バランスとコーディネーションをテスト

バランスと運動協調は、動きの制御に関与する重要な要素です。私たちは現在、さまざまな活動を行いながらバランスを保つのに役立つ多数の感覚および処理システムの基本的なメカニズムを理解しています。私たちの利点として、マウスなどの実験動物は、バランスと運動協調を維持するために同様のシステムを使用しています。したがって、科学者はマウスを使用して、さまざまな生理学的条件をモデル化し、バランステストと運動協調テストでその効果を観察できます。

このビデオでは、バランスと協調の背後にある神経生理学について簡単に説明し、次に最も一般的に使用される行動テスト、つまりロータロッドと平均ビームの一般的なプロトコルについて説明します。最後に、これらの行動パラダイムを使用して実施されている現在の実験をいくつか紹介します。

行動テストのプロトコルを掘り下げる前に、バランスと運動協調を決定する神経生理学的入力と処理単位を見てみましょう。

視覚的な手がかりと、空間における私たちの体の位置の生来の感覚(固有受容感覚とも呼ばれる)が組み合わさり、私たちのバランスを決定する主要な感覚入力です。この現象に関与する受容体は固有受容器と呼ばれ、筋肉や関節に見られ、私たちの身体状態に関する情報を中枢神経系に提供しています。この情報は、内耳に収容されている前庭系からの入力と組み合わされて、残りの「固有受容感覚」を構成します。前庭系は、膨大部で覆われた3つの半円形の管で構成されており、これらをまとめて運河として知られています。これらの管内に含まれているのは、内リンパと呼ばれる液体です。各管の膨大部内にあるキュープラと呼ばれる特殊な構造には、繊毛を生成する有毛細胞が含まれています。内リンパを動かすことによって曲げられ、その情報を脳幹にある前庭核に伝達するのは、これらの繊毛です。脳幹では、目、関節、および前庭系からの入力が分類され、優先順位が付けられます。

最後に、これらすべての感覚入力は小脳に移動し、小脳は無意識のうちに固有受容感覚と視覚情報を調整して運動コマンドを微調整し、筋肉の精度と協調性を高めます。バランスと協調の神経学的基礎については多くのことが発見されていますが、科学者たちはまださまざまな運動障害の病態生理学を理解しようとしています。そのために研究者が使用しているツールの1つが、バランスと協調性を調べるげっ歯類の行動テストです。

この現象に対して最も一般的に使用されるテストであるロータリーロッドについて説明しましょう。

ロータロッド装置は3つのコンポーネントで構成されています。まず、さまざまなサイズで提供される回転式ダボです。第二に、分割されたレーン:装置は、研究者が一度に最大5匹の動物を試験できるように複数のレーンで構成されている場合もあれば、一度に1匹の動物を試験するための1つのレーンだけで構成されている場合もあります。第三に、各レーンの下にあるプラットフォームは、動物が回転するダボから落ちた場合に安全な着陸ゾーンを提供します。より最新の機器では、これらのプラットフォームは動物の落下を感知し、「落下時間」を自動的に記録できます。

トレーニングや実験の前に、順応期間を設けることで、動物が試験前に落ち着いた状態にあることを確認します。トレーニングセッションでは、動物は加速するロータリード上を数日間にわたって1日数回歩き、動物の平均「落下時間」が横ばいになり始めた時点で完了したと見なされます。最初は、動物をダボに乗せている間、ロータリーを低速に設定し、その後、回転を徐々に最大速度まで上げます。マウスはトレーニングの実行の合間に休ませ、その間は装置を徹底的に清掃する必要があります。

トレーニング後、薬物治療、外科的に誘発された病変、またはその他の身体的操作などの実験的介入を行うことができます。テストでは、ダボの速度を徐々に上げ、データを「落下時間」として記録するトレーニングセッションと同じプロトコルに従います。最大試験時間は、動物に過度の負担をかけないように定義する必要があります。各マウスの「落下時間」は記録され、実験ごとに異なる試行回数で平均化されます。

バランスと協調をテストする2番目の一般的な行動アッセイは、ビームを使用します。平均ビームには、単純なビーム、複雑なビーム、傾斜ビームなど、さまざまな種類がありますが、基本的なセットアップは、テーブルや表面から50〜100cm上に吊り下げられた長さ1メートルのビームで構成されています。モーションセンサーまたはビデオレコーダーは、動物のビームトラバーサル時間を測定するために存在します。終点に配置されたネスティング材料を含む密閉されたボックスはマウスの引力として機能し、始点の照明は嫌悪刺激として機能します。

平均台でのトレーニングは、通常、数日間にわたって1日最大3回行われます。トレーニングは、ビームの平均トラバーサル時間が横ばいになり始めるまで続きます。ただし、オーバートレーニングは、失速やビームのオン化の増加につながる可能性があります。実験的な変調に続いて、テストフェーズが始まり、データは「トラバースする時間」として記録されます。通常、結果は、試験された動物が停止しなかったか、または突っ込む必要がなかった少なくとも2回の交差を平均することによって得られます。

さて、一般的に採用されている行動テストの実験的な設定を見てきたので、これらの方法の具体的な応用例をいくつか見てみましょう。

老化は正常な生物学的プロセスであり、その結果の1つは、有毛細胞が生成する繊毛が少なくなり、また死に始めるため、前庭系が劣化することです。この結果、バランスが崩れ、高齢者の転倒が増加する可能性があります。この実験では、さまざまな年齢のマウスが前庭チャレンジを行い、ローテーターで20秒間回転させ、その直後に傾斜したビームを横切るように求めました。研究者たちは、高齢のマウスは若いマウスよりも前庭チャレンジの影響を劇的に受けることを観察しました。

ロタロッドテストは、総運動障害や疲労抵抗性の研究に有用であり、筋ジストロフィーなどの疾患の研究に最適です。筋ジストロフィーの特徴は、筋肉の損傷であり、最終的には可動性、協調性、バランスの欠損につながります。この実験では、研究者は野生型マウスと筋ジストロフィーのマウスモデルの間でロータロッドの実行時間を比較しました。

パーキンソン病は、黒質のドーパミン作動性ニューロンの死を特徴とし、しばしば運動障害と協調性の喪失を呈します。この実験では、挑戦的なビーム試験が行われました。野生型マウスを遺伝子改変パーキンソン病モデルと比較すると、パーキンソン病マウスではステップあたりの誤差が増加し、ビーム幅あたりの誤差が増加していることが観察されました。

JoVEのバランステストとコーディネーションテストに関するビデオをご覧になりました。このビデオでは、バランスと協調の神経相関、バランスをテストするためのいくつかの優れた方法、そして最後に、今日の神経科学研究室でのこれらの行動テストのいくつかの適用について説明しました。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!