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방법 논문

비대칭 산책로 : 비대칭 로코 유학을위한 소설 행동 분석

8.6K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/52921

⸱

2016년 1월 15일

 ,  , 
1Neural Engineering Laboratory, Biomedical Research Center, West Virginia University School of Medicine

이 논문에서

요약

여기에서는 설치류의 정확한 스테핑을 정량화하는 프로토콜을 제시합니다. 피질 및 척추 중앙 패턴 생성기 신호는 방해받은 운동 중 정확한 발 배치에 필요합니다. 우리는 여기에서 정확한 스테핑 동작을 직접 검사하는 새로운 제한된 보행 작업을 보고합니다.

초록

행동 분석은 일반적으로 중추 신경계 (CNS)에서 감각 장애의 평가를 위해 사용된다. 설치류에서 전위의 적자를 정량화하기위한 가장 정교한 방법은 제약 보행 지상의 분 장애를 측정하는 것입니다 (예. 수동 BBB 점수 또는 자동 패션쇼). 그러나, 대뇌 피질의 입력은 척추 중앙 패턴 발생기 (CPG)에 의해 생성 된 기본 운동의 생성에 필요하지 않습니다. 따라서, 제약 도보 작업은 간접적으로 인해 모터 대뇌 피질의 손상에 전위의 적자를 테스트합니다. 이 연구에서 우리는 척추 소비재에 대뇌 피질의 입력을 평가하는 소설, 정확한 피트 배치 전위의 작업을 제안한다. 계측 PEG-방법은 lateralized 운동 적자를 모방 대칭 및 비대칭 전위의 작업을 부과하는 데 사용되었다. 우리는 현에 운동하는 동안 앞다리 자세 위상 특성의 20 %를 생산 변화의 등거리 간 보폭 길이에서 그 변화를 보여오류를 범 보폭. 또한, 우리는 비대칭 산책로가 대뇌 피질의 제어 신호에 의해 생성 된 행동 결과의 측정을 할 수 있음을 제안한다. 이러한 조치는 대뇌 피질의 손상 후 손상의 평가에 적합하다.

서론

살아남은 인구 후 뇌졸중 사망률은 모두 인간의 정량적 평가를위한 도전을 제기 신경 학적 손상 (1) 뇌졸중 동물 모델을 게시 총 모터 장애를 포함한다. 임상에서 이러한 모터의 손상은 환자의 대다수에 의해 나타나는 심각한보다는 적당한 손상에 더 민감 주관적인 기준을 사용하여 측정한다. 마찬가지로, 동물 후 부상 모터 동작의 이러한 주관적인 평가는 예를 들어,., 바소, 비티와 브레스 (BBB) ​​전위의 스케일 방법 2, 3, 일반적이다. 이러한 주관적인 평가 방법은 사족 동물 모델과 인간의 보행 재활 연구 사이의 번역을 돕고 있지만, 별도의 근육 그룹의 활동과 관련된 모터 적자의 세부 사항은 평가되지 않습니다. 또한, 뇌 혈관 사고의 모터 적자의 추정 원인으로 운동에 모터 대뇌 피질의 기여도의 평가,그들은 오픈 필드 선형 또는 도보 태스크에 의존로서 만, 간접적 아무리 자동화 신규 4,5- 양적 방법을 사용하여 얻을 수있다. 이러한 작업은 피질 기여를 필요로하지 않으며, 척수 신경 메커니즘, 즉, 신경 손상의 대부분의 동물 모델에서 절약되는 중앙 패턴 발생기 (CPG) 네트워크, 예 spinalized 동물 (6)에 의해 수행 될 수있다 -.. 8 . 이러한 척추 메커니즘에 필수적인 피질 기여 실험적 자세 조정 (9, 10)에 도달,뿐만 아니라 정확한 10 스테핑 예상 필요한 작업에 관여한다.

또한, 대부분의 신경 학적 손상이 비대칭; 예를 들면, 뇌졸중, 반 부전 마비를 유발, 즉 비대칭 보용 11 결과 본체의 일측에 약점 -. 14. 편마비 보행의 비대칭은 비대칭 spatiotempor에 의해 생성된다등 근육 활성화가 가장 크게 신근 관련 입각 기의 단축 및 마비 측에 15,16 단계 사이클의 굴근과 연관된 각기의 연장 각성. 이러한 경향은 아직 건강한 동물 또는 마비 된 운동 속도의 범위에서 탐색되지 않았다. 본 연구에서 우리는 각 단계에서의 사이클 시간의 함수로서 스윙 자세 또는 단계의 지속 시간과의 관계를 설명 위상 기간 (17)의 특성 분석을 채용. 얻어진 선형 회귀 모델이어서 상기 사지에 걸쳐 모든 비대칭 분석하여 설명 하였다.

우리는 정확한 스테핑 된 운동에 기초하여 태스크 네발 동물의 모터 시스템에 입력을 내림차순 피질의 활성을 평가하는 신규 한 저렴한 방법을보고한다. 이 작업은 보행 속도의 자연적인 범위에서 발 배치에 대한 요구를 부과함으로써 운동 피질에 도전하도록 설계되었습니다. 게다가, 피트 배치 요구 사항은 우선적으로 모터 시스템의 왼쪽이나 오른쪽에 도전하는 조작된다. 유사한 전위의 작업에서, 메츠 & (2009) Whishaw는 쥐에서 실패의 비율, 불규칙한 렁 산책로에 놓친 단계의 수를 조사했다. 우리의 방법이 선행 연구에 무료이며, "성공"의 위상 제어의 품질을 자세히 18 단계.

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프로토콜

다음 교육 패러다임 평균 성인 스프 라그 - 돌리 래트의 위상 조정의 분석을 이용한다. 본원에 기술 된 프로토콜가 기관 동물 관리 지침에 따라인지 확인하세요. 본 연구의 모든 과정은 의학의 웨스트 버지니아 대학에서 실험 동물 복지 (OLAW)에 대한 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC) 및 Office에 따라 수행과 실험의 사용을위한 건강 지침의 국립 연구소에 의해 준수했다 동물.

1. 장비 설치

  1. 알루미늄 보강 열린 정상 플라스틱 상자는 155cm X 104cm (그림 1) 측정 각 모서리에서 지원하는 비대칭 산책로를 구축합니다. 같은면에 각 연속 말뚝은 보폭을 정의 있도록 상자의 둘레를 따라, 다른 못에 배치 할 수 있도록 양쪽에 홈이 알루미늄 막대와 상자의 상단 모서리를 중괄호.
  2. 각면에 표시되는 조건을 분리 각 코너 (총 4 개)에 20cm X 20cm 플랫폼을 놓습니다. 이 거리는 쥐 단일 공정 사이클에 의해 횡단 거리에 포함시키기에 충분해야한다.
    1. 20cm X 1cm X 0.5 cm의 크기로 알루미늄 못을 사용합니다. 벤드는 각각의 상단은 발 위치 플랫폼을 생성하기 위해 끝에서 2.5 cm의 말뚝.
    2. 레벨 수평 위치를 확인하기 위해 같은 거리에있는 가공 된 구멍을 통해 내부 브래킷을 슬라이딩하여 홈 막대에 못을 고정합니다. 드라이버 및 통치자를 사용하여 위치를 조정합니다. 평균 쥐의 발 크기에 약 해당하는 1cm 못 폭을 사용; 신나 넓은 못이 중 불편하거나 발을 배치 변동성을 증가시킨다.
  3. 세 정확한 스텝 도전 조건 중 하나를 생산하기 위해 양쪽에있는 말뚝 배치를 조작 할 수 있습니다.
    1. 왼쪽 난을 설정하여 15cm의 보폭 (SL15)와 대칭 전위의 작업을 생산nter-보폭 길이 (L의 ISL)와 보폭 (7.5 cm)의 절반에 바로 간 보폭 (R의 ISL).
    2. 6.0 cm에 L의 ISL 및 R의 ISL 길이를 변경하여 추가 대칭 조건 (SL12)를 부과.
    3. 좌우측에 쐐기 사이의 거리를 변경함으로써 비대칭 태스크 생성, 간 보폭 불린다. 비대칭 모터 시스템에 도전하는, 짧은 간 보폭 길이 중 왼쪽 (L6R9 조건) 또는 오른쪽 (L9R6) 측을 부과하는 20 % L의 ISL 및 R의 ISL을 변경합니다. 1.5 CM 섭동은 6cm의 L의 ISL 및 L6R9의 상태에 9cm의 R의 ISL, 또는 9cm의 L의 ISL 및 L9R6 조건 6 cm의 R의 ISL을 부과
  4. 쥐를 들어, 기본 15cm에서 SL12을 제외한 모든 조건에 보폭을 유지합니다.
  5. 편의를 위해 산책로의 각 긴 팀의 왼쪽 또는 R를 선호하는 비대칭 조건을 할당피사체의 ight 측면, 대칭 제어 조건에 대해 두 개의 짧은면을 예약한다.
  6. 있도록 설치 적어도 60 Hz의 샘플링 레이트와 HD 카메라에 못 사지의 배치는 카메라가 약 7 단계를 덮는 시야와 통로에 수직으로 가리키는 방해물이다. 플랫폼에 근접의 첫 번째와 마지막 단계는 무시됩니다.

장치 2. 교육

  1. 예를 들어,., 실험실 쥐의 기본 Biomethodology에 NIH 훈련, 설치류의 일반적인 행동 훈련을했습니다 표준 교육 리소스를 사용하십시오.
  2. 훈련의 시작 부분에 배치하고 적어도 5 분 동안 20 × 20cm 플랫폼을 보상하여 과목을 적응. 그런 다음, 음식 보상의 표현하여 다음 플랫폼에 1cm 간 보폭으로 못 배열에서 동물을 안내합니다. 구두와 플랫폼에 도달하기위한 듬과 동물을 보상.
  3. AfteR 5 교육 실행, 공간 추가 1 페그 - 2 센티미터 간격 및 향후 5 교육 실행을 수행합니다. (- 35 단계 20) 본원에 나열된 반복 횟수는 적절한 통계적 샘플 크기를 생성하기에 충분하다.
    1. 동물이 더 느리게 스테핑 (NO 정지) 및 자세 (다시 아치)의 일관성에 의해 판단으로 작업을 취득하는 경우, (긴 걸음에 훈련을 재개하기 전에 짧은 보폭 길이 (S12)에서 이러한 기술의 강화에 대한 교육에 초점을 S15)은 결국 원하는 보폭 접근.
    2. 새로운 간격이 작업과 불안이나 불편 함을 유발하는 경우, 이전 설정으로 못을 재조정하고 교육 패러다임을 반복합니다.
    3. 적절한 간 보폭 길이가 네 가지 조건과 전위의 기준이 충족 달성 될 때까지이 교육을 진행합니다. 우리의 경험에 의하면, 쥐 실험을 시작하기위한 단서로 보컬 격려에 잘 반응. 훈련 규정 된 시험은 같은 날에 수행 할 수 있습니다피험자가 작업을 수행하기 위해 동기.
      참고 : 다음과 같이 전위의 기준은 다음과 같습니다 도보 일관성 및 중지하거나 잘못하면를 포함하지 않는다; 머리 왔 거든 최소한이다 뒷면은 아치형이며, 꼬리는 운동 중에 발생; 각 사지 명확하게 발병에 산책로의 직교 뷰에서 볼 수와 입각 기의 오프셋 (offset)입니다. 본 연구는 다른 gaiting 행동보다는 걷기에만 초점을 맞추고으로이 선택 과정이 필수적이다.

3. 시험 및 데이터 분석

  1. 무작위 세션 디자인을 사용 (1.3 장에서 설명) S12, S15, L9R6 및 L6R9 작업에 시험 동물. 작업 내에서 적응을 방지하기 위해 휴식을 사용합니다.
  2. 적어도 60 Hz의 샘플링 레이트를 갖는 HD 카메라와 기록 세션. 비디오 편집 소프트웨어로 다시 샘플링하고 추가 분석을 위해 단지 도보 복싱을 선택하지 않고 가져 오기 비디오 녹화.
  3. 마크는 온셋 및 운동 단계의 오프셋 (offset)각 과목에서 비디오 녹화에서.
  4. 여기서, 수동 자세 발병 시간을 식별하고 자세 발병이 On 사지 배치와 연관된 모션 블러의 손실에 의해 표시되는 프레임 단위의 각 수족에 대한 오프셋 매트랩 쓰여진 커스텀 소프트웨어라는 비디오 a a를 사용 사지 리프트 오프 (lift-off)의 시작에서 발생하는 오프셋 못하고, 자세는, 모션 블러의 첫 번째 증거로 표시됩니다.
  5. 두 개의 연속적인 운동 자세 온셋 사이에 남아있는 시간으로 스윙 단계의 기간을 계산합니다. 걸음 걸이가 진행에서 더블 스윙 단계 (지상 떨어져 두 앞다리 나 뒷다리)를 포함하는 경우 지상 네발 보행하지 일관성있는 동작을 제외 예., 분석한다.
  6. 대응 공정 사이클 시간의 함수로서 각 위상의 지속 시간 플롯. (Tphase가 = B1 + B2 * TC)이 Tc를 사이클 기간은 각 사지에 대해 얻어진 Tphase 전자 인 선형 회귀 모델과의 관계를 포착ither 테 신근 관련 입장 또는 Tf를, 굴곡 관련 스윙이고, B1 및 B2는 회귀 모형의 경험적 상수 (오프셋 및 경사)입니다.
    주 : 경사 (B2)는 운동의 속도의 변화와 위상 기간의 변화량을 나타낸다.
  7. 비대칭 지수를 계산하기 위해 각 사지 (AI)에 대한 식 (1)과 (2) (그림 2C)를 사용합니다. 두 방정식들은 합 두 값의 차이를 정규화 간단한 비율의 동일한 형태를 갖는다.
    1. 수학 식 1 사용 왼쪽 자세 변조 (L) 및 우측 (R)의 경사면 사지의 차이를 사용하여 수평 차이 (AI 용 H)를 계산한다. 마찬가지로, 앞 / 전방 (A) 및 후면 / 후방 (p) 사지에서 슬로프를 사용하여 수직 비대칭 (AI 용 V)를 계산한다. 이들 두 식을 적용한 결과는 <1에 대응하는 4 점의 XY) 앞다리 비대칭의 집합 인EM> AAI의 시간; 2) 사지의 비대칭, 파이의 시간; 3) 앞다리 - 뒷다리 비대칭 왼쪽, 라이 V; 4) 오른쪽 앞다리 - 뒷다리 비대칭, 라이 V.
    2. 모든 사지에서 비대칭의 시각적 표현에 대한 패치 (그림 2B)로이 값을 플롯.
  8. 계산 diagonality 지수 (DI)는 앞다리의 매개 변수와 그 반대측 사지 (식 3, 그림 2C) 사이의 대각선 커플 링을 평가합니다.
  9. 분석 수단 (19)의 사후 비교를 일방향 ANOVA를 이용하여 통계적 유의성에 대한 | - | (AIL6R9 AIL9R6 ΔAI =) DI뿐만 아니라 비대칭 대향 조건 네 활성 성분 사이의 차이를 시험

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결과

도 2는 하나의 피사체에 대한 대표적인 전위의 작업 중에 비대칭 분석을 보여준다. (- 400 (G),도 3 (250))의 값을 개별적으로 모든 주제에서 (도 2) 수학 식 1 및 2를 사용하는 모든 조건에 대해, 8 암컷 흰쥐의 합성 데이터로부터 계산 하였다. 일반적으로, 앞다리 자세 위상 변조는 바람직한 측면 (긴 ISL)에 입각 위상의 큰 부분을 점유하는 경향이 있다는 개념과 일치 운동 조건이 선호 된 사이드 (짧은 ISL)을위한 덜했다 식 이동 속도의 감소와 같은 선호 사지에 비해 공정 사이클.

조건 L9R6 및 L6R9 (ΔAI)에서 얻은 해당 비대칭 지수의 차이는 conservativ과 일원 분산 분석 (α = 0.05), 사후의 T-시험으로 시험 하였다

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토론

이 연구의 이론적 근거는 비대칭 운동 행동의 정확한 제어에 대한 변화를 정량적으로 평가하는 행동 과제를 개발하는 것이었습니다. 척추 CPG의 존재는 한동안 기능적으로 입증되었지만20, 하강 또는 감각 피드백 경로로부터의 조절 입력뿐만 아니라 그 메커니즘을 설명하는 해부학적 및 기능적 특성은 지난 10년까지 특성화되지 않았습니다6,21,22. 현재의 합의는 내재된 척추, 감각 피드백 및 하강 명령이 운동 행동 생성에 긴밀하게 통합된다는 것입니다1

본원에 제시된 비대칭 정밀 발 배치 작업은 피질 입력을 필요로 하는 것으로 알려진 스테핑의 손재주 비대칭 제어를 담당하는 제어 시스템에 기능적으로 도전하도록 설계되었습니다23,24. 이 성능은 하행 피질 및 뇌간 제어에 덜 의존하는 대칭 작업과 관련하여 평가되었습니다. 따라서 우리는 척추 및 하행 경로의 기여를 식별할 수 있는 기회를 갖게 됩니다. 운동 피질은 ...

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공개 사항

저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

크리스 프랭클린, 아만다 폴라드, 저스틴 셰퍼는 동물 훈련과 데이터 수집을 도왔습니다. 사라 프리먼(Sarah Freeman)과 알리사 이바노바(Alisa Ivanova)는 데이터 분석에 기여했습니다. 이 연구는 WVU School of Medicine Start-Up, NIH/NIGMS U54GM104942 및 NIH CoBRE P20GM109098의 지원을 받습니다.

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재료

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