加齢関連疾患に運動の影響を評価するために重要な標準と疾病：げっ歯類での強制運動コンプライアンスへの行き方

サマリー

運動は、神経変性疾患に関連する行動障害を軽減する可能性があります。運動媒介効果の根底にあるメカニズムの研究は、疾患モデルで増加していますが、これらの疾患に伴う神経生物学的背景、特に老化は考慮されていない可能性があります。 ここでは、高齢ラットにおける運動パラダイムの成功の可能性を高めるための方策を示します。

要約

神経生物学的基盤を持ついくつかの疾患状態の改善に対する運動のプラスの影響の意識の大幅な増加がある。これらは、認知機能と身体能力を向上させることが含まれる。その結果、運動を用いた動物試験の数が増加する。これは、強制的な運動の一つの本源的価値は、研究者は、特に頻度、期間、および運動療法の運動強度、行動アウトカムに対する運動の影響に影響を与えることができる要因を制御しているということであると主張している。しかし、強制的な運動療法におけるコンプライアンスが採用し足ショックの潜在的な交絡を回避すべきである場合は特に、問題になることがあります。それは、最も認知および歩行障害が老齢個体におけるストライキ以来、これらの障害に対する運動の影響を決定するテストのsuのための最小限の必要性を確実にするために、コンプライアンスの可能な限り高いレベルの高齢者げっ歯類の使用を検討する必要があることを考慮することも重要ですbjects。ここでは、高齢者げっ歯類モデルにおいて運動トレッドミル、ほぼ100％のコンプライアンスを達成するために必要な適切な手順および考慮事項が提示され、議論される。研究者によって採用されている特定の運動療法にもかかわらず、私たちのプロトコルは、老化関連パーキンソンおよびパーキンソン病を含む老化関連障害、上の強制運動の潜在的な影響に特に興味を持っている研究者には有用であるべきである。

概要

認知と歩行に障害を防止または軽減するか非侵襲的なライフスタイル戦略、しばしば加齢に伴う両方が、健康を維持し^、1,2ウェルビーイングのための実行可能なプラクティスとして勢いを増している。たとえば、中年男性で、毎週、一貫して厳しい練習に穏健派が大幅に³歳^を前進と同様に中年ピアと比較して、運動能力を向上させることができます。さらに、証拠を増加させると、そのような運動など、これらの生活習慣戦略は、軽減あるいは、パーキンソン病^（PD）4のような神経変性疾患に関連する障害を逆転させることができることを示唆している。

加齢に関連する障害の分子メカニズムを理解するための努力はまた、非侵襲的戦略は、運動のように、逆転またはそのような障害に貢献するメカニズムを減衰させる方法を識別するに向けてきた。トレッドミル運動は、そのようなストラトです歩行運動や認知機能の改善の背後にあるメカニズムはまだ決定されていることを特徴EGYはますます、PD ^5-7および認知障害¹のモデルで採用されている。しかし、高齢化がPDの神経生物学的背景があることを指摘することは重要である。このように、人間の条件で実現するための動物モデル内の任意の運動の利益の潜在翻訳のためにそれが考慮に老化の神経生物学的背景を取る必要があります。たとえば、PDの進行の間、運動障害を食い止める代償機構が老化⁸のプロセスによって損なわれる可能性があります。したがって、その運動のパラダイムは、疾患病理の存在下または非存在下のいずれかで高齢化の影響を考慮するだけでなく、高齢者、げっ歯類において開始され、維持され得ることだけでなく、開発されなければならない理にかなっている。

そのため、神経生物学的背景に高齢化を考慮して、ラット系統の選択思慮深く研究者によって検討されるべきである。いくつかのラット系統は、老化研究のために利用可能な、特にフィッシャー344とブラウンノルウェー/フィッシャー344 F _1（BNF）ハイブリッド。それは一般的にこのような6 - ヒドロキシドーパミンのPDモデルとして、神経変性疾患モデルで使用されているように一般的に使用されるのSprague Dawleyラット（非近交系株）は、そのような使用のために適している。当研究室では、加齢および神経変性疾患の研究でドーリーとBNFの両方の株を使用しています。本稿では、両株を使用して私たちの運動のプロトコルを強調した結果を紹介します。これらの研究者は、厳密に年齢に関連した研究に焦点を当てたために、BNF株は、いくつかの重要な利点を提供しています。まず、（腫瘍など）、老化関連疾患に対して比較的受けにくくし、他の株と比較して例外的な寿命を（典型的な寿命は30ヶ月を超えている）があります。彼らはまた、生理学的および行動的アウトカム^_9、各種の少ない可変性を持っているdはまた、老化のプロセスに介入アプローチを調べるのに適している。さらに、このような強制的な運動などの実験は研究者によってかなりの取り扱いを要求し、BNF株の穏やかな配置が有利である。老化関連線条体及び中脳ドーパミン組織含有量の変化だけでなく、運動活性の変化は、BNFラットおよび霊長類^10-11で類似している。私たちの研究室ではまた、線条体及び中脳ドーパミンシグナル伝達だけでなく、BNF株^12-16における運動活性を特徴付けるして操作すると豊富な経験を持っています。他neurobiologicallyベースの疾患のリスクが加齢に伴って増加するのでそのため、神経変性疾患の動物モデルは、老化研究に使用するの豊富な実績を持つ齧歯類株の使用を検討する必要があります。

私たちのプロトコルがここにも、研究者が自分の結果の解釈には考慮しなければならないいくつかの重要な問題に対処しobtaine運動プロトコルからD。げっ歯類のトレッドミル装置は、（私たちはこのレポートでハイライト表示さ​​れますそのうち利用）、一般的に無効にすることができ、トレッドミルの各レーンの奥に電気ショックコイルが装備されています。これらの電気ショックコイルが活性化されるときにコイルに接触するようにしかし、小さなフットショックを被験体に送達される。この戦略は、多くの場合、運動トレッドミルコンプライアンスを容易にするために、運動の研究で採用されている。これは、特に、ドーパミンやノルエピネフリンシグナル伝達によって影響される行動研究関係者研究者のために、考慮すべき重要なポイントです。電気フットショックは、生理的ストレスであり、双方の神経伝達物質系への影響は、チロシンヒドロキシ^17-18の増加活性化と、十分に文書化されています。したがって、任意のかどうかを解釈するために研究者が責任を負うこと、どんな運動効果の解釈を混乱させる可能性のどちらかの神経伝達物質の生合成を増加運動後の行動の観察された変化は、厳密には運動療法やフットショックストレスによるものである。重要なことは、提案された強制的な運動療法は、トレッドミル順化や運動トレーニング期間の任意の時点でフットショックの使用を採用していない。

成功した運動療法は、試験対象から行使することが最大の準拠を必要とする。依存措置は（前述したように）フットショックの影響を受けている神経伝達物質のシグナル伝達に関連している際に、コンプライアンスを達成するために、フットショックの雇用は、実験結果の解釈を混乱させる可能性があります。このように、課題は、げっ歯類を取得することであり、特に高齢者げっ歯類で、運動療法を遵守すること。これは、運動レジメンを完了するために必要な動物の数を減少させるような任意の運動療法の望ましい目標は、ほぼ100％のコンプライアンスを達成することである。具体的には、運動と運動療法の成果の解釈に最大限のコンプライアンスがbにすることができますeは、それらの活性（ウェイク）サイクル中に行使することを、動物を可能にする1）逆明暗サイクルを含むいくつかの運動前の手続きの結果として、私たちの運動療法において得られた、2）確実に運動性能のベースラインの前の分離に等しい次第に運動療法の要件に、それらを紹介する順応期間に試験対象を導入するコントロールと運動グループ、および3）。ここでは、ほぼ100％のコンプライアンスを達成するために必要な前述の実験的検討事項とステップが老齢齧歯類において運動トレッドミル（>生後18ヶ月）を評価し、提示されます。最後に、運動に関連した環境がストレスであってもよく、そのような、現在の潜在的な運動に固有の生理学的効果を決定するために混乱させるとして。私たちのプロトコルはまた、順化段階のあらゆる面でnonexerciseグループを含めることで、トレッドミルの潜在的なストレス誘導環境への暴露のために制御します（を含むカ月DESTトレッドミルランニング）と、トレッドミル運動トレーニング中に静止トレッドミル上に配置する。したがって、このプロトコルは、単独で、運動の生理的影響を決定するために必要な措置を記述することを目指しています。

プロトコル

以下の手順のすべては、LSU健康科学センター、シュリーブポートでの施設内動物管理使用委員会に合わせて実施し、健康ガイドラインの国立研究所に準拠しています。

1運動前の手順

注：この強制運動療法の関連手続きのすべてのタイムラインは、 図1に図解されている。

図1は、運動療法のタイムラインを強制 。このタイムラインは、研究のそれぞれの週の間に、この運動療法の各相の重要なイベントを詳述する。事前順化相（週1-2）実験者の取り扱いとベースライン自発運動を伴う。順化相（週3-4）中、すべてのラットは順化訓練wの3日間を受けるここで彼らは、静止したトレッドミルの上に座ると、トレッドミルへの順化訓練の後、10日間。 2週間の休止期間が続くエクササイズ2ラウンド（1ラウンド= 12日間連続）の最小は、運動トレーニング相（週5〜10）の間に必要とされる。行動および/または神経化学的測定は、これらの休止期間中に行うことができる。さらに、このレジメンは、この段階における運動の複数のラウンドを含むように修飾することができる。体重は、週単位での研究のすべてのフェーズを通して測定し、この運動療法の各フェーズ（最初のセッション）前と（最後のセッション）の後にされている。トレッドミル運動トレーニングスコアは4が最高のスコアであることで、1から4までのすべての順化と運動トレーニングセッション、および範囲の後に割り当てられます。ラットは補助なしで全体のトレーニングセッションを行使する際に簡単に説明すると、4の訓練スコアが割り当てられます。 25未満のための支援：ラットは、最小限の支援を必要とするとき同様に、3の訓練スコアを割り当てる（のように定義実験者からのトレーニングセッションの時間の％）。エクササイズ中に実験者から：ラットは（トレーニングセッションの時間の25％より多くの支援と定義される）多くの支援を必要とするとき2の訓練スコアを割り当てます。最後に、準拠していないラットに1の訓練スコアを割り当て、運動セッションを完了することができない。

1. 動物コロニーに到着すると、分離して単独で、標準的なシューボックスケージにすべての被験者を収容する。研究全体を通じて被験者に食物と水を自由に提供します。
2. 動物植民地（1800〜0600時間まで点灯）の逆の12時間の明暗サイクルを維持し、そして被験者は最低1週間、このサイクルに順応することができます。被験者の活動（暗）サイクル中にすべての行動実験を実行し、明暗サイクル変化に1〜2時間前。
3. 前の任意の行動実験に二週間から始めて、数分間のすべての試験科目を扱う毎日のユート族実験者との主題を理解するために、そのような運動室やトレッドミルのような不慣れな環境に新規性によって誘発されるストレスを減少させる。
4. 週に一度、すぐに（最初のセッション）の前後に各被験者の体重を測定します（最後のセッション）運動パラダイムの主要な各間隔。

2ベースライン自発運動アセスメント：決定強制運動グループの割り当て

1. ベースライン自発運動能力を確立するために、5日間連続して60分/日の各被験者の自発運動活性を評価する。製品マニュアルで提案されているように自動化されたオープンフィールド自発運動に自発運動セッションを実施、赤外線ビームのグリッドをプレキシガラス箱（45×45×20cm ³の）からなるチャンバーが水平方向および垂直方向に取り付けられた。
2. 自発運動評価の一日の開始時に、負荷、およびコンピュータとsoftwaを設定各セッションの間、ビーム·ブレーク（自発運動）の数を記録するために、オープンフィールド自発運動室に接続されたプログラムの再。
3. 各セッションの前に運動室の床に松チップ寝具の約2カップを追加します。
4. 彼らの自発運動セッションに直前にホームケージ内自発運動室に動物コロニーからの科目を輸送。赤色光の下で、割り当てられた自発運動室への科目をロードし、それらがチャンバ内に配置された後、コンピュータ上の60分のセッションを開始します。
5. 自発運動セッションが完了すると、運動室から科目を削除し、赤色光の下で彼らのホームケージに戻す。すぐに戻って動物コロニーに科目を返す。
6. チャンバーから寝具を取り出し、各セッションの後に、50％エタノールでチャンバ壁や床を掃除。
7. 繰り返して、追加運動セッションごとに2.3から2.6のステップすべての被験者が試験されるまで、必要に応じて一日。動物のアクティブサイクルの間に、暗闇の中で、すべての自発運動セッションを実施し、明暗サイクル変化に1〜2時間前。
8. 活動室への馴化の可能性を考慮するために、自発運動が、前日から別のチャンバーで測定されるように、使用可能な室の中で、各被験者を回転させる。
   1. 複数のセッションが一日で行うことが必要な場合、被験者は、前回のセッションとは異なる順序でテストされるように、テストの順序を変更する。
9. 、自発運動を測定し、以下の5運動パラメータで各動物のベースラインの自発運動を測定するために使用されるソフトウェアによって生成されたデータからの総距離は（cm）であり、水平活動（ビーム切断の数）、運動番号（開始移動回数）を走行、時間（秒）を移動過ごし、移動速度（センチメートル/秒）。
   1. exercisを割り当てるためにeとnonexerciseグループは、上記のステップ2.9に記載されている5、運動の各パラメータのためのすべての5セッション間で平均値を計算します。
10. これらの5つのパラメータから、運動と運動活性の等しい範囲は両群で表現されるようにnonexercise（対照）群を決定する。このようにして、同じような運動能力に基づいて一緒にラットをペアリングし、運動群に1ラットおよびnonexerciseグループに1ラットを割り当てます。したがって、例えば、一緒にすべての5運動パラメータの最高の平均を示す2匹のラットをペアリングし、運動群に一匹のラットを割り当て、nonexerciseグループに他の（グループの割り当てはランダムに選択されています）。残りの被験者について、この手順を繰り返します。
    1. 全体強制運動療法を通して、全てのデータ分析のためのペアリングを維持します。
11. 実験者は自発運動に対する運動の影響に関心がある場合、運動後の自発運動のuを測定段階的に説明したのと同じ手順を歌う2.1-2.8.1最後のトレッドミル運動セッションの翌日を開始する。注：研究者が興味を持っている、および/ ​​または自動化された運動活性ソフトウェアが許す場合には、不安関連の措置を検討する（ すなわち、活動室の中心対周辺部で過ごした時間は）自発運動評価時の被験者の相対的な不安を評価した。

トレッドミルに3順化

1. 動物のアクティブサイクルの間に明確なプレキシガラスの壁で区切られてレーンが電動げっ歯類トレッドミル上のすべてのトレッドミル運動関連の手続きを実施し、明暗サイクル変化に1〜2時間前。
2. 各レーンの背面に電気ショックコイルの代わりに、対象者が継続的に電気ショックコイルに接触することなく行使することができるようにトレッドミルに合うように特別に設計されたプレキシガラスのバックストップを使用しています。からバックストップを防止するために、トレーニングセッションの間に滑り、Cクランプで1.5で所定の位置にバックストップを保持します。
3. トレッドミル運動トレーニングに必要なハンドリング実験者のために、上のライトが付いているすべてのトレッドミル運動セッションを実施。
4. 彼らのトレッドミル運動トレーニングセッションの直前にトレッドミルのホームケージにおける輸送科目。トレッドミルが静止しているときは、ちょうど十分なバックストップをスライドさせることにより、割り当てられたレーンにトレッドミル上に負荷ラットは、被験者は、バックストップの下に操縦することができる。対象はトレッドミルベルト上に位置されると、静止位置に戻すダウンバックストップをスライドさせます。すべての被験者がその特定のセッションのために割り当てられたレーンに置かれたまで、セッションを開始しないでください。
   1. （ステップ3.4で説明したように）順化の最初のフェーズでは、3日間連続して5〜10分/日の静止トレッドミルの4つのレーンのいずれか各ラットを置く。連続した各dで各セッションの時間を長くするAY（ 例えば、1日目に5分、2日目に7分、3日目に10分）ラットがトレッドミル装置に慣れると、トレッドミル装置に新規性ストレスの可能性を減らすために。重要：この段階で、固定ベルトを除いて（ 例えば、電気ショックのコイルを非アクティブ化）トレッドミル上のどこにでもラットを置かないでください。
5. 順化訓練の第二フェーズでは、バックストップの前で静止したトレッドミルの1つのレーンに各ラットを置く。すべての被験者が所定の位置にあるとき、遅い歩行速度（ 例えば、6メートル/分）の上でトレッドミルをオンにします。関係なく、実験的なグループ化の強制運動療法から観察潜在的な影響は、単純に行使する能力から運動トレーニングに起因していないことを確認するには、このフェーズの間にトレッドミル上を歩くために、すべてのラットを訓練。
6. トレッドミルのベルトがロールし始めると、すべてのラットが順方向に歩いていることを確認してください。 NEとしてラットアシスト配向やそっと彼らは前進するまで、それらをつついによるcessary。順化訓練期間中、彼らは継続的に実験者からの支援なしで、トレッドミルの上を歩くようなトレッドミルの上を歩くようにラットを訓練する。
   1. 次第に10日間連続して5〜10分/日の期間にわたって速度を上げてトレッドミルに、全てのラットを順応さ。さらに、第5順化セッション中に5〜10分間、運動トレッドミル低速（6〜8メートル/分）でラットを訓練するためにコンプライアンスを促進し、5のために、より緩やかな速度（9〜10メートル/分）に増やすには、最後の5順化セッション中-10分。
   2. すべてのラットは順化訓練期間の最後のセッションで10分間、9〜10メートル/分の速度を維持できることを確認してください。
7. トレッドミルの順応セッションが完了すると、ステップ3.4で説明したように被写体をロードするために使用したのと同じ方法で、トレッドミルから科目を削除します。すぐに彼らのホームケージに科目を返し、動物コロニーにそれらをバック運ぶ。
8. 各個別のトレッドミル運動のトレーニングセッションの後、50％エタノールで壁やトレッドミルベルトを含む各個別のレーンを拭う。
9. 毎日のセッションの終了時にトレッドミル運動スコアを割り当てることにより、運動セッション間で各ラットの運動能力を確かめる。ラットは補助なしで全体のトレーニングセッションを行使するとき4の訓練スコアを割り当てます。実験者から：ラットは（トレーニングセッションの時間の25％未満のための支援と定義される）最小限の支援を必要とするとき同様に、3の訓練スコアを割り当てます。エクササイズ中に実験者から：ラットは（トレーニングセッションの時間の25％より多くの支援と定義される）多くの支援を必要とするとき2の訓練スコアを割り当てます。最後に、準拠していないラットに1の訓練スコアを割り当て、運動セッションを完了することができない。
   NOTE：運動スコアリングシステムが適合されている、部分的には、他の研究¹⁹から。
   1. による不遵守および/ ​​または（ 例えば、これは順化訓練の複数の連続した日の1のトレッドミル運動トレーニングスコアを稼ぐラットを含む）行使科目を防ぐ傷害を順化フェーズを完了できないラットを除外します。
10. 各被験者の運動能力を決定するために、各トレーニング期間（ 例えば、順化トレーニングや運動トレーニング）を横切ってトレッドミルスコアを平均。すべてのラットは順応期間の終わりまでに、トレーニングセッション中に4のトレッドミル運動スコアを稼ぐことができることを確認してください。
    1. 一部のラットはトレーニングセッションを通して他の人によって維持トップ運動速度に準拠していない場合、それらは同じ時間が、研修を通じて遅い速度で運動し続けることができるように、これらのラットの速度を調整します。この場合、SEPARに遅いラットを訓練セッションを食べ、被験者が遅い速度に調整すると速度を上げる。
11. 彼らは後続の各運動セッションと異なるレーンに訓練されるように、トレッドミル運動トレーニング中にトレッドミル上のレーンバイアスの可能性を回避するために、トレッドミルの利用可能なレーンの中でそれぞれのラットを回転させる。

4。トレッドミル運動トレーニング

1. 最後の順化トレーニングセッションの翌日運動トレーニングセッションを開始し、12日間連続してラットを行使し続ける。動物のアクティブサイクルの間にこれらのセッションを実施し、明暗サイクル変化に1〜2時間前。
2. ステップ3.2および3.4​​で説明したように、順化訓練中に使用される各トレッドミル運動トレーニングセッションのために同じセットアップ手順に従ってください。
3. 各セッションの開始時に、throug維持されるトレーニング速度（9〜11メートル/分）よりも低く、ウォームアップ速度（8メートル/分）にトレッドミルをオンにする運動トレーニングセッションの残りハウト。セッションの開始時に5〜10分間、このウォームアップスピードに進みます。トレーニングセッションの残りの9〜11メートル/分の速度を調整します。列車は運動トレーニングの全12日間30分、各セッションの平均を施す。
4. 各エクササイズのトレーニングセッションの後、ステップ3.9で説明したのと同じ運動スコアリングシステムを用いて、運動群のすべてのラットにトレッドミル運動スコアを割り当てます。 nonexerciseラットにトレッドミル運動トレーニング期間中の訓練スコアを割り当てないでください。
5. 運動と個別にnonexerciseセッションを実施。彼らの運動コホートは、各セッションの間に訓練された、同じ期間中に静止したトレッドミル上non​​exerciseラットを置きます。
6. ステップ3.11で説明したように、彼らはその後の各運動セッションと異なるレーンに訓練されるように、トレッドミルの利用可能なレーンの中でそれぞれのラットを回転させる。
7. 一ラウンドが完了すると演習では、14日間の科目を休む。注：この休止期間は、 図2Aおよび2Bに記載のパイロット研究からの結果に基づいて選択した。
8. 必要に応じて、12日間のトレーニング期間の終了時に、さまざまな行動および/または神経化学的評価を行う。逆に、14日間の休止期間後の運動トレーニングのその後のラウンドに進みます。

結果

強制運動療法の3つの段階すべてでイベントのタイムラインの図は、いずれの実験的試験の前に取り扱い、毎日、明暗サイクルを逆転させることに加えて。 図1に示されており、被験者が座る順化訓練のステージ1されている3日間連続して5〜10分/日の静止トレッドミルで、強制的な運動療法へのコンプライアンスを高めるために実施された。これらの手順は、新規の環境に関連したストレスを最小限にするために、プロトコルに加え、彼らはすでに、固定装置に精通していた場合は、なるように被験者が移動トレッドミル上を歩くする傾向になる。 図1に概説これらの手順は、被験者の50％が以前にSprague Dawleyラットで実施し、強制運動レジメンに準拠していないあったBNFラットで実施したパイロットスタディ以下を用いた。この強制運動療法では、18ヶ月齢のSprague Dawleyラットであった15メートル/分（ 図2）までの速度で12日間連続して運動の30分を受けた被験対象。これらの予備的結果は、運動の1ラウンド（12日連続）が1週間の運動後に出て持続自発運動に対する運動のこ...

ディスカッション

アルツハイマー病およびPD ²⁰のような神経変性疾患を含めた慢性齢関連疾患およびその主症状、のリスクを低減することができる、そのような運動など生活習慣戦略を示唆する証拠がある。トレッドミル上の強制運動の利点は、実行中のホイールに自発的な運動とは対照的に、研究者は、周波数、速度、および/または運動の強度、および運動セッションの持続時間を決定することができるということです。したがって、このような自発運動の増加または認知能力のような特定の運動後の効果は、所与の投与計画の雇用以下の予測又は予想される。さらに、人間の状態に強制トレッドミル運動からの結果の翻訳は非常に可能性が高い。実際には、PD患者における最近の研究は、患者が、タンデム自転車トレーナーによって定め運動レジメンに準拠するとき、これらの患者はcomparisにおいて改善された運動スコアを示すことを実証する唯一自分のペース⁴で運動PD患者にログオン。

神経変性疾患の発生率は有意に高齢化とともに増加する。人間の状態への潜在的な結果を翻訳することを目指した研究を設計する際にこのように、年齢は重...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Exer-4 ラット用トレッドミル	Columbus Instruments	96157-2	コロンバスには、さまざまな数のレーンと代謝測定などの他のオプションを持つ動物用のさまざまなトレッドミルがあります
動物活動量計:Opto-Varimex 4-Auto Track	コロンバス・インスツルメンツ	0170-R4	コロンバスには、さまざまなアリーナサイズ、ビーム間隔、センサーを備えたアクティビティチャンバーのいくつかのオプションがあります