen Bewertung. Bis heute ist das einzige ähnliche Gerät in der Literatur die off-vertical axis rotation (OVAR) Drehscheibe, die verwendet wird, um den vestibulo-okulären Reflex (VOR)18,21,22, konditionierte Vermeidung23,24, und die Auswirkungen der Hypergravitation25,26,27zu untersuchen. Der EVM-Assay und der FWR-Gerätetest induzieren eine vestibuläre Stimulation, die zu autonomen Reaktionen führt. Wir koppeln EVM und FWR mit quantitativen Messungen wie Ausgleichsstrahl, Defäkationszählung und Freifeldanalyse28,29,30, um robuste und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Ähnlich wie bei Mäusen13 und Ratten14,15,16,17ist der Balancestrahl-Test ein 1,0 m langer Strahl, der 0,75 m vom Boden zwischen zwei Holzhockern mit einer einfachen Black-Box-Modifikation am Zielende (Finish) aufgehängt ist. Der Gleichgewichtsbalken wurde verwendet, um Angst (obskure Black Box)14,17, traumatische Verletzung15,16,17, und hier, autonome Reaktionen, die das Gleichgewicht beeinflussen zu bewerten. Wir haben zuvor eine Defäkationszählung zur Beurteilung der autonomen Reaktion im Bewegungskrankheitsmodell durchgeführt, und es ist eine zuverlässige quantitative Messung, die leicht durchgeführt und eindeutig bewertet wird6,8,9,11. Die Open-Field-Analyse verwendet eine einfache Blackbox-Verhaltensbeurteilung mit Ethovision28, Bonsai30oder eine einfache Videoanalyse in Matlab29, um Verhalten wie Bewegung zu quantifizieren. Im aktuellen Protokoll verwenden wir die gesamte zurückgelegte Entfernung, aber wir stellen fest, dass verschiedene Paradigmen existieren (z.B. Dehnung, Bewegungszone, Geschwindigkeit, etc.) 28,29,30. Zusammen bilden diese Verfahren eine kurze Batterie von Bewertungen für die Untersuchung und Bewertung autonomer Reaktionen auf passive Bewegungen, z.B. bei Bewegungskrankheit6,7,8,9,10,11. Die vorliegenden Assays können an eine Vielzahl von Tiermodellen angepasst werden.
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Protocol
Die vorliegende Studie und die Verfahren wurden von der Ethikkommission für Tierexperimente der Zweiten Militärmedizin (Shanghai, China) in Übereinstimmung mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren (US National Research Council, 1996).
1. Tiere
- Verwenden Sie Sprague-Dawley (SD) Ratten von zwei Monaten (200–250 g). Verwenden Sie für jeden Verhaltenstest eine separate Gruppe von Ratten. Verwenden Sie immer separate Steuerungs- und Versuchsgruppen.
HINWEIS: Es gab zwei autonome Tests: EVM und FWR. Die EVM hatte neben einer Kontrollgruppe (= 4) drei Bedingungen mit drei Verhaltenstests (Balance-Beam, Defäkationszählung und offenes Feld = 3) mit jeweils 8 Ratten für insgesamt 96 Ratten (4 x 3 x 8). Der FWR hatte eine Bedingung zusätzlich zu einer Kontrollgruppe (= 2) mit drei Verhaltenstests (Balance-Strahl, Defäkationszählung und offenes Feld = 3) mit jeweils 8 Ratten für insgesamt 48 Ratten (2 x 3 x 8). Insgesamt berichten wir von 144 Ratten. - Käfig Nagetiere unter einer konstanten Temperatur von 25 °C und 60%–70% Luftfeuchtigkeit.
- Haus Nagetiere in 12 h/12 h Licht/Dunkel-Zyklen mit Zugang zu Nahrung und Trinkwasser ad libitum.
HINWEIS: Da die folgenden Protokolle Verhaltensexperimente sind, sollten Ratten schonend behandelt werden. Der Umgang mit Tieren sollte mit beiden Händen mit Körper- und Rückenunterstützung sein, um keine Angst zu erzeugen. - Führen Sie Experimente (EVM und FWR) durch und bewerten Sie Assays (Balance-Beam- und Freifeldauswertung) in der Dunkelheit, um visuelle Hinweise zu minimieren.
2. Aufzug vertikale Bewegungsvorrichtung
- Führen Sie die vertikalen Bewegungsverfahren des Aufzugs in völliger Dunkelheit durch, um visuelle Hinweise zu minimieren.
- Legen Sie die Nagetiere in die Plexiglasbox (22,5 cm x 26 cm x 20 cm). Hier bietet die Plexiglas-Box Platz für vier Nagetiere (maßgeschneidertes Gerät).
- Stellen Sie sicher, dass die Box geschlossen und sicher geschlossen ist, um zu vermeiden, dass Nagetiere herausfallen. Platzieren Sie die Plexiglasbox auf dem Aufzugspad des vertikalen Bewegungsgeräts des Aufzugs (maßgeschneidertes Gerät).
- Schalten Sie das vertikale Bewegungsgerät des Aufzugs auf die niedrigste Einstellung für die Akklimatisierung ein.
- Stellen Sie die Amplitude auf 22 cm nach oben und 22 cm von neutral nach unten. Inkrementelle Änderung der vertikalen Bewegung des Aufzugs wie folgt:
- Stellen Sie die Anfangsperioden auf 2.500 ms für 5 min, 2.000 ms für 5 min und 1.500 ms für 5 min ein.
- Verwenden Sie eine Testperiode von 1000 ms für 2 h.
- Verlangsamen Sie das Gerät in umgekehrter Richtung mit Perioden von 1500 ms für 5 min, 2000 ms für 5 min und 2500 ms für 5 min.
3. Riesenrad-Drehvorrichtung
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Rüstsatz des Riesenrad-Drehgeräts
- Legen Sie den Plexiglasbehälter (22,5 cm x 26 cm x 20 cm) auf eine Holzbank (maßgeschneidertes Gerät).
- Legen Sie die Nagetiere in den Plexiglasbehälter mit der langen Achse des Körpers senkrecht zur horizontalen Drehstange des Riesenrades (maßgeschneiderte Vorrichtung).
HINWEIS: Die Platzierung mit körpersensensensen senkrecht zu horizontalem Stab sorgt für die Stimulation der Otolithorgane (vorder-posterior und vertikale Richtung) während der Rotation. - Schließen Sie die Plexiglasdose sicher.
- Legen Sie den zweiten Satz Nagetiere in den Plexiglasbehälter mit der langen Achse des Körpers senkrecht zur horizontalen Drehstange am zweiten Arm der Riesenrad-Drehvorrichtung. Verwenden Sie einen zweiten Satz Nagetiere mit ähnlicher Masse, um das Riesenrad auszugleichen.
- Schließen Sie die Plexiglasbox sicher und legen Sie sie auf das Riesenrad-Drehgerät.
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Riesenrad-Rotationsverfahren
- Führen Sie die Radrotationsverfahren bei völliger Dunkelheit durch, um visuelle Hinweise zu minimieren.
- Starten Sie das Riesenrad, das sich im Uhrzeigersinn bei 16°/s2 dreht, um eine Winkelgeschwindigkeit von 120°/s zu erreichen, und beginnen Sie dann, bei 48°/s2 zu verlangsamen, um 0°/s zu erreichen. Nach einer 1 s Pause den Behälter in der gleichen Weise wie oben gegen den Uhrzeigersinn drehen zu lassen (Beschleunigung bei 16°/s2, um eine Winkelgeschwindigkeit von 120°/s zu erreichen und dann bei 48°/s2 zu verzögerungsvoll zu drehen, um 0°/s zu erreichen). Der Zyklus im Uhrzeigersinn-Pause-Gegentakt benötigt ca. 10 s, um seine Ausgangsposition zu erreichen.
- Fahren Sie die Drehung im Uhrzeigersinn für 2 h pro Sitzung für ca. 720 Umdrehungen fort.
4. Bewertung von EVM und FWR
ANMERKUNG: Die Bewertung der Ferris-Rad-Drehvorrichtung und der vertikalen Bewegung des Aufzugs erfolgt durch drei Verfahren: Gleichgewichtsstrahlprüfung, Defäkationszählung und Offenfeldprüfung. Identische Verfahren werden verwendet, um die vertikale Bewegung des Aufzugs zu bewerten. Diese Bewertungsverfahren sollten so bald wie möglich nach der Raddrehung oder der vertikalen Aufzugsbewegung durchgeführt werden.
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Balance-Strahl
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Balance-Strahl-Setup
- Richten Sie den Ausgleichsbalken10,11,12 ein, indem Sie zwei Holzhocker (ca. 0,75 m Höhe) im Versuchsfeld, ca. 110 cm voneinander entfernt, platzieren.
- Legen Sie eine schwarze Plastikbox (15 cm x 15 cm x 8 cm) auf den Fertighocker.
- Legen Sie einen schmalen Holzbalken (2,5 cm x 130 cm) zwischen die beiden Hocker, so dass ein Abstand von 100 cm zwischen den Hockerkanten, vom Starthocker bis zum Fertighocker.
HINWEIS: Der Eingang zur schwarzen Plastikbox sollte an der Ziellinie der 100 cm sein. - Legen Sie eine Lampe am Starthocker. Schalten Sie die Lampe ein.
- Schalten Sie die Raumbeleuchtung aus und stellen Sie sicher, dass das Zimmer so dunkel wie möglich ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Nagetier der Richtung des Gleichgewichtsstrahls vom beleuchteten Bereich zum verdunkelten Bereich folgt.
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Balance-Strahl-Verfahren
HINWEIS: Der motorische Koordinationstest des Gleichgewichtsstrahls wird durch Messung der Zeit gemessen, die für die Durchquerung des erhöhten Holzbalkens erforderlich ist.- Trainieren Sie jedes Nagetier täglich für 3 aufeinander folgende Tage, vor dem Untersuchungszeitraum, um eine stabile Leistung auf dem Schwebebalken10zu erreichen. Trainieren Sie, indem Sie die Ratte in den Balken in der beleuchteten Ecke einführen und sie dazu auffordert, den Balken zu überqueren. Irgendwann wird die Ratte von sich aus kreuzen. Ratten im vorliegenden Protokoll dauerten 3,6 x 0,9 Sekunden.
HINWEIS: Einige Nagetiere erreichen während des Trainings keine stabile Leistung und sollten ausgeschlossen werden. Einige Nagetiere erfüllen die Aufgabe nicht, während andere keine Motivation haben, den Balken zu überqueren. Stabile Leistung war zwei aufeinanderfolgende Testperioden der Überfahrtszeiten weniger als 4 Sekunden. Fällt eine Ratte während der Ausbildung oder Bewertung ab und sollte sie als "Fallfall" der Ratte kategorisiert und nicht weiter bewertet werden. - Für den eigentlichen Ablauf das trainierte Nagetier auf den Starthocker in der Nähe des Lichts legen und gleichzeitig auf eine Stoppuhr drücken. Das Nagetier sollte den Gleichgewichtsbalken schnell überqueren und in die Blackbox auf dem Zielhocker eindringen.
- Drücken Sie den Start auf der Stoppuhr, sobald das Nagetier an Ort und Stelle ist, und drücken Sie Stopp, wenn die Nase in die dunkle Box auf dem Zielhocker eintritt. Die Zeit, um den Balken zu durchqueren, ist vom Starthocker bis zum Ende des Hockers.
HINWEIS: Sobald das Nagetier trainiert ist, können Sie vor der Auswertung eine Intervention oder Manipulation durchführen, z. B. die Induzierung von Reisekrankheit. Sie können auch eine Basismessung erhalten, bevor sie eingreifen, indem Sie die Zeit für die Durchquerung der letzten Trainingseinheit verwenden.
- Trainieren Sie jedes Nagetier täglich für 3 aufeinander folgende Tage, vor dem Untersuchungszeitraum, um eine stabile Leistung auf dem Schwebebalken10zu erreichen. Trainieren Sie, indem Sie die Ratte in den Balken in der beleuchteten Ecke einführen und sie dazu auffordert, den Balken zu überqueren. Irgendwann wird die Ratte von sich aus kreuzen. Ratten im vorliegenden Protokoll dauerten 3,6 x 0,9 Sekunden.
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Balance-Strahl-Setup
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Defäkationszählung
- Legen Sie den Plexiglasbehälter mit den vier Nagetieren nach der Riesenrad-Testphase auf eine Bank.
- Entfernen Sie die Nagetiere und legen Sie sie in einzelne Offene Felder (unten).
- Zählen Sie die Anzahl der Kotpellets in der Plexiglasbox, die jedem Nagetier zugeschrieben wird.
ANMERKUNG: Für den Vergleich mit der Auswertung nach Aufzugsbewegung kann eine Basismessung durch Zählen von Kotpellets vor der vertikalen Aufzugsbewegung erhalten werden.
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Freifeldprüfung
- Legen Sie die Nagetiere in den offenen Feldkasten (40 cm x 40 cm x 45 cm).
- Zeichnen Sie das Verhalten des offenen Feldes mit einer IR-Videokamera für 3 min28,29,30 auf.
- Bestimmen Sie die gesamte zurückgelegte Strecke.
HINWEIS: Es ist sehr wichtig, das Nagetier NICHT in den offenen Feldkasten vor der vertikalen Bewegung des Aufzugs zu platzieren. Die Umwelt muss für das Nagetier neu sein. Daher sollten Basismessungen NICHT für die Offene Felduntersuchung durchgeführt werden.
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Representative Results
Abbildung 2 zeigt repräsentative Gleichgewichtsstrahlergebnisse der Zeit, die bis zur Querung aufgewirlegt wird. Ratten wurden für 3 aufeinander folgende Tage trainiert, um eine stabile Leistung auf dem Schwebebalken10zu erreichen. Am darauffolgenden Tag wurden Ratten auf Die Schwebebalkenleistung untersucht. In der y-Achse der Figur haben wir die Anzahl der Sekunden, die Nagetiere für den Ausgleich für Riesenrad, vertikale Bewegung des Aufzugs und Steuergruppen für demonstrative Zwecke brauchen.
Abbildung 3 zeigt repräsentative Ergebnisse der Defäkationsanzahl. Bei der vertikalen Bewegung des Aufzugs befanden sich Ratten in einer von drei verschiedenen Rotationsgruppen von 0,8 Hz, 0,4 Hz und 0,2 Hz vertikaler Bewegung, zusätzlich zu einer Kontrollgruppe, der so genannten statischen Gruppe. Die Äquivalenz zu unseren Bewegungsperioden ist wie folgt: Frequenz = 0,8Hz = 1/0,8 = 0,1250s = 1250 ms, Frequenz = 0,4Hz = 1/0,4 = 0,2500s = 2500 ms und Frequenz = 0,2Hz = 1/0,2 = 0,5000s = 5000 ms. Die EVM erhöhte die Defäkation signifikant (einweg ANOVA, F(3,31) = 20,2306, p < 0,00001). Die Änderung der hz vertikalen Bewegung erhöhte die Defäkation für 0,4 Hz (t = 3,4064, df = 14, p = 0,0043) und 0,8 Hz (t = 10,6895, df = 14, p < 0,0001). Bei der Raddrehung wurden Ratten in einem Zyklus im Uhrzeigersinn-Gegentakt gedreht, der etwa 10 s dauerte, um seine Ausgangsposition zu erreichen. Die gesamte Rotationssitzung dauerte 2 h. Die Radrotationsgruppe wurde mit einer Steuerungsgruppe verglichen, die als statische Gruppe bezeichnet wird. Die Riesenrad-Rotationsgruppe erhöhte die Defäkation, die durch einen t-Test bestimmt wurde (t = 10.6895, df = 14, p < 0.0001).
Abbildung 4 zeigt die offene Felduntersuchung der zurückgelegten Gesamtstreckenergebnisse. Diese Daten wurden mit kommerzieller Video-Tracking-Software für die Analyse des Open-Field-Verhaltens gesammelt (Tabelle der Materialien)28, aber mehrere Open-Source-Software-Pipelines existieren für Verhaltensvideo-Analyse wie Bonsai30 und eine unserer Gruppe hat basierend auf Matlab29entwickelt. Auch hier wurde die zurückgelegte Gesamtstrecke als Metrik bewertet, aber Frame-für-Frame-Unterschiede können verwendet werden, um andere Verhaltensweisen wie vertikale Bewegung zu bestimmen. Bei der vertikalen Bewegung des Aufzugs befanden sich Ratten in einer von drei verschiedenen Rotationsgruppen von 0,8 Hz, 0,4 Hz und 0,2 Hz vertikaler Bewegung, zusätzlich zu einer Kontrollgruppe, der so genannten statischen Gruppe. Die EVM verringerte die zurückgelegte offene Felddistanz signifikant (einweg ANOVA, F(3,31) = 16.5994, p < 0.00001). Die Veränderung der hz vertikalen Bewegung verringerte die Bewegung im offenen Feld für 0,4 Hz (t = 3,1354, df = 14, p = 0,0073) und 0,8 Hz (t = 5,8929, df = 14, p < 0,001). Bei der Raddrehung wurden Ratten in einem Zyklus im Uhrzeigersinn-Gegentakt gedreht, der etwa 10 s dauerte, um seine Ausgangsposition zu erreichen. Die gesamte Rotationssitzung dauerte 2 h. Die Radrotationsgruppe wurde mit einer Steuerungsgruppe verglichen, die als statische Gruppe bezeichnet wird. Die Riesenrad-Rotationsgruppe verringerte die Durchlaufbewegung, die durch einen t-Test bestimmt wurde (t = 4.3341, df = 14, p = 0.0007).
Eine Reihe von veröffentlichten Studien haben die Protokolle hier beschrieben6,7,8,9,10,11,12. Ein aktuelles Beispiel aus unserer Gruppe untersuchte die Mechanismen hinter Anticholingenics Mecamylamin und Scopolamin zur Linderung von Bewegungskrankheit-induzierten Magen-Darm-Symptome12 .
Abbildung 1: Verwendete Instrumentierung. (a) Balance Strahl. Der Ausgleichsbalken ist ein schmaler Holzbalken (2,5 cm x 130 cm) zwischen den beiden Hockern, die 100 cm (ca. 0,75 m hoch) voneinander entfernt platziert sind. Eine Lampe wird am Starthocker und eine schwarze Plastikbox (15 cm x 15 cm x 8 cm) auf den Fertighocker gelegt. (b) Vertikale Bewegungsvorrichtung für Aufzug. Die Amplitude des Aufzugs vertikaler Bewegungsvorrichtung ist auf 22 cm nach oben und 22 cm von neutral eingestellt. Die vertikale Aufwärmbewegung besteht aus 2500 ms Periode für 5 min, 2000 ms für 5 min und 1500 ms für 5 min. Die Testbewegung besteht aus einer 1000 ms-Periode für 2 h. Die vertikale Bewegung des Aufzugs wird rückwärts mit einem Zeitraum von 1500 ms für 5 min, 2000 ms für 5 min und 2500 ms für 5 min verlangsamt. Ratten werden kopfüber zur Vorderseite des vertikalen Bewegungsgeräts des Aufzugs platziert. (c) Riesenraddrehvorrichtung. Das Riesenrad dreht sich im Uhrzeigersinn bei 16°/s2 und beschleunigt auf 120°/s, verlangsamt sich anschließend bei 48°/s2, um 0°/s zu erreichen, hält für 1 s an und dreht sich dann gegen den Uhrzeigersinn (16°/s2 beschleunigt auf 120°/s, anschließend bei 48°/s2 auf 0°/s). Der Zyklus im Uhrzeigersinn-Pause-Gegen-Gegen-Uhrzeigersinn benötigt 10 s, um seine Ausgangsposition zu erreichen. Ratten werden kopfüber in Richtung Der Mittelpunkt des Riesenrad-Drehgeräts platziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Balance-Strahlergebnisse. Zeit, die zum Querqueren des Strahls (mittlere Standardabweichung) erforderlich ist. Die y-Achse zeigt Sekunden an, die zum Queren des Balkens genutzt werden. Ratten wurden drei Tage vor der Auswertung trainiert, um eine stabile Leistung am Schwebebalken10zu erreichen. Die vorherige Auswertung mit den Vertikalbewegungs- oder Riesenradgeräten erhöht die Überquerungszeit deutlich. Statistische Tests wurden durch zweischwänzigen t-Test mit Bonferroni-Korrektur zwischen Kontrolle und jeder anderen Gruppe durchgeführt. zeigt p < 0.001 an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Ergebnisse der Defäkationsanzahl. Aufzug vertikale Bewegung Ergebnisse (a) Linkes Panel – Defäkation Anzahl (mittlere Standardabweichung) nach Gruppe für 0,8 Hz, 0,4 Hz, und 0,2 Hz vertikale Bewegung, zusätzlich zu einer Kontrollgruppe, genannt die statische Gruppe bei 0 Hz. Beachten Sie die signifikante Zunahme der Defäkation für 0,8 Hz und 0,4 Hz, wie durch die Sternchen angegeben. Ergebnisse der Riesenradrotation (b) Rechtes Panel – Defäkationsanzahl (mittlere Standardabweichung) für die Radrotationsrattengruppe (siehe Beschreibung für Winkelgeschwindigkeitsparadigma) und eine Kontrollgruppe (0 Hz), die als statische Gruppe bezeichnet wird. Beachten Sie die signifikante Zunahme der Defäkation für die Rotationsgruppe, wie durch die Sternchen angegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Zurückgelegte Gesamtstrecke. (a) Die vertikale Bewegung des Aufzugs ergibt sich. Dieses Panel besteht aus der Gesamtentfernung (mittlere Standardabweichung) um cm im offenen Feldbewegungstest nach Gruppe für 0,8 Hz, 0,4 Hz und 0,2 Hz vertikale Bewegung, zusätzlich zu einer (statischen) Steuerungsgruppe. Beachten Sie die signifikante Abnahme der Gesamtentfernung für 0,8 Hz und 0,4 Hz, wie durch die Sternchen angegeben. Statistische Tests wurden durch zweischwänzigen t-Test mit Bonferroni-Korrektur zwischen Kontrolle und jeder anderen Gruppe durchgeführt. ** gibt p < 0,01 und *** p < 0,001 an. (b) Ergebnisse der Raddrehung. Dieses Panel besteht aus der Gesamtstrecke (mittlere Standardabweichung) um cm im Offenfeld-Bewegungstest für die Riesenradrotationsrattengruppe und einer Kontrollgruppe (statisch). Beachten Sie die signifikante Verringerung der Gesamtentfernung, wie durch die Sternchen angegeben. Statistische Tests wurden durch zweischwänzigen t-Test zwischen Steuerung und Riesenradgruppe durchgeführt. zeigt p < 0.001 an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Die vorliegende Studie beschreibt die Bewertung autonomer Reaktionen auf passive Bewegungen bei Nagetieren mit vertikaler Aufzugsbewegung und Riesenraddrehung. Diese Geräte und Verfahren können leicht an andere Nagetiere übernommen werden, und es bestehen mehrere Modifikationen der Assays, um die vestibuläre Funktion unter verschiedenen Umständen zu bestätigen, z. B. bei pharmakologischen Herausforderungen oder chirurgischen Eingriffen. Forschung an MS durch vestibuläre Stimulation ausgelöst hat zu der Theorie geführt, dass sensorische Konflikte oder neuronale Diskrepanz durch den Empfang von visuellen Informationen verursacht, die von der erwarteten internen Modell der Umgebung unterscheidet2,3 führt zu autonomen Reaktion, die Symptome wie epigastrische Beschwerden, Übelkeit und/ oder Erbrechen1. Weitere Theorien haben skizziert, dass die Haltungsinstabilität, wie sie auf einem gähnenden Schiff auftreten würde4,5, eine autonome Reaktion hervorruft. Trotz dieser bedeutenden Fortschritte bleiben Fragen offen, die durch Bewertungsprotokolle wie die vertikale Bewegung des Aufzugs und die Raddrehung unterstützt werden können.
Ein entscheidender Schritt für den Gleichgewichtsbalken ist das Training. Ratten müssen motiviert sein und Vertrauen haben, den Balken zu überqueren; andernfalls wird das Gleichgewicht (d. h. die vestibuläre Integrität) in einem Bewertungszeitraum nicht gemessen. Für Forscher, die an der Untersuchung von Angst14,17 oder traumatische Verletzungen15,16,17, andere Verhaltensweisen während des Trainings oder Balance-Strahl-Kreuzung interessiert sind, kann relevant sein. Zum Beispiel, in der Angstforschung mit dem Gleichgewichtsstrahl, Defäkation, Wasserlassen, Stürze, und Fehltritte können aufgezählt werden14. Auch in einigen Forschungsbereichen können Nagetiere, denen es an Motivation fehlt, den Strahl zu überqueren, unterschiedlich bewertet werden13,14,15,16,17. Es ist wichtig, während der vertikalen Bewegung des Aufzugs und der Raddrehung sicherzustellen, dass die Box geschlossen und sicher geschlossen wird, da Nagetiere in einer ungesicherten Box angetrieben und verletzt werden können. Stellen Sie außerdem sicher, dass Nagetiere im Offenen Feld28,29,30 nur einmal und unmittelbar nach der vertikalen Bewegung des Aufzugs und dem Riesenrad bewertet werden, um eine schnelle Auswertung der vestibulären Effekte zu gewährleisten.
Die oben genannten Protokolle verwenden quantitative Maßnahmen. Daher gehören zu den Einschränkungen für Denkbalken Nagetiere, denen es an Motivation fehlt, den Strahl zu überqueren, da Balance das Verhalten ist, das ausgewertet wird. Einschränkungen für die vertikale Bewegung des Aufzugs und die Defäkationstests der Riesenraddrehung erfordern ein gut ernährtes Nagetier. Dies ist notwendig; Andernfalls kann das Nagetier keine robuste autonome Reaktion auf vestibuläre Stimulation erleben. Es ist eine gute Praxis, die Anzahl der Basisdefälierungswerte für einen normalen/Kontrollzeitraum von 2,5 h für Vergleichszwecke zu beobachten.
Eine weitere wichtige Überlegung bei der Verwendung der Protokolle und der Interpretation der Ergebnisse sind Unterschiede bei den Reaktionsreaktionen auf Reisekrankheiten zwischen den Arten. Beim Menschen, und auch andere Arten wie Katzen und Hunde, Retching und Erbrechen sind zwei häufige Symptome31,32,33,34. Ratten hingegen können nicht erbrechen. Ratten zeigen jedoch Bewegungskrankheitssymptome wie Pica35,36, Defäkationsreaktion37und spontane Fortbewegungsreduktion35,38. Auch Menschen verlassen sich in erster Linie auf Vision für sensorische Eingabe und Bewegungskrankheit ist wahrscheinlich im Zusammenhang mit sensorischen Konflikt mit dem vestibulären System2,39. Bei Ratten, insbesondere Albinoratten (z.B. Sprague-Dawley), ist das Sehen typischerweise nicht der primäre Sinn, sondern somatosensorisch (Whisker). Dies kann zu artenübergreifenden Unterschieden in den relativen Beiträgen verschiedener sensorischer Inputs zum Konflikt führen. Schließlich gibt es Unterschiede zwischen den Nagetieren in der Reaktion auf Bewegungskranken. Zum Beispiel ist die Spitzmaus (Suncus murinus) in der Lage, eine emetische Antwort40,41zu haben.
Zusammen bilden die beschriebenen Verfahren eine kurze Batterie von Bewertungen für die Untersuchung und Bewertung autonomer Reaktionen bei Nagetieren während der Reisekrankheit6,7,8,9,10,11. Die gegenwärtigen Techniken, die an physiologischere Maßnahmen wie die Elektrophysiologie gekoppelt sind, um die kortikalen Folgen bei der vestibulären Stimulation zu bestimmen, wären von großem Interesse.
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Disclosures
Die Autoren erklären keine finanziellen oder nichtfinanziellen Interessenkonflikte. Das FWR-Gerät hat ein Patent in China: ZL201120231912.1.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde teilweise vom Hong Kong Research Grants Council, Early Career Scheme, Project #21201217 to C. L. unterstützt. Das FWR-Gerät hat ein Patent in China: ZL201120231912.1.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Elevator vertical motion device | Custom | Custom-made Elevator vertical motion device to desired specifications | |
| Ethovision | Noldus Information Technology | Video tracking software | |
| Ferris-wheel rotation device | Custom | Custom-made Ferris-wheel rotation device to desired specifications | |
| Latex, polyvinyl or nitrile gloves | AMMEX | Use unpowdered gloves 8-mil | |
| Open field box | Custom | Darkened plexiglass box with IR camera | |
| Rat or mouse | JAX labs | Any small rodent | |
| Small rodent cage | Tecniplast | 1284L | |
| Wooden beam and stools | Custom | Custom-made wooden beam and stools to specifications indicated |
References
- Balaban, C. D. Vestibular autonomic regulation (including motion sickness and the mechanism of vomiting). Current Opinion in Neurology. 12, 29-33 (1999).
- Reason, J. T. Motion sickness adaptation: a neural mismatch model. Journal of the Royal Society of Medicine. 71, 819-829 (1978).
- Keshavarz, B., Hettinger, L. J., Kennedy, R. S., Campos, J. L. Demonstrating the potential for dynamic auditory stimulation to contribute to motion sickness. PLOS One. 9, 101016 (2014).
- Stoffregen, T. A., Chen, F. C., Varlet, M., Alcantara, C., Bardy, B. G.
- Smart, L. J. Jr, Pagulayan, R. J., Stoffregen, T. A. Self-induced motion sickness in unperturbed stance. Brain Research Bulletin. 47, 449-457 (1998).
- Wang, J. Q., et al. Temporal change in NMDA receptor signaling and GABAA receptor expression in rat caudal vestibular nucleus during motion sickness habituation. Brain Research. 1461, 30-40 (2012).
- Cai, Y. L., et al. Glutamatergic vestibular neurons express FOS after vestibular stimulation and project to the NTS and the PBN in rats. Neuroscience Letters. 417, 132-137 (2007).
- Cai, Y. L., et al. Decreased Fos protein expression in rat caudal vestibular nucleus is associated with motion sickness habituation. Neuroscience Letters. 480, 87-91 (2010).
- Wang, J. Q., Qi, R. R., Zhou, W., Tang, Y. F., Pan, L. L., Cai, Y. Differential Gene Expression profile in the rat caudal vestibular nucleus is associated with individual differences in motion sickness susceptibility. PLoS One. 10, 0124203 (2015).
- Zhou, W., et al. Sex and age differences in motion sickness in rats: The correlation with blood hormone responses and neuronal activation in the vestibular and autonomic nuclei. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 29 (2017).
- Wang, J., Liu, J., Pan, L., Qi, R., Liu, P., Zhou, W., Cai, Y. Storage of passive motion pattern in hippocampal CA1 region depends on CaMKII/CREB signaling pathway in a motion sickness rodent model. Scientific Reports. 7, 43385 (2017).
- Qi, R., et al. Anti-cholinergics mecamylamine and scopolamine alleviate motion sickness-induced gastrointestinal symptoms through both peripheral and central actions. Neuropharmacology. 146, 252-263 (2019).
- Luong, T. N., Carlisle, H. J., Southwell, A., Patterson, P. H. Assessment of motor balance and coordination in mice using the balance beam. Journal of Visualized Experiments. (49), e2376 (2011).
- Kalueff, A. V., Minasyan, A., Tuohimaa, P. Behavioural characterization in rats using the elevated alley Suok test. Behavioural Brain Research. 30 (1), 52-57 (2005).
- Piot-Grosjean, O., Wahl, F., Gobbo, O., Stutzmann, J. M. Assessment of sensorimotor and cognitive deficits induced by a moderate traumatic injury in the right parietal cortex of the rat. Neurobiology of Disease. 8 (6), 1082-1093 (2001).
- Goldstein, L. B., Davis, J. N. Beam-walking in rats: Studies towards developing an animal model of functional recovery after brain injury. Journal of Neuroscience Methods. 31 (2), 101-107 (1990).
- Sweis, B. M., et al. modified beam-walking apparatus for assessment of anxiety in a rodent model of blast traumatic brain injury. Behavioural Brain Research. 296, 149-156 (2016).
- Hess, B. J., Dieringer, N. Spatial organization of the maculo-ocular reflex of the rat: Responses during off-vertical axis rotation. European Journal of Neuroscience. 2, 909-919 (1990).
- Armstrong, P. A., et al. Preserved otolith organ function in caspase-3-deficient mice with impaired horizontal semicircular canal function. Experimental Brain Research. 233 (6), 1825-1835 (2015).
- Riccio, D. C., Thach, J. S. Jr Response suppression produced by vestibular stimulation in the rat. Journal of the Experimental Analysis of Behavior. 11 (4), 479-488 (1968).
- Rabbath, G., et al. Abnormal vestibular control of gaze and posture in a strain of a waltzing rat. Experimental Brain Research. 136, 211-223 (2001).
- Brettler, S. C., et al. The effect of gravity on the horizontal and vertical vestibulo-ocular reflex in the rat. Experimental Brain Research. 132, 434-444 (2000).
- Hutchison, S. L. Taste aversion in albino rats using centrifugal spin as an unconditioned stimulus. Psychological Reports. 33 (2), 467-470 (1973).
- Green, K. F., Lee, D. W. Effects of centrifugal rotation on analgesia and conditioned flavor aversions. Physiology & Behavior. 40 (2), 201-205 (1987).
- Tse, Y. C., et al. Developmental expression of NMDA and AMPA receptor subunits in vestibular nuclear neurons that encode gravity-related horizontal orientations. Journal of Comparative Neurology. 508 (2), 343-364 (2008).
- Lai, C. H., Tse, Y. C., Shum, D. K., Yung, K. K., Chan, Y. S. Fos expression in otolith-related brainstem neurons of postnatal rats following off-vertical axis rotation. Journal of Comparative Neurology. 470 (3), 282-296 (2004).
- Lai, S. K., Lai, C. H., Yung, K. K., Shum, D. K., Chan, Y. S. Maturation of otolith-related brainstem neurons in the detection of vertical linear acceleration in rats. European Journal of Neuroscience. 23 (9), 2431-2446 (2006).
- Aitken, P., Zheng, Y., Smith, P. F. Ethovision analysis of open field behaviour in rats following bilateral vestibular loss. Journal of Vestibular Research. 27 (2-3), 89-101 (2017).
- Gao, V., Vitaterna, M. H., Turek, F. W. Validation of video motion-detection scoring of forced swim test in mice. Journal of Neuroscience Methods. 235, 59-64 (2014).
- Lopes, G., et al. Bonsai: an event-based framework for processing and controlling data streams. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 7 (2015).
- Conder, G. A., Sedlacek, H. S., Boucher, J. F., Clemence, R. G. Efficacy and safety of maropitant, a selective neurokinin 1 receptor antagonist, in two randomized clinical trials for prevention of vomiting due to motion sickness in dogs. Journal of Veterinary Pharmacology and Therapeutics. 31, 528-532 (2008).
- Percie du Sert, N., Chu, K. M., Wai, M. K., Rudd, J. A., Andrews, P. L. Telemetry in a motion-sickness model implicates the abdominal vagus in motion-induced gastric dysrhythmia. Experimental Physiology. 95, 768-773 (2010).
- Lackner, J. R. Motion sickness: more than nausea and vomiting. Experimental Brain Research. 232, 2493-2510 (2014).
- Lucot, J. B. Effects of naloxone on motion sickness in cats alone and with broad spectrum antiemetics. Autonomic Neuroscience. 202, 97-101 (2016).
- McCaffrey, R. J. Appropriateness of kaolin consumption as an index of motion sickness in the rat. Physiology & Behavior. 35, 151-156 (1985).
- Horn, C. C., et al. Why can't rodents vomit? A comparative behavioral, anatomical, and physiological study. PLoS One. 8 (4), 60537 (2013).
- Ossenkopp, K. -P., Frisken, N. L. Defecation as an index of motion sickness in the rat. Physiological Psychology. 10, 355-360 (1982).
- Ossenkopp, K. P., Rabi, Y. J., Eckel, L. A., Hargreaves, E. L. Reductions in body temperature and spontaneous activity in rats exposed to horizontal rotation: abolition following chemical labyrinthectomy. Physiology & Behavior. 56, 319-324 (1994).
- Oman, C. M. Motion sickness: a synthesis and evaluation of the sensory conflict theory. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 68, 294-303 (1990).
- Hu, D. L., et al. Emesis in the shrew mouse (Suncus murinus) induced by peroral and intraperitoneal administration of staphylococcal enterotoxin A. Journal of Food Protection. 62, 1350-1353 (1999).
- Ueno, S., Matsuki, N., Saito, H. Suncus murinus as a new experimental model for motion sickness. Life Sciences. 43, 413-420 (1988).
