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.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Individuele hardloopstatistieken bij muizen volgen met behulp van een vrijwillig wielloopsprotocol dat sociale isolatie minimaliseert
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
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
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
Alle experimentele procedures zijn goedgekeurd door de Animal Care and Use Committee van Rowan University. Mannelijke muizen wogen tussen 20 g en 27 g en waren 8-10 weken oud bij de start van de studie. De muizen werden gehuisvest in groepen van 4, in een gecontroleerde omgeving (12:12 u licht/donker cyclus) met ad libitum toegang tot voedsel en water.
1. Opstelling van de wielen
- Lijm op de buitenste middelste omtrek van elk wiel één magneet. Deze magneet wordt gedetecteerd door de sensor van de snelheidsmeter om de VWR te monitoren (Figuur 1A).
- Lijm aan de tegenovergestelde zijde van het wiel een object met een vergelijkbaar gewicht als de magneet (een munt) om het gewicht te balanceren en ongewenste rotatie door het gewicht van de magneet te voorkomen.
- Maak een platform voor de snelheidsmeter en het wiel. Snijd uit een wit schuimbord een stuk met een complementaire vorm aan de basis van het wiel en plak dit aan de basis vast (Figuur 1B).
- Nadat er een nieuwe set batterijen in de snelheidsmeter is geplaatst, stelt u tijdens de initiële programmering de wielgrootte in door de buitenomtrek van het wiel te meten.
- Bevestig de sensor van de snelheidsmeter aan het platform. Zorg ervoor dat de sensor van de snelheidsmeter parallel aan de magneet van het wiel is geplaatst om een correcte registratie van de beweging mogelijk te maken (Figuur 1C). Elke keer dat de magneet de sensor passeert, wordt dit geteld als één omwenteling.
- Wikkel de sensor en de bedrading in ducttape om te voorkomen dat muizen aan de draden knagen (Figuur 1D).
Figuur 1: Opstelling van het loopwiel-apparaat. (A) Een magneet en een munt die zijn vastgelijmd (rode pijl) aan tegenovergestelde zijden van de buitenrand van het wiel. (B) Een platform gemaakt van schuimplaat (rode pijl) dat als basis dient voor de sensor van de snelheidsmeter. (C) Sensor van de snelheidsmeter op het platform (rode pijl); (D) Vastgeplakte sensor (rode pijl) en de uiteindelijke opstelling van het wiel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Opstelling van de apparatuur
- Gebruik de gedragsapparatuur en verdeel de bak van 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) in vier kwadranten om vier muizen gelijktijdig afzonderlijk te testen.
- Snijd twee stukken wit schuimhouten bord op basis van de volgende afmetingen: L 30 cm, B 40 cm (Figuur 2A).
- Maak in het midden van de 40 cm brede zijde van het schuimhouten bord een inkeping van 20 cm om de kruising van twee schuimhouten borden mogelijk te maken.
- Bedek het schuimhouten bord met waterbestendig plakpapier om eenvoudig schoonmaken tussen de groepen mogelijk te maken.
- Verdeel de bak van 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) in vier kwadranten (20 cm x 20 cm x 30 cm (h)) met behulp van twee kruisende schuimhouten borden (Figuur 2B).
- Plaats in de hoek van elk kwadrant één voorbereid wiel (controleer de wielopstelling hierboven) en plak de bedrading aan de wand. Plak de snelheidsmeters aan de zijkant van de transparante Perspex-apparatuur (Figuur 2C).
Figuur 2: Opstelling van de apparatuur. (A) Gesneden en vastgeplakt schuimkarton; (B) Perspex-apparatuur verdeeld in vier kwadranten; (C) één wiel geplaatst in de hoek van een kwadrant met de draad van de snelheidsmeter op de wand geplakt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. VWR
OPMERKING: Naast de snelheidsmetingen hebben we gedragsvolgssoftware gebruikt, het ANY-maze gedragsvolgsysteem, om aanvullende gedragsinformatie te verkrijgen.
- Voer de VWR-sessies dagelijks uit tijdens de lichtfase op hetzelfde tijdstip per dag (van 9:00 uur tot 11:00 uur). Plaats de muizen zonder lichaamsbeweging gedurende 2 h in identieke arena's, maar met geblokkeerde loopwielen. Blokkeer de wielen met lijmpistool om het rotatiecentrum van het wiel te immobiliseren en de rotatie uit te schakelen.
- Plaats de muizen in de VWR-ruimte om hen gedurende 30-60 min te laten acclimatiseren.
- Reset alle snelheidsmeters.
- Plaats elke muis in de hoek van het kwadrant waar deze 2 h vrij kan rennen.
- Keer de muizen na 2 h terug naar hun thuiskooi en noteer de gegevens van de snelheidsmeter.
- Reinig de arena's en wielen met 70% ethanol tussen beide groepen.
4. SORT
OPMERKING: Na 5 weken VWR werd de SORT uitgevoerd om te testen of lichaamsbeweging de hippocampale functie verbeterde volgens het gepubliceerde protocol21.
- Voer de habituatiesessies en de SORT uit tijdens de lichtfase in een kamer met omgevingsverlichting. Voer de habituatiesessies een dag vóór de SORT uit, waarbij de muizen in individuele kooien worden geplaatst en gedurende ten minste 30 min in de testruimte worden gebracht voor acclimatisatie.
- Wijs een van de hoeken van de arena aan als de "releasehoek" en zorg ervoor dat elke muis met het gezicht naar de releasehoek wordt geplaatst om de arena 6 min vrij te verkennen. Breng de muizen terug naar hun individuele kooi om de arena te reinigen met 70% ethanol.
- Herhaal stap 4.1.1 2x, zodat elke muis drie habituatiesessies doorloopt. Zodra de habituatiesessies zijn voltooid, worden alle muizen teruggebracht naar hun thuishuisvesting.
- Na 24 u worden de muizen teruggebracht naar de testruimte, waar ze voorafgaand aan de test 30-60 min in individuele kooien kunnen habitueren.
- Bevestig twee verschillende objecten op een gebalanceerde wijze in de arena, 6 x 6 cm verwijderd van twee hoeken die geen releasehoeken zijn.
- Plaats elke muis met het gezicht naar de releasehoek om de objecten 10 min vrij te verkennen. Breng de muizen 20 min terug naar hun individuele kooien en reinig de objecten en arena's met 70% ethanol.
- Verplaats één van de twee objecten en bevestig dit 6 x 6 cm verwijderd van een nieuwe hoek die geen releasehoek is, zonder de locatie van het andere object te wijzigen.
- Plaats elke muis met het gezicht naar de releasehoek om de objecten 10 min vrij te verkennen voordat ze terugkeren naar hun thuishuisvesting. Registreer deze test met geautomatiseerde software om de onderzoekstijd per object te meten en bereken het percentage onderzoekstijd als volgt:
% onderzoekstijd =
5. Statistische analyse
- Druk alle gegevens uit als gemiddelde ± SEM.
- Voer statistische analyses uit met statistische analysesoftware waarbij de significantie is vastgesteld op p ≤ 0,05. Analyseer de SORT-resultaten met de Student's T-test.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In deze studie werden 20 mannelijke C57BL/6 muizen willekeurig toegewezen aan een van de twee groepen: geen beweging (NO-EX) of beweging (VWR) gedurende 6 weken. Individuele renparameters werden dagelijks geregistreerd met snelheidsmeters en hieronder uitgezet ± 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 van 1,16 ± 0,25 km aflegden bij een snelheid van 2,25 ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
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
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| ANY-box 5-Behavior Test System | Stoelting | 65000 | https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838 |
| Bike Computer Bicycle Wired Speedometers and Odometers | IPSXP | N/A | Elke bekabelde snelheidsmeter die afstand, tijd, snelheid meet, kan werken |
| Clear Adhesive Protective Liner | Con-Tact Brand | N/A | https://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c |
| GraphPad Prism | |||
| Instant Adhesive 496 Super Bonder | Loctite | S-24546 | https://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 Magnet | Applied Magnets | ND018-6 | Als 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) | Kaytee | SKU# 100079369 | https://www.kaytee.com/all-products/ small-animal/silent-spinner-wheel |
| White Foam Boards | Pacon | 5553 | https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html |
Referenties
- 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).
- Physical activity. , World Health Organization (WHO). https://www.who.int/health-topics/physical-activity (2024).
- Gliemann, L., Vestergaard Hansen, C., Rytter, N., Hellsten, Y. Regulation of skeletal muscle blood flow during exercise. Curr Opin Physiol. 10, 146-155 (2019).
- Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
- Hackney, A. C., Lane, A. R. Exercise and the regulation of endocrine hormones. Prog Mol Biol Transl Sci. 135, 293-311 (2015).
- 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).
- De Miguel, Z., et al. Exercise plasma boosts memory and dampens brain inflammation via clusterin. Nature. 600 (7889), 494-499 (2021).
- 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).
- 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).
- Harber, V. J., Sutton, J. R. Endorphins and exercise. Sports Med. 1 (2), 154-171 (1984).
- De Nys, L., et al. The effects of physical activity on cortisol and sleep: A systematic review and meta-analysis. Psychoneuroendocrinology. 143, 105843(2022).
- Alnawwar, M. A., et al. The effect of physical activity on sleep quality and sleep disorder: A systematic review. Cureus. 15 (8), e43595(2023).
- Mee-inta, O., Zhao, Z. -W., Kuo, Y. -M. Physical exercise inhibits inflammation and microglial activation. Cells. 8 (7), 691(2019).
- 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).
- Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Meijer, J. H., Robbers, Y. Wheel running in the wild. Proc Biol Sci. 281 (1786), 20140210(2014).
- Banjanin, S., Mrosovsky, N. Preferences of mice, Mus musculus, for different types of running wheel. Lab Anim. 34 (3), 313-318 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Leimbacher, A. C., et al. Voluntary exercise does not always suppress lung cancer progression. iScience. 26 (8), 107298(2023).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- DeVallance, E., et al. Effect of chronic stress on running wheel activity in mice. PloS One. 12 (9), e0184829(2017).
- Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
- Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (7), 3017-3022 (2011).
- 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).
- Nystoriak, M. A., Bhatnagar, A. Cardiovascular effects and benefits of exercise. Front Cardiovasc Med. 5, 135(2018).
- 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
