Methodenartikel

Individuele hardloopstatistieken bij muizen volgen met behulp van een vrijwillig wielloopsprotocol dat sociale isolatie minimaliseert

DOI:

10.3791/67960

⸱

18 april 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol beschrijft een effectief vrijwillig wielloopmodel dat in verschillende onderzoekscontexten kan worden geïmplementeerd. In tegenstelling tot andere vrijwillige loopmodellen, vermijdt deze methode isolatiehuisvesting terwijl het loopmetingen bij individuele muizen bijhoudt.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Vrijwillig wiellopen (VWR) bij knaagdieren wordt gebruikt om prestaties en uithoudingsvermogen te evalueren en om lichaamsbeweging te simuleren. In tegenstelling tot andere oefenparadigma's die een aversieve stimulus vereisen om actieve beweging te induceren, is wiellopen vrijwillig. VWR bestaat over het algemeen uit het plaatsen van een loopwiel in de kooicage van de muis. Het analyseren van oefenparameters kan echter meestal alleen worden uitgevoerd wanneer muizen individueel worden gehuisvest, terwijl algemene kooieffecten kunnen worden gerapporteerd wanneer muizen in groepen worden gehuisvest. Daarom dwingen de huidige modellen onderzoekers ertoe te kiezen tussen het meten van individuele oefenparameters bij muizen die individueel worden gehuisvest of het meten van groepseffecten bij muizen die in groepen worden gehuisvest; afhankelijk van de onderzoeksvraag en het model, kan dit beperkend zijn.

Daarom is het doel van deze methode om een protocol te demonstreren dat VWR in een muismodel beoordeelt door het kwantificeren van loopparameters bij individuele muizen, met minimale isolatie. We rapporteren over apparaatontwerp, preoperatieve voorbereidingen en experimentele opstelling. Resultaten van een trainingsprotocol van 6 weken met behulp van dit VWR-model suggereren dat het voldoende stimulans biedt om ruimtelijk objectherkenningsgeheugen te verhogen, vergelijkbaar met het klinische effect van lichaamsbeweging. Dit eenvoudige en goedkope model vergemakkelijkt het onderzoek naar het effect van VWR op meerdere metingen van wielactiviteit, waardoor factoren worden geminimaliseerd die experimentele resultaten kunnen beperken of beïnvloeden.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oefening heeft een gunstige invloed op de fysiologische en psychologische gezondheid en kan de pathofysiologie van talrijke ziekten verbeteren1. Lichamelijke activiteit is van cruciaal belang voor de gezondheidsduur, en de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) meldde in 2020 dat het verhogen van de lichaamsbeweging het risico op talrijke ziekten vermindert, inclusief psychische stoornissen2. Naast ziektepreventie kan oefening de hersenfunctie verbeteren door de bloedstroom te stimuleren3, neurogenese te induceren, met name in de hippocampus4, een belangrijke hersenregio voor leren en geheugen, hormonale regulatie5 en synaptische plasticiteit door het verhogen van de niveaus van hersenafhankelijke neurotrofe factoren6. Door deze mechanismen kan oefening de cognitieve functie en het geheugen verbeteren7,8,9. Aanvullende neurobiologische mechanismen die door oefening worden bevorderd, ondersteunen de geestelijke gezondheid, inclusief endorfine-afgifte10, cortisolreductie11, verbeterde slaapkwaliteit12 en remming van neuro-inflammatie13. We hebben eerder
aangetoond dat vrijwillige oefening veerkracht tegen chronische stress en angstachtig gedrag bij mannelijke en vrouwelijke muizen kan bevorderen14. Het bewijs voor fysieke activiteit die de resultaten bij ziekten verbetert, gecombineerd met het bevorderen van geestelijke gezondheid, benadrukt de noodzaak van strategieën om lichamelijke activiteit aan te moedigen, inclusief het vergroten van ons begrip van het preventieve en therapeutische potentieel van oefening.

Een methode om de effecten van oefening op biologische functie te bestuderen is het gebruik van knaagdiermodellen van oefening. Deze modellen zijn effectief in het verhogen van de cardiale output en het induceren van lactaatproductie tot verschillende niveaus, afhankelijk van de intensiteit en frequentie van de oefening. Veelgebruikte modellen om het therapeutische effect van oefening te bestuderen zijn zwemmen, loopbandtraining en hoog-intensieve intervaltraining15. Een nadeel van sommige modellen is echter onvrijwillige of gedwongen oefening, wat een stressvolle ervaring kan zijn. Wanneer muizen bijvoorbeeld worden onderworpen aan loopbandrennen in een model voor hersenischemie-letsel, zijn verhoogd angstachtig gedrag in de open veldtest, verhoogde corticosteronniveaus, neuronale schade of verhoogde cytokineniveaus gemeld16. Alternatief kunnen vrijwillige oefeningmodellen, inclusief VWR, de potentieel stressvolle ervaring vermijden, waardoor knaagdieren vrij kunnen rennen, zonder de noodzaak van conditionering of versterking17. VWR wordt meestal uitgevoerd door continu toegang te bieden tot een loopwiel in een kooi met 4-5 muizen of kooitjes met enkelgehuisde muizen. Daarom biedt VWR niet-stressvolle omstandigheden, omdat het geen negatieve stimulus of directe tussenkomst van de onderzoeker vereist en kan het een copingmechanisme of verrijkingservaring bieden18,19,20.

Het doel van deze methode is om een eenvoudig en goedkoop VWR-protocol voor te stellen dat het volgen van individuele loopmetrieken met minimale isolatie mogelijk maakt. Muizen worden in groep gehuisvest om langdurige sociale isolatie te voorkomen, en loopparameters worden voor individuele muizen opgenomen door muizen 2 uur per dag in een looparena te isoleren. Details worden gegeven voor een 6 weken durend VWR-model waarbij 10 C57BL/6 muizen 2 uur per dag toegang hadden tot loopwielen, terwijl 10 C57BL/6 muizen toegang hadden tot vergrendelde wielen. Resultaten bevestigden dat dit VWR-protocol succesvol individuele loopparameters kon volgen met minimale isolatie en de gunstige effecten van oefening op de hippocampale ruimtelijke geheugenherkenning in de ruimtelijke objectherkenningstest (SORT) kon bemiddelen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle experimentele procedures werden goedgekeurd door het Animal Care and Use Committee van Rowan University. Mannelijke muizen wogen tussen de 20 g en 27 g en waren 8-10 weken oud bij het begin van de studie. Muizen werden in groepen van 4 gehuisvest, in een gecontroleerde omgeving (12:12 uur licht/donker cyclus) met ad libitum toegang tot voedsel en water.

1. Wiel setup

  1. Lijm op de buitenste middelste omtrek van elk wiel een magneet. Deze magneet zal worden gedetecteerd door de censor van de snelheidsmeter om VWR te controleren (Figuur 1A).
  2. Op de tegenovergestelde kant van het wiel, lijm een object van vergelijkbaar gewicht als de magneet (een munt) om ongewenste rotatie tegen te gaan vanwege het gewicht van de magneet.
  3. Maak een podium voor de snelheidsmeter en het wiel. Gebruik een wit schuimbord, knip een stuk van een complementaire vorm naar de basis van het wiel en plak het op de basis (Figuur 1B).
  4. Na het inbrengen van een verse set batterijen in de snelheidsmeter, stel de wielgrootte in tijdens de initiële programmering door de buitenste omtrek van het wiel te meten.
  5. Bevestig de censor van de snelheidsmeter op het platform. Zorg ervoor dat de censor van de snelheidsmeter parallel aan de magneet van het wiel wordt geplaatst om een goede registratie van beweging mogelijk te maken (Figuur 1C). Elke keer dat de magneet de sensor passeert, telt dit als één omwenteling.
  6. Wickel de censor en draad af met duct tape om te voorkomen dat muizen aan de draad knagen (Figuur 1D).

Experiment met rotatiedynamiek met verschillende setups A-D met apparatuur en sensorplaatsingen.
Figuur 1: Setup van het draaimolenapparaat. (A) Een magneet en een munt die zijn vastgelijmd (rode pijl) aan tegenovergestelde zijden van de buitenrand van het wiel. (B) Een platform van schuimbord (rode pijl) gebruikt als podium voor de censor van de snelheidsmeter. (C) Censor van de snelheidsmeter op het platform (rode pijl); (D) Geplakt sensor (rode pijl) en gefinaliseerde wielsetup. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Apparaatopstelling

  1. Gebruik het gedragsapparaat en verdeel de 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) doos in vier kwadranten om vier muizen tegelijkertijd te testen.
    1. Snijd twee witte schuimbordstukken op basis van de volgende afmetingen: L 30 cm, B 40 cm (Figuur 2A).
    2. Maak in het midden van de 40 cm brede kant van het schuimbord een snede van 20 cm om de kruising van twee schuimbordstukken mogelijk te maken.
    3. Bedek het schuimbord met waterdicht plakpapier om gemakkelijk schoon te maken tussen groepen.
    4. Verdeel de 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) doos in vier kwadranten (20 cm x 20 cm x 30 cm (h) met behulp van twee kruisende schuimbordstukken (Figuur 2B).
  2. Plaats een voorbereid wiel (controleer de wielopstelling hierboven) in de hoek van elk kwadrant en plak de draad op de muur. Plak snelheidsmeters op de zijkant van het doorzichtige Perspex apparaat (Figuur 2C).

Hydrodynamisch onderzoeksopstelling met kamer, partitiesamenstelling, luchtstroomsysteem, vloeistofdynamicaanalyse.
Figuur 2: Apparaatopstelling. (A) Gesneden en geplakt schuimbord; (B) Perspex apparaat verdeeld in vier kwadranten; (C) één wiel geplaatst in de hoek van een kwadrant met de draad van de snelheidsmeter op de muur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. VWR

OPMERKING: Naast snelheidsmetermetingen, gebruikten we gedragstrackingsoftware, het ANY-maze gedragstrackingsysteem, om aanvullende gedragstrackinginformatie te bieden.

  1. Voer de VWR-sessies dagelijks uit, in de lichtfase op hetzelfde tijdstip elke dag (van 9 uur tot 11:00 uur). Plaats de muizen zonder oefening in identieke arena's voor 2 uur, maar met vergrendelde wielen. Vergrendel de wielen met hete lijm om het rotatiecentrum van het wiel te immobiliseren en rotatie uit te schakelen.
  2. Plaats de muizen in de VWR-ruimte om te acclimatiseren gedurende 30-60 minuten.
  3. Reset alle snelheidsmeters.
  4. Plaats elke muis in de hoek van het kwadrant waar hij gedurende 2 uur vrij kan rennen.
  5. Na 2 uur, breng de muizen terug naar hun

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In deze studie werden 20 mannelijke C57BL/6-muizen willekeurig toegewezen aan een van de twee groepen: geen-oefening (NO-EX) of oefening (VWR) gedurende 6 weken. Individuele loopparameters werden dagelijks opgemerkt op snelheidsmeters en geplot onder ± SEM (Figuur 3A-C). Gedurende de 6 weken waren de muizen het meest actief in week 2, waarin ze gemiddeld 2.135,87 ± 351,14 s op het wiel doorbrachten, een afstand aflegden van 1,16 ± 0,25 km met een snelheid van 2,25 ± 0,14 km/...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verschillende oefenparadigma's worden door onderzoekers gebruikt om fysieke activiteit en de effecten ervan bij knaagdieren te evalueren, inclusief vrijwillige en gedwongen loopparadigma's. In vergelijking met de gedwongen oefenparadigma's, stelt VWR muizen in staat om vrij op een lagere intensiteit te rennen, wat stressvolle omstandigheden minimaliseert22. Momenteel kunnen onderzoekers oefeningparameters van individuele muizen verzamelen door ze apart te huisvesten23,...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
ANY-box 5-Behavior Test SystemStoelting65000https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838
Bike Computer Bicycle Wired Speedometers and OdometersIPSXP N/AElke bekabelde snelheidsmeter die afstand, tijd, snelheid meet, kan werken
Clear Adhesive Protective Liner Con-Tact BrandN/Ahttps://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c
GraphPad Prism 
 Instant Adhesive 496 Super BonderLoctiteS-24546https://www.uline.com/Product/Detail/S-24546/Adhesives-Glue-Epoxy/Loctite-Instant-Adhesive-496-Super-Bonder?pricode=WB0948&gadtype=pla&id=
S-24546&gad_source=1&gclid=Cjw
KCAjw68K4BhAuEiwAylp3klS0FN
Ur-l_xKkue1NUmruDDV48QO5b2tVH
W9Bc08s9eZKmedj-yxBoCgIEQAvD_BwE
Pro Mag Neodymium MagnetApplied MagnetsND018-6Als u andere magneten kiest, zorg er dan voor dat ze sterk genoeg zijn om door de sensor te worden gedetecteerd
 Silent Spinner Small Animal Exercise Wheels (mini 11,4 cm)KayteeSKU# 100079369https://www.kaytee.com/all-products/ small-animal/silent-spinner-wheel
White Foam BoardsPacon5553https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bull, F. C., et al. World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour. Br J Sports Med. 54 (24), 1451-1462 (2020).
  2. Physical activity. , World Health Organization (WHO). https://www.who.int/health-topics/physical-activity (2024).
  3. Gliemann, L., Vestergaard Hansen, C., Rytter, N., Hellsten, Y. Regulation of skeletal muscle blood flow during exercise. Curr Opin Physiol. 10, 146-155 (2019).
  4. Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
  5. Hackney, A. C., Lane, A. R. Exercise and the regulation of endocrine hormones. Prog Mol Biol Transl Sci. 135, 293-311 (2015).
  6. De la Rosa, A., et al. Long-term exercise training improves memory in middle-aged men and modulates peripheral levels of BDNF and Cathepsin B. Sci Rep. 9 (1), 3337(2019).
  7. De Miguel, Z., et al. Exercise plasma boosts memory and dampens brain inflammation via clusterin. Nature. 600 (7889), 494-499 (2021).
  8. Roig, M., Nordbrandt, S., Geertsen, S. S., Nielsen, J. B. The effects of cardiovascular exercise on human memory: A review with meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1645-1666 (2013).
  9. Babaei, P., Azari, H. B. Exercise training improves memory performance in older adults: A narrative review of evidence and possible mechanisms. Front Hum Neurosci. 15, 771553(2022).
  10. Harber, V. J., Sutton, J. R. Endorphins and exercise. Sports Med. 1 (2), 154-171 (1984).
  11. De Nys, L., et al. The effects of physical activity on cortisol and sleep: A systematic review and meta-analysis. Psychoneuroendocrinology. 143, 105843(2022).
  12. Alnawwar, M. A., et al. The effect of physical activity on sleep quality and sleep disorder: A systematic review. Cureus. 15 (8), e43595(2023).
  13. Mee-inta, O., Zhao, Z. -W., Kuo, Y. -M. Physical exercise inhibits inflammation and microglial activation. Cells. 8 (7), 691(2019).
  14. Elias, E., Zhang, A. Y., White, A. G., Pyle, M. J., Manners, M. T. Voluntary wheel running promotes resilience to the behavioral effects of unpredictable chronic mild stress in male and female mice. Stress. 26 (1), 2203769(2023).
  15. Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
  16. Svensson, M., et al. Forced treadmill exercise can induce stress and increase neuronal damage in a mouse model of global cerebral ischemia. Neurobiol Stress. 5, 8-18 (2016).
  17. Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
  18. Garland, T. Jr, et al. The biological control of voluntary exercise, spontaneous physical activity and daily energy expenditure in relation to obesity: human and rodent perspectives. J Exp Biol. 214 (Pt 2), 206-229 (2011).
  19. Meijer, J. H., Robbers, Y. Wheel running in the wild. Proc Biol Sci. 281 (1786), 20140210(2014).
  20. Banjanin, S., Mrosovsky, N. Preferences of mice, Mus musculus, for different types of running wheel. Lab Anim. 34 (3), 313-318 (2000).
  21. Denninger, J. K., Smith, B. M., Kirby, E. D. Novel object recognition and object location behavioral testing in mice on a budget. J Vis Exp. (141), e58593(2018).
  22. Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
  23. Scott, K. S., Chelette, B., Chidomere, C., Phillip West, A., Dantzer, R. Cisplatin decreases voluntary wheel-running activity but does not impair food-motivated behavior in mice. Brain Behav Immun. 111, 169-176 (2023).
  24. Hamm, S. E., et al. Prolonged voluntary wheel running reveals unique adaptations in mdx mice treated with microdystrophin constructs ± the nNOS-binding site. Front Physiol. 14, 1166206(2023).
  25. Williams, Z. A. P., et al. Sex-specific effects of voluntary wheel running on behavior and the gut microbiota-immune-brain axis in mice. Brain Behav Immun Health. 30, 100628(2023).
  26. Ehichioya, D. E., et al. Gut microbiota depletion minimally affects the daily voluntary wheel running activity and food anticipatory activity in female and male C57BL/6J mice. Front Physiol. 14, 1299474(2023).
  27. Kim, M. -J., et al. Sex differences in body composition, voluntary wheel running activity, balance performance, and auditory function in CBA/CaJ mice across the lifespan. Hear Res. 428, 108684(2023).
  28. Yusifova, M., et al. Voluntary wheel running exercise does not attenuate circadian and cardiac dysfunction caused by conditional deletion of Bmal1. J Biol Rhythms. 38 (3), 290-304 (2023).
  29. Bittel, A. J., Bittel, D. C., Gordish-Dressman, H., Chen, Y. -W. Voluntary wheel running improves molecular and functional deficits in a murine model of facioscapulohumeral muscular dystrophy. iScience. 27 (1), 108632(2024).
  30. Leimbacher, A. C., et al. Voluntary exercise does not always suppress lung cancer progression. iScience. 26 (8), 107298(2023).
  31. Zhang, Y., et al. Trimethylamine N-oxide aggravated cognitive impairment from APP/PS1 mice and protective roles of voluntary exercise. Neurochem Int. 162, 105459(2023).
  32. Zhang, W., et al. Notch1 is involved in physiologic cardiac hypertrophy of mice via the p38 signaling pathway after voluntary running. Int J Mol Sci. 24 (4), 3212(2023).
  33. Wan, C., et al. Long-term voluntary running improves cognitive ability in developing mice by modulating the cholinergic system, antioxidant ability, and BDNF/PI3K/Akt/CREB pathway. Neurosci Lett. 836, 137872(2024).
  34. Weegh, N., et al. Wheel running behaviour in group-housed female mice indicates disturbed wellbeing due to DSS colitis. Lab Anim. 54 (1), 63-72 (2020).
  35. Coleman, A. L., et al. Short-term social isolation induces depressive-like behaviour and reinstates the retrieval of an aversive task: Mood-congruent memory in male mice. J Psychiatry Neurosci. 38 (4), 259-268 (2013).
  36. Desan, P. H., Silbert, L. H., Maier, S. F. Long-term effects of inescapable stress on daily running activity and antagonism by desipramine. Pharmacol Biochem Behav. 30 (1), 21-29 (1988).
  37. DeVallance, E., et al. Effect of chronic stress on running wheel activity in mice. PloS One. 12 (9), e0184829(2017).
  38. Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
  39. Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (7), 3017-3022 (2011).
  40. Zhang, S., et al. The effect of aerobic exercise on cognitive function in people with Alzheimer's disease: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Int J Environ Res Public Health. 19 (23), 15700(2022).
  41. Nystoriak, M. A., Bhatnagar, A. Cardiovascular effects and benefits of exercise. Front Cardiovasc Med. 5, 135(2018).
  42. Kirwan, J. P., Sacks, J. P., Nieuwoudt, S. The essential role of exercise in the management of type 2 diabetes. Cleve Clin J Med. 84 (7 Suppl 1), S15-S21 (2017).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

hardloopmetrieken muizensociaal ge soleerde muizengroepshuisvesting muizenbewegingsgedrag knaagdierenruimtelijke objectherkenningindividuele activiteitsregistratiegedragsapparatuur muizenhippocampale functie muizen

Gerelateerde artikelen