Zadanie chodzenia po szczeblach drabiny: system punktacji i jego praktyczne zastosowanie.

Podsumowanie

Zadanie chodzenia po szczeblach drabiny jest nowym testem służącym do oceny umiejętności chodzenia oraz pomiaru precyzji stawiania kończyn przednich i tylnych, kroku oraz koordynacji między конечноściami.

Streszczenie

Postępy w opracowywaniu modeli zwierzęcych dla udarów mózgu, urazów rdzenia kręgowego oraz innych chorób neurodegeneracyjnych wymagają stosowania testów o wysokiej czułości, które pozwalają na szczegółową analizę różnych aspektów funkcji motorycznych i wykrycie nawet subtelnych ubytków w zdolności do poruszania się. Aby zwiększyć skuteczność i rozdzielczość badań, testy powinny umożliwiać jakościową i ilościową ocenę funkcji motorycznych oraz być czułe na zmiany w sprawności podczas okresów rekonwalescencji. Niniejsze badanie opisuje nowe zadanie służące do oceny sprawnego chodzenia u szczura, pozwalające na jednoczesny pomiar funkcji kończyn przednich i tylnych. Zwierzęta muszą przejść wzdłuż poziomej drabiny, na której rozstaw szczebli jest zmienny i okresowo modyfikowany. Zmiany w rozstawie szczebli zapobiegają zapamiętywaniu przez zwierzęta bezwzględnego i względnego położenia szczebli, co minimalizuje zdolność zwierząt do kompensowania deficytów poprzez uczenie się. Ponadto zmiana odstępów między szczeblami pozwala na wielokrotne stosowanie testu w badaniach długoterminowych. Opisano metody ilościowego i jakościowego opisu sprawności kończyn przednich i tylnych, obejmujące stawianie kończyn, kroczenie oraz koordynację. Ponadto stosowanie strategii kompensacyjnych jest wskazywane przez potknięcia lub kroki kompensacyjne w odpowiedzi na błędne ustawienie drugiej kończyny.

Protokół

Aparat do testu chodzenia po szczeblach drabiny

Aparat do testu chodzenia po poziomych szczeblach drabiny składał się z bocznych ścian wykonanych z przezroczystego pleksiglasu oraz metalowych szczebli (średnica 3 mm), które można było wprowadzić w celu utworzenia podłoża z minimalnym odstępem 1 cm między szczeblami (patrz Ryc. 1; Metz and Whishaw, 2003). Ściany boczne miały długość 1 m i wysokość 19 cm mierzoną od poziomu szczebli. Drabina była wyniesiona na wysokość 30 cm nad ziemią, z neutralną klatką startową na początku i schronieniem (klatką domową) na końcu. Ponieważ zwierzęta były habituowane podczas treningu, wyniesienie aparatu prawdopodobnie nie powodowało lęku. Szerokość przejścia została dostosowana do rozmiaru zwierzęcia, tak aby była o około 1 cm szersza od zwierzęcia, co miało zapobiec jego odwróceniu się.

Trudność zadania modyfikowano poprzez zmianę położenia metalowych szczebli. Regularny układ szczebli pozwalał zwierzętom na zapamiętanie schematu w ciągu kilku sesji treningowych i przewidywanie pozycji szczebli (Ryc. 1, Wzór A). Nieregularny układ, który zmieniał się z próby na próbę, uniemożliwiał zwierzęciu zapamiętanie schematu (Ryc. 1, Wzór B). W przypadku układu regularnego szczeble rozmieszczono w odstępach 2 cm. W przypadku układu nieregularnego odległość między szczeblami zmieniała się systematycznie od 1 do 5 cm. Wykorzystano pięć szablonów nieregularnych układów szczebli, tak aby te same wzory stosowano u wszystkich zwierząt w celu ustandaryzowania trudności testu i zwiększenia porównywalności wyników (patrz wyniki).

Nagranie wideo

Kamerę (Canovision, Canon Inc.) ustawiono pod lekkim kątem brzuszny, aby umożliwić jednoczesną rejestrację pozycji wszystkich czterech kończyn. Prędkość migawki ustawiono w zakresie 500 - 2000 s. Nagrania wideo poddano analizie klatka po klatce przy 30 f/sec.

Trening behawioralny i analiza testów

Zwierzęta były trenowane w przechodzeniu po drabinie z klatki neutralnej do klatki domowej, tak aby klatka domowa z współlokatorami stanowiła pozytywne wzmocnienie zachęcające do chodzenia. Wszystkie zwierzęta pokonywały drabinę w tym samym kierunku. Nie stosowano dalszych form wzmocnienia w celu motywowania zwierząt do przechodzenia przez drabinę. Wszystkie zwierzęta były trenowane i testowane pięć razy w ciągu jednej sesji.

Ocena błędów w stawianiu łap

Jakościową ocenę rozmieszczenia kończyn przednich i tylnych przeprowadzono przy użyciu systemu oceny błędów w stawianiu łap (foot fault scoring system), opisanego wcześniej (Metz and Whishaw, 2003). Analizę wykonano poprzez klatka po klatce przeglądając nagrania wideo. Analizie poddano wyłącznie następujące po sobie kroki każdej kończyny. W związku z tym nie oceniano ostatniego kroku przed przerwaniem chodu, takim jak zatrzymanie lub błąd w stawianiu łapy, ani pierwszego kroku po przerwie. Z oceny wykluczono również ostatni cykl kroczny wykonany na końcu drabiny. Rozmieszczenie kończyn oceniano pod kątem ich ustawienia na szczeblu oraz wystawania kończyny pomiędzy szczeblami w przypadku wystąpienia błędu.

Rodzaje ułożenia stopy lub łapy na szczeblach oceniano przy użyciu skali 7-stopniowej (patrz Rys. 2). Ułożenie stopy lub łapy na szczeblu oceniano na podstawie ich pozycji oraz błędów, które wystąpiły w dokładności ustawienia.

(0) Całkowite pominięcie. 0 punktów przyznawano, gdy kończyna całkowicie pominęła szczebel, tzn. nie dotknęła go, a doszło do upadku. Upadek definiowano jako głębokie wpadnięcie kończyny pomiędzy szczeble, co prowadziło do zaburzenia postawy ciała i równowagi.
(1) Głęboki poślizg. Kończyna została początkowo umieszczona na szczeblu, następnie ześlizgnęła się podczas obciążania, co spowodowało upadek.
(2) Lekki poślizg. Kończyna została umieszczona na szczeblu i ześlizgnęła się podczas obciążania, ale nie doprowadziło to do upadku ani nie przerwało cyklu chodu. W tym przypadku zwierzę było w stanie zachować równowagę i kontynuować koordynowany chód.
(3) Zastąpienie. Kończyna została umieszczona na szczeblu, ale przed obciążeniem została szybko uniesiona i umieszczona na innym szczeblu.
(4) Korekta. Kończyna była kierowana w stronę jednego szczebla, ale następnie została umieszczona na innym szczeblu bez dotykania pierwszego. Alternatywnie, wynik 4 zapisywano, jeśli kończyna została umieszczona na szczeblu i szybko przepozycjonowana, pozostając na tym samym szczeblu.
(5) Częściowe umieszczenie. Kończyna została umieszczona na szczeblu nadgarstkiem lub palcami (w przypadku kończyny przedniej) lub piętą lub palcami (w przypadku kończyny tylnej).
(6) Prawidłowe umieszczenie. Środkowa część dłoni kończyny została umieszczona na szczeblu z pełnym podparciem ciężaru ciała.

W przypadku wystąpienia kilku różnych błędów w tym samym czasie zapisywano najniższą z uzyskanych ocen. Na przykład, jeśli stopa została najpierw postawiona na jednym szczeblu, a następnie na innym w obrębie tego samego kroku (ocena 3), a potem ześlizgnęła się i wpadła pomiędzy szczeble (ocena 1), zapisywano ocenę 1. W razie upadku oceniano jedynie kończynę, która spowodowała błąd; żadna z pozostałych kończyn nie była oceniana do momentu, aż zwierzę ponownie ustawiło wszystkie kończyny. Na potrzeby analizy obliczono średnią ocen błędów z pięciu prób.

Analiza dokładności stawiania stóp (liczba błędów)

Policzono liczbę błędów podczas każdego przejścia. Błędy określano na podstawie systemu punktowania potknięć (foot fault scoring system). Za błąd uznawano każde postawienie kończyny, które otrzymało 0, 1 lub 2 punkty, co oznacza, że błąd reprezentuje każdy rodzaj poślizgu stopy lub całkowite pominięcie szczebla. Liczbę błędów oraz liczbę kroków rejestrowano oddzielnie dla każdej kończyny. Na podstawie tych danych obliczono średnią liczbę błędów na krok, a następnie wyciągnięto średnią z pięciu prób. Drugim analizowanym parametrem ilościowym był średni czas potrzebny na przejście całej długości drabiny. Pomiar czasu rozpoczynał się po umieszczeniu zwierzęcia na drabinie i rozpoczęciu przez nie marszu na całej jej długości. Czas, w którym zwierzę stało w miejscu, nie był wliczany do pomiaru.

Ocena palców przedniej łapy

Wynik zgięcia palców przedniej łapy zapisywano w momencie, gdy łapa została prawidłowo ustawiona środkową częścią na szczeblu (tj. wynik 6 w systemie oceny błędów stopy). Stopień, w jakim palce przedniej łapy mogły zostać zgięte wokół szczebla, oceniano w skali trójstopniowej (Rys. 2). Punktację przypisywano do pozycji z maksymalnym podparciem ciężaru ciała, tj. gdy przednia kończyna była ustawiona pionowo na szczeblu. Wyniki przyznawano w następujący sposób:
(0) Palce zamknięte pod kątem około 90 stopni.
(1) Palce zamknięte pod kątem około 45 stopni.
(2) Palce całkowicie zgięte wokół szczebla.
Obliczono średnią z wyników pięciu kroków, którą wykorzystano do analizy.

Opisy rycin

Rys. 1. Aparatura do testu chodzenia po szczeblach drabiny (skilled ladder rung walking test) w widoku przednio-bocznym, z zaznaczonymi konkretnymi wymiarami urządzenia. W niniejszym badaniu zastosowano dwa różne wzory szczebli: wzór A – regularne rozmieszczenie szczebli, wzór B – nieregularne rozmieszczenie szczebli. Nieregularne rozmieszczenie szczebli różniło się pomiędzy kolejnymi próbami.

Rys. 2. Reprezentatywne fotografie ilustrujące trzy kategorie oceny palców. Zwróć uwagę na kąt ułożenia palców względem przedniej kończyny podczas pełnego podparcia ciężarem ciała.

Dyskusja

Niniejsze badanie wprowadza próbę chodzenia po szczeblach drabiny jako nowy test służący do oceny umiejętności chodzenia, rozmieszczenia kończyn oraz koordynacji kończyn. Próba chodzenia po szczeblach drabiny pozwala na rozróżnienie subtelnych zaburzeń funkcji motorycznych poprzez połączenie jakościowej i ilościowej analizy umiejętnego chodzenia. Procedura analizy wideo może być wykorzystana do bardziej opisowego przedstawienia deficytów, a opisana w niniejszej pracy prosta skala ocen ujawnia wszelkie błędy w rozmieszcze...