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

Aparatura 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 wstawić w celu utworzenia podłoża z minimalną odległością 1 cm między szczeblami (patrz Rys. 1; Metz i Whishaw, 2003). Ścianki boczne miały długość 1 m i wysokość 19 cm mierzoną od poziomu szczebli. Drabina była uniesiona 30 cm nad ziemię, z neutralną klatką startową oraz schronieniem (klatką domową) na końcu. Ze względu na to, że zwierzęta były przyzwyczajane podczas treningu, wysokość aparatu prawdopodobnie nie wywoływała lęku. Szerokość przejścia była dostosowana do wielkości zwierzęcia, tak aby była o około 1 cm większa od szerokości zwierzęcia, co miało zapobiec jego odwracaniu się.

Trudność zadania modyfikowano poprzez zmianę położenia metalowych szczebli. Regularny układ szczebli pozwalał zwierzętom na zapamiętanie wzoru w ciągu kilku sesji treningowych oraz na antycypowanie ich położenia (Ryc. 1, Wzór A). Układ nieregularny, zmieniany z próby na próbę, uniemożliwiał zwierzęciu naukę wzoru (Ryc. 1, Wzór B). W przypadku układu regularnego szczeble rozmieszczono w odstępach 2 cm. Dla układu nieregularnego odległość między szczeblami zmieniała się systematycznie od 1 do 5 cm. Wykorzystano pięć szablonów nieregularnych układów szczebli, tak aby te same wzory stosować u wszystkich zwierząt w celu standaryzacji trudności testu i zwiększenia porównywalności wyników (patrz wyniki).

Nagranie wideo

Kamerę (Canovision, Canon Inc.) ustawiono pod niewielkim kątem brzusznie, aby można było jednocześnie rejestrować położenie wszystkich czterech kończyn. Czas naświetlania ustawiono na 500 - 2000 s. Nagrania wideo analizowano klatka po klatce przy prędkości 30 f/sec.

Trening behawioralny i analiza testów

Zwierzęta były trenowane w przechodzeniu przez drabinę z klatki neutralnej do klatki domowej, tak aby klatka domowa z rodzeństwem stanowiła pozytywne wzmocnienie za chodzenie. Wszystkie zwierzęta przechodziły przez drabinę w tym samym kierunku. Nie stosowano żadnych dalszych wzmocnień w celu motywowania zwierząt do przechodzenia przez drabinę. Wszystkie zwierzęta były trenowane i testowane pięciokrotnie w każdej sesji.

Ocena błędów stopy

Jakościową ocenę stawiania kończyn przednich i tylnych przeprowadzono przy użyciu systemu punktacji błędów w stawianiu łap (foot fault scoring system), zgodnie z wcześniejszym opisem (Metz and Whishaw, 2003). Analizę przeprowadzono poprzez klatka po klatce przegląd nagrań wideo. Analizie poddano wyłącznie następujące po sobie kroki każdej kończyny. W związku z tym nie punktowano ostatniego kroku przed przerwaniem chodu, takim jak zatrzymanie lub błąd w stawianiu łapy, ani pierwszego kroku po przerwie. Z punktacji wykluczono również ostatni cykl krokowy wykonany na końcu drabiny. Stawianie kończyn oceniano pod kątem ich ułożenia na szczeblu oraz wysunięcia kończyny pomiędzy szczeblami w przypadku wystąpienia błędu.

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

(0) Całkowite chybienie. 0 punktów przyznawano, gdy kończyna całkowicie pominęła szczebel, tzn. nie dotknęła go, co doprowadziło do upadku. Upadek definiowano jako głębokie wpadnięcie kończyny pomiędzy szczeble, skutkujące zaburzeniem postawy ciała i równowagi.
(1) Głęboki poślizg. Kończyna została początkowo umieszczona na szczeblu, a następnie ześlizgnęła się podczas przenoszenia ciężaru ciała, co spowodowało upadek.
(2) Lekki poślizg. Kończyna została umieszczona na szczeblu i ześlizgnęła się podczas przenoszenia ciężaru ciała, ale nie doprowadziło to do upadku ani nie przerwało cyklu chodu. W tym przypadku zwierzę było w stanie utrzymać równowagę i kontynuować skoordynowany chód.
(3) Przełożenie. Kończyna została umieszczona na szczeblu, ale przed przeniesieniem ciężaru ciała została szybko uniesiona i umieszczona na innym szczeblu.
(4) Korekta. Kończyna była kierowana do jednego szczebla, ale następnie została umieszczona na innym bez dotykania pierwszego. Alternatywnie, wynik 4 zapisywano, gdy kończyna została umieszczona na szczeblu i szybko repositionowana, pozostając na tym samym szczeblu.
(5) Częściowe umieszczenie. Kończyna została umieszczona na szczeblu za pomocą nadgarstka lub palców kończyny przedniej bądź pięty lub palców kończyny tylnej.
(6) Prawidłowe umieszczenie. Środkowa część dłoni/stopy kończyny została umieszczona na szczeblu z pełnym podparciem ciężaru ciała.

W przypadku wystąpienia kilku różnych błędów w tym samym czasie, rejestrowano najniższą z uzyskanych punktacji. Na przykład, jeśli stopa została najpierw postawiona na szczeblu, a następnie na innym szczeblu w ramach tego samego kroku (wynik 3), a potem ześlizgnęła się i spadła pomiędzy szczeblami (wynik 1), rejestrowano wynik 1. W razie upadku oceniano jedynie kończynę, która zapoczątkowała błąd, a pozostałe kończyny nie były punktowane do momentu, aż zwierzę ponownie ustawiło wszystkie kończyny. Do analizy wyciągnięto średnią z punktacji błędów z pięciu prób.

Analiza dokładności stawiania stóp (liczba błędów)

Policzono liczbę błędów podczas każdego przejścia. Błędy określano na podstawie systemu punktacji błędów w stawianiu łap (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 zapisywano 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 w momencie umieszczenia zwierzęcia na drabinie i rozpoczęcia przez nie marszu na całej jej długości. Czas, w którym zwierzę stało w miejscu, nie był wliczany do pomiaru.

Ocena palców przedniej łapy

Wynik oceny 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 trzystopniowej skali (Ryc. 2). Wynik przypisywano do pozycji z maksymalnym podparciem ciężaru, tzn. gdy kończyna przednia była ustawiona pionowo na szczeblu. Wyniki nadawano 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.
Wyciągnięto 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 – regularny układ szczebli, Wzór B – nieregularny układ szczebli. Nieregularny układ szczebli zmieniał się pomiędzy kolejnymi próbami.

Rys. 2. Reprezentatywne fotografie ilustrujące trzy kategorie oceny palców. Należy zwrócić uwagę na kąt ustawienia palców względem przedniej kończyny podczas pełnego obciążenia 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...