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방법 논문

사회적 고립을 최소화하는 자발적 바퀴 달리기 프로토콜을 사용하여 마우스의 개별 달리기 메트릭 추적

1.5K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/67960

⸱

2025년 4월 18일

 ,  ,  , 
1Department of Biological & Biomedical Sciences, College of Science & Mathematics, Rowan University

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 다양한 연구 맥락에서 구현할 수 있는 효과적인 자발적 수레바퀴 달리기 모델을 설명합니다. 다른 자발적 달리기 모델과 달리, 이 방법은 개별 마우스의 달리기 지표를 추적하면서 격리 하우징을 피합니다.

초록

설치류의 VWR(Voluntary Wheel running)은 성능과 지구력을 평가하고 운동을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 적극적인 움직임을 유도하기 위해 혐오적 자극을 필요로 하는 다른 운동 패러다임과 달리, 바퀴 달리기는 자발적입니다. VWR은 일반적으로 마우스 홈 케이지 내부에 러닝 휠을 배치하는 것으로 구성됩니다. 그러나 운동 매개변수 분석은 일반적으로 마우스가 개별적으로 수용된 경우에만 수행될 수 있는 반면, 전반적인 케이지 효과는 마우스가 그룹 수용될 때 보고할 수 있습니다. 따라서 현재 모델은 실험자가 단일 수용 마우스에서 개별 운동 매개변수를 측정하는 것과 그룹 수용 마우스에서 그룹 효과를 측정하는 것 중에서 선택하도록 강요합니다. 연구 질문과 모델에 따라 이는 제한될 수 있습니다.

따라서 이 방법의 목표는 최소한의 격리로 개별 마우스의 실행 매개변수를 정량화하여 마우스 모델에서 VWR을 평가하는 프로토콜을 시연하는 것입니다. 장치 설계, 수술 전 준비 및 실험 설정에 대해 보고합니다. 이 VWR 모델을 사용한 6주간의 훈련 프로토콜 결과는 운동의 임상적 효과에 필적하는 공간 물체 인식 기억을 증가시키기에 충분한 자극을 제공한다는 것을 시사합니다. 이 간단하고 저렴한 모델은 바퀴 활동의 여러 측정에 대한 VWR의 영향에 대한 조사를 용이하게 하여 실험 결과를 제한하거나 영향을 미칠 수 있는 요인을 최소화합니다.

서론

운동은 생리적, 심리적 건강에 유익한 영향을 미치고 수많은 질병의 병태 생리학을 향상시킬 수 있습니다1. 신체 활동은 건강 수명에 매우 중요하며, 세계보건기구(WHO)는 2020년에 신체 활동을 늘리면 심리적 장애를 포함한 수많은 질병의 위험이 감소한다고 보고했습니다2. 질병 예방 외에도 운동은 혈류를 자극하여 뇌 기능을 향상시킬 수 있습니다3, 특히 학습 및 기억의 핵심 뇌 영역인 해마4, 호르몬 조절5 및 뇌 유래 신경 영양 인자 수준 증가를 통한 시냅스 가소성6. 이러한 메커니즘을 통해 운동은 인지 기능과 기억력을 향상시킬 수 있습니다7,8,9. 엔돌핀 분비10, 코르티솔 감소11, 수면의 질 개선12, 신경 염증 억제13 등 운동이 촉진하는 추가적인 신경생물학적 메커니즘은 정신 건강을 지원합니다. 우리는 이전에
자발적인 운동이 수컷 및 암컷 마우스에서 만성 스트레스 및 불안과 같은 행동에 대한 회복력을 촉진할 수 있음을 보여주었습니다14. 신체 활동이 질병의 결과를 개선하고 정신 건강을 증진한다는 증거는 운동의 예방 및 치료 가능성에 대한 이해를 높이는 것을 포함하여 신체 활동을 장려하는 전략의 필요성을 강조합니다.

운동이 생물학적 기능에 미치는 영향을 연구하는 한 가지 방법은 설치류 운동 모델을 사용하는 것입니다. 이러한 모델은 심박출량을 증가시키고 운동 강도와 빈도에 따라 다양한 수준으로 젖산 생성을 유도하는 데 효과적입니다. 운동의 치료 효과를 연구하는 데 사용되는 일반적인 모델에는 수영, 트레드밀 훈련 및 고강도 인터벌 트레이닝15이 포함됩니다. 그러나 일부 모델의 단점은 비자발적이거나 강제적인 운동으로 스트레스가 많은 경험이 될 수 있습니다. 예를 들어, 생쥐가 모델 뇌허혈 손상에서 러닝머신 달리기를 받았을 때, 야외 테스트에서 불안과 같은 행동 증가, 코르티코스테론 수치 증가, 신경 손상 또는 사이토카인 수치 증가가 보고되었습니다16. 또는 VWR을 포함한 자발적 운동 모델은 잠재적으로 스트레스가 많은 경험을 피할 수 있으므로 설치류가 컨디셔닝이나 강화 없이 자유롭게 달릴 수 있습니다17. VWR은 일반적으로 4-5 마리의 마우스 또는 단일 하우스 마우스의 케이지를 수용하는 케이지의 러닝 휠에 대한 지속적인 액세스를 제공하여 수행됩니다. 따라서 VWR은 실험자의 부정적인 자극이나 직접적인 개입을 필요로 하지 않고 대처 메커니즘이나 농축 경험을 제공할 수 있기 때문에 스트레스가 없는 조건을 제공합니다18,19,20.

이 방법의 목표는 최소한의 격리로 개별 실행 메트릭을 추적할 수 있는 간단하고 저렴한 VWR 프로토콜을 제안하는 것입니다. 마우스는 장기간의 사회적 고립을 피하기 위해 그룹 하우스를 사용하며, 러닝 아레나에서 마우스를 하루 2시간 동안만 격리하여 개별 마우스에 대한 실행 매개변수를 기록합니다. 6주 동안 진행된 VWR 모델에 대한 세부 정보는 10대의 C57BL/6 마우스가 하루 2시간 동안 주행 휠에 접근할 수 있었고 10대의 C57BL/6 마우스는 잠긴 휠에 접근할 수 있었습니다. 그 결과, 이 VWR 프로토콜은 최소한의 격리로 개별 달리기 매개변수를 성공적으로 추적하고 공간 객체 인식 테스트(SORT)에서 해마 유도 공간 기억에 대한 운동의 유익한 효과를 중재할 수 있음을 확인했습니다.

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프로토콜

모든 실험 절차는 Rowan University의 동물실험윤리위원회(Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다. 연구 시작 시 수컷 마우스의 체중은 20 g에서 27 g 사이였으며, 연령은 8-10주였습니다. 마우스는 조절된 환경(12:12시간 명/암 주기)에서 4마리씩 그룹으로 사육되었으며, 먹이와 물은 ad libitum 으로 자유롭게 섭취할 수 있도록 하였습니다.

1. 휠 설정

  1. 각 바퀴의 외측 중간 둘레에 자석 하나를 접착합니다. 이 자석은 속도계의 센서에 의해 감지되어 VWR을 모니터링하는 데 사용됩니다 (그림 1A).
  2. 바퀴의 반대편에 자석과 무게가 비슷한 물체(동전)를 접착하여 균형을 맞추고, 자석의 무게로 인해 원치 않는 회전이 발생하는 것을 방지합니다.
  3. 속도계와 바퀴를 위한 스테이지를 제작합니다. 흰색 폼 보드를 사용하여 바퀴 바닥면과 보완적인 모양으로 조각을 자른 후, 이를 바닥면에 테이프로 고정합니다 (그림 1B).
  4. 속도계에 새 배터리 세트를 삽입한 후, 바퀴의 외측 둘레를 측정하여 초기 프로그래밍 중에 바퀴 크기를 설정합니다.
  5. 속도계 센서를 플랫폼에 부착합니다. 움직임이 적절하게 기록될 수 있도록 속도계 센서가 바퀴의 자석과 평행하게 배치되었는지 확인합니다 (그림 1C). 자석이 센서를 통과할 때마다 1회전으로 계산됩니다.
  6. 생쥐가 전선을 갉는 것을 방지하기 위해 센서와 전선을 덕트 테이프로 감쌉니다 (그림 1D).

정적 평형 개념, 자이로스코프 설정, 배터리 전원, 회전 운동 시연.
그림 1: 러닝 휠 장치 설정. (A) 휠의 외측 가장자리 반대편에 부착된 자석과 동전(빨간색 화살표). (B)속도계 센서의 스테이지로 사용되는 폼 보드 제작 플랫폼(빨간색 화살표). (C) 플랫폼 위의 속도계 센서(빨간색 화살표); (D) 테이프로 고정된 센서(빨간색 화살표) 및 최종 휠 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 장치 설정

  1. 행동 실험 장치를 활용하며, 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) 크기의 상자를 4개의 구역으로 나누어 네 마리의 생쥐를 동시에 개별적으로 테스트합니다.
    1. 다음 치수에 따라 두 개의 흰색 폼 보드 조각을 절단합니다: L 30 cm, W 40 cm (그림 2A).
    2. 폼 보드의 40 cm 너비 면 중앙에 20 cm 깊이로 절단하여 두 폼 보드가 서로 교차할 수 있게 합니다.
    3. 그룹 간 세척을 용이하게 하기 위해 폼 보드를 방수 접착지로 덮습니다.
    4. 두 개의 교차하는 폼 보드를 사용하여 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) 상자를 4개의 구역(20 cm x 20 cm x 30 cm (h))으로 나눕니다 (그림 2B).
  2. 준비된 휠(위의 휠 설정 확인)을 각 구역의 모서리에 하나씩 배치하고 전선을 벽면에 테이프로 고정합니다. 투명 Perspex 장치 측면에 속도계를 테이프로 부착합니다 (그림 2C).

정적 평형; ΣFx=0; 장치 정렬 및 구조적 배치를 보여주는 기계적 안정성 테스트 설정.
그림 2장치 설정. (A) 폼 보드를 절단하고 테이프로 고정합니다. (B) 4개의 사분면으로 나뉜 퍼스펙스(Perspex) 장치; (C) 한 개의 바퀴를 사분면의 구석에 배치하고 속도계 와이어를 벽에 테이프로 고정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

3. VWR

참고: 속도계 지표 외에도, 추가적인 행동 추적 정보를 제공하기 위해 행동 추적 소프트웨어인 ANY-maze 행동 추적 시스템을 활용하였습니다.

  1. VWR 세션을 매일 명기(light-phase)의 동일한 시간(오전 9시부터 11시까지)에 수행합니다. 비운동군 생쥐는 2시간 동안 동일한 아레나에 배치하되, 휠을 잠근 상태로 둡니다. 휠의 회전 중심을 고정하여 회전하지 못하도록 핫글루를 사용하여 휠을 고정합니다.
  2. 생쥐를 VWR 룸에 배치하여 30-60분 동안 적응시킵니다.
  3. 모든 속도계를 리셋합니다.
  4. 각 생쥐를 쿼드런트 구석에 배치하여 2시간 동안 자유롭게 달리게 합니다.
  5. 2시간 후, 생쥐를 원래의 홈 케이지로 되돌리고 속도계 데이터를 기록합니다.
  6. 두 그룹 사이에 아레나와 휠을 70% ethanol로 세척합니다.

4. 정렬(SORT)

참고: 5주간의 VWR 종료 후, 발표된 프로토콜21에 따라 운동이 해마 기능을 개선했는지 테스트하기 위해 SORT를 수행하였습니다.

  1. 주변 조명이 있는 방의 명기(light phase) 동안 순화 세션과 SORT를 수행합니다. SORT 하루 전에 순화 세션을 진행하며, 이때 마우스를 개별 케이지로 옮겨 테스트 룸에서 최소 30분 동안 적응시킵니다.
    1. 아레나의 모서리 중 하나를 "방출 모서리"로 지정하고, 모든 마우스가 방출 모서리를 향하도록 배치하여 6분 동안 아레나를 자유롭게 탐색하게 합니다. 마우스를 개별 케이지로 돌려보낸 후 70% 에탄올로 아레나를 세척합니다.
  2. 단계 4.1.1을 2회 반복하여 각 마우스가 총 3회의 순화 세션을 거치도록 합니다. 순화 세션이 완료되면 모든 마우스를 홈 케이지로 돌려보냅니다.
  3. 24시간 후, 마우스를 테스트 룸으로 다시 옮기고 테스트 전 30-60분 동안 개별 케이지에서 순화하도록 합니다.
  4. 두 개의 서로 다른 물체를 방출 모서리가 아닌 두 모서리로부터 각각 6 x 6 cm 떨어진 곳에 상쇄 균형(counterbalanced) 방식으로 고정합니다.
  5. 각 마우스를 방출 모서리를 향하게 배치하여 10분 동안 물체를 자유롭게 탐색하게 합니다. 마우스를 개별 케이지로 20분 동안 돌려보내고, 70% 에탄올로 물체와 아레나를 세척합니다.
  6. 다른 물체의 위치는 변경하지 않은 채, 두 물체 중 하나를 옮겨 방출 모서리가 아닌 새로운 모서리로부터 6 x 6 cm 떨어진 곳에 고정합니다.
  7. 각 마우스를 방출 모서리를 향하게 배치하여 10분 동안 물체를 자유롭게 탐색하게 한 뒤 홈 케이지로 돌려보냅니다. 자동화 소프트웨어를 사용하여 이 테스트를 기록함으로써 물체당 탐색 시간을 측정하고, 다음과 같이 탐색 시간 백분율을 계산합니다:
    % 탐색 시간 = 행동 실험을 위한 신규성 선호도 계산 공식, 시간 비율 분석을 보여줌

5. 통계 분석

  1. 모든 데이터는 평균 ± SEM으로 표시하십시오.
  2. 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 통계 분석을 수행하며, 유의 수준은 p ≤ 0.05로 설정하십시오. SORT 결과는 Student's T-test를 사용하여 분석하십시오.

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결과

본 연구에서는 20마리의 C57BL/6 수컷 마우스를 운동하지 않는 그룹(NO-EX) 또는 6주 동안 운동하는 그룹(VWR)의 두 그룹 중 하나에 무작위로 배정하였습니다. 개별 러닝 파라미터를 속도계로 매일 기록하여 ± SEM으로 아래에 도식화하였습니다(그림 3A-C). 6주 동안 마우스는 2주 차에 가장 활발했으며, 이 기간 동안 휠 위에서 평균 2,135.87 ± 351.14 s를 보냈고, 2.25 ± 0.14 km/h의 속도로 1.16 ± 0.25 km의 거리를 이동하였습니다. 반면, VWR 파라미터가 가장 낮게 나타난 때는 6주 차로, 평균 시간은 1,136.48 ± 136.61 s, 평균 거리는 0.56 ± 0.08 km, 평균 속도는 2.21 ± 0.14 km/h였습니다. 5주간의 VWR 이후, 운동이 해마 기능에 미치는 이점이 실제로 전이되는지 이 프로토콜의 효과를 테스트하기 위해 SORT를 수행하였습니다. SORT 결과, 물체의 새...

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토론

연구자들은 자발적이고 강제 달리기 패러다임을 포함하여 설치류에 대한 신체 활동과 그 효과를 평가하기 위해 다양한 운동 패러다임을 사용합니다. 강제 운동 패러다임과 비교하여 VWR은 마우스가 더 낮은 강도로 자유롭게 달릴 수 있도록 하여 스트레스가 많은 조건을 최소화합니다22. 현재 연구자들은 개별 마우스를 단일 수용하여 운동 매개변수를 수집하거나 23,24,25,26,27,28,29,30,31을 집단 수용 마우스의 전체 케이지 운동 매개변수를 기록할 수 있습니다.

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공개 사항

저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
ANY-box 5-행동 테스트 시스템도둑질65000
https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838 자전거 컴퓨터 자전거 유선 속도계 및 주행 거리계IPSXP N/A거리, 시간, 속도를 측정하는 모든 유선 속도계는 작동할 수 있습니다
. 투명 접착 보호 라이너 Con-Tact 브랜드N/Ahttps://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c
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Pro Mag 네오디뮴 자석응용 자석ND018-6다른 자석을 선택하는 경우, 검열관이 감지할 수 있을 만큼 충분히 강한지 확인하십시오.
사일런트 스피너 소형 동물 운동 바퀴 (미니 11.4 cm)KayteeSKU# 100079369https://www.kaytee.com/all-products/ 소형 동물/사일런트 스피너 휠
화이트 폼 보드Pacon5553https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html

참고문헌

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