Artykuł metodologiczny

Kinematyka i wyznaczanie siły reakcji gruntu: demonstracja określająca ilościowo zdolności lokomotoryczne młodych dorosłych, szczurów w średnim wieku i geriatrycznych

DOI:

10.3791/2138

⸱

22 lutego 2011

 ,  ,  ,  , 
1CullenWebb Animal Neurology & Ophthalmology Center, Riverview, NB, 2Department of Clinical Neurosciences, Faculty of Medicine, University of Calgary, 3Department of Comparative Biology and Experimental Medicine, University of Calgary, 4Department of Neuroscience, University of Calgary

W tym artykule

Podsumowanie

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

Lokomocja jest często badana jako wynik behawioralny w różnych modelach chorób w dziedzinach takich jak neurobiologia i ortopedia. Ten artykuł wideo ma na celu opisanie metody zbierania sił reakcji gruntu i kinematyki od szczurów podczas nieskrępowanej lokomocji.

Streszczenie

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

Zachowanie, w swojej najszerszej definicji, można zdefiniować jako motoryczną manifestację procesów fizjologicznych. W związku z tym wszystkie zachowania manifestują się poprzez układ motoryczny. W dziedzinie neurobiologii i ortopedii lokomocja jest powszechnie ocenianym zachowaniem dla różnych modeli choroby. Na przykład regeneracja lokomotoryczna po urazowym urazie układu nerwowego jest jednym z najczęściej ocenianych zachowań 1-3. Chociaż lokomocja może być oceniana za pomocą różnych pomiarów końcowych (np. czas potrzebny na wykonanie zadania lokomotorycznego itp.), półilościowe miary kinematyczne (np. porządkowe skale oceny (np. skala oceny lokomotorycznej Basso Beattie'ego i Bresnahana (BBB) itp.) oraz zastępcze miary zachowania (np. siła mięśni, prędkość przewodnictwa nerwowego itp.), jedynie kinetyka (pomiary siły) i kinematyka (pomiary segmentów ciała w przestrzeni) dostarczają szczegółowego opisu strategii, za pomocą której Zwierzę jest w stanie zlokalizować 1. Choć nie są one niczym nowym, pomiary kinematyczne i kinetyczne gryzoni poruszających się są obecnie łatwiej dostępne ze względu na dostępność dostępnego na rynku sprzętu przeznaczonego do tego celu. Co jednak ważne, eksperymentatorzy muszą być bardzo dobrze zaznajomieni z teorią analiz biomechanicznych i rozumieć korzyści i ograniczenia tych form analiz przed rozpoczęciem tego, co stanie się stosunkowo pracochłonnym badaniem. Niniejszy artykuł ma na celu opisanie metody zbierania danych o kinematyce i sile reakcji gruntu przy użyciu dostępnej na rynku aparatury. Opisano szczegóły dotyczące konfiguracji sprzętu i aparatury, wstępnego szkolenia zwierząt, kryteriów włączenia i wyłączenia dopuszczalnych przebiegów oraz metod gromadzenia danych. Ilustrujemy użyteczność tej techniki analizy behawioralnej, opisując kinematykę i kinetykę dopasowanych szczepów młodych dorosłych, szczurów w średnim wieku i geriatrycznych.

Protokół

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

1. Warunki wstępne dla biomechanicznych analiz lokomocji

Przed przystąpieniem do zakupu drogiego sprzętu do analizy lokomotywy i planowania eksperymentów, w których zostanie przeprowadzona ocena kinematyki i/lub ruchu kinetycznego, konieczne jest, aby eksperymentator był zaznajomiony z technicznymi i praktycznymi aspektami analiz biomechanicznych, zachowań sensomotorycznych, warunkowania instrumentalnego zwierząt oraz obsługi/przechowywania/zarządzania dużymi ilościami zdigitalizowanych danych. Chociaż te warunki wstępne wydają się oczywiste dla wielu, dopiero po rozpoczęciu tego typu eksperymentów kursanci zdają sobie sprawę z technicznych i praktycznych złożoności przeprowadzania stosunkowo szczegółowych analiz lokomotorycznych. Autorzy zalecają, aby eksperymentatorzy zapisali się na kurs dotyczący wstępnej biomechaniki, byli zaznajomieni lub zatrudnili kogoś zaznajomionego z językiem programowania wymaganym do zarządzania danymi i, co równie ważne, poświęcili dużo czasu na interakcję, obsługę i pracę ze zwierzętami laboratoryjnymi. Aby zrozumieć analizę lokomocji i sensomotoryczną analizę behawioralną w neuronaukach, eksperymentatorzy są odsyłani do kilku ważnych źródeł (patrz 1, 4-7).

2. Aparatura do badań kinematycznych i kinetycznych

Aparatura do badań kinematycznych i kinetycznych, przydatna do zbierania danych dwustronnych, składa się z następujących komponentów (zobacz "Tabelę Specyficznych Odczynników i Sprzętu", aby uzyskać więcej szczegółów):

  • Ciche i wystarczająco duże pomieszczenie (niekoniecznie dźwiękoszczelne, choć znajduje się w miejscu o małym natężeniu ruchu)
  • Radio do dostarczania "szumu" tła w celu ograniczenia rozpraszających dźwięków z zewnątrz pomieszczenia dla zwierząt
  • Przezroczysta folia z pleksi, zamknięta, o płaskiej powierzchni drogi startowej (180 cm długości x 20 cm szerokości x 60 cm wysokości) z kwadratowym otworem (11 cm x 11 cm) umieszczonym w środku drogi startowej w równej odległości od każdego końca
  • Kawałek pleksi (10,5 cm X 10,5 cm)
  • Dwustronna taśma klejąca klejąca
  • Odblaskowa taśma klejąca 3M do markerów skórnych
  • Dziurkacz do tworzenia markerów skóry
  • Izofluoranowa maszyna anestezjologiczna wymagana do znieczulania zwierząt do golenia przed umieszczeniem markerów skórnych
  • Cheerios do zachęcania zwierzęcia do poruszania się po długości pasa startowego
  • Płyta siłowa AMTI HE6X6
  • Dostosowany system Vicon Motus (oprogramowanie, komputer itp.)
  • 4 kamery wideo (próbkowanie co najmniej 60 Hz) i statywy z odpowiednimi połączeniowymi
  • 4 lampy halogenowe zamontowane na kamerze zapewniają optymalne oświetlenie do oświetlania zwierzęcia i odblaskowych znaczników skóry
  • Ramka kalibracyjna lub objętość o odpowiedniej wielkości niezbędna do tego, aby system Vicon Motus skalibrował pozycje x, y, z w celu uzyskania znaczących pomiarów odległości

3. Szkolenie zwierząt

Przed zebraniem danych, każde zwierzę musi zostać przeszkolone do przechodzenia przez płaską, zamkniętą powierzchnię pasa startowego. Po otrzymaniu szczurów od odpowiedniego dostawcy zwierząt, zwierzęta powinny zaaklimatyzować się w nowym domu na 1 tydzień. W tym czasie aklimatyzacji codziennie w klatce szczura umieszcza się kilka cheerios. Zwierzęta są pokarmem ograniczonym do ich zapotrzebowania na energię do utrzymania, aby zapobiec otyłości i zapewnić motywację do wykonania tego zadania. Następnie każde zwierzę jest dotykane przez eksperymentatora przez 10-15 minut dziennie przez 1 tydzień. W tym samym czasie każde zwierzę jest umieszczane na pasie startowym z cheerios umieszczonymi na obu końcach. Gdy zwierzę zapozna się z otoczeniem, zacznie jeść cheerios. Gdy zwierzę poczuje się komfortowo i zje cheerios na pasie startowym, eksperymentator musi następnie funkcjonalnie przygotować zwierzę do przebiegnięcia całej długości pasa startowego w celu uzyskania nagrody w postaci jedzenia. Osiąga się to poprzez rzucenie 1/4 cheerio na przeciwległy koniec pasa startowego, na którym znajduje się szczur. Gdy szczur zje to cheerio, kolejne 1/4 cheerio umieszcza się na drugim końcu pasa startowego. Odbywa się to przez 15-20 minut dziennie, aż szczur konsekwentnie (>90% rzutów) porusza się po pasie startowym ze stałą prędkością (tj. bez ruszania, zatrzymywania się, eksploracji lub bez zmiany chodu), aby zjeść cheerio bez galopu/skakania. Szczur powinien stosować tylko chód kłusem. Nadmierne przystosowanie zwierząt do tego zadania może prowadzić do galopu i podskakiwania zwierząt, te chody wskazują na to, że zwierzęta poruszają się z prędkością >90 cm/s. Chody podskakujące i galopujące, biomechanicznie, są trudniejsze do interpretacji z różnych powodów (np. kryteria włączenia smyczy do nóg itp.). Z naszego doświadczenia wynika, że gdy szczury konsekwentnie stosują chód galopujący lub podskakujący, jest trudne, jeśli nie niemożliwe, aby używały chodu kłusa podczas poruszania się po pasie startowym. Prędkości >90 cm/s są rzadko obserwowane po urazie obwodowego lub ośrodkowego układu nerwowego zwierzęcia. Czas do osiągnięcia udanego treningu jest różny w zależności od szczepu i płci szczurów. Szczepy Wistar, Lewis, Long-Evans i Sprague-Dawley są w stanie konsekwentnie pokonywać pas startowy w ciągu 2 tygodni od rozpoczęcia treningu 8. Z naszego doświadczenia wynika, że szczury Fischer (F-344) potrzebują około 4-6 tygodni, aby nauczyć się tego zadania 8.

4. Oznaczanie wspólnej pozycji

Analiza kinematyczna kończyn przednich jest zawodna ze względu na artefakt ruchu skóry narzucony przez umieszczenie znaczników skóry na kończynach przednich, co nasila się u gatunków, takich jak szczury, które mają przykucniętą postawę 9. Zamiast tego kinematykę kończyn przednich należy uzyskać za pomocą kinematografii rentgenowskiej lub fluoroskopii 10-13. W związku z tym umiejscowienie znacznika pozycji stawu kończyny tylnej jest opisane tylko w niniejszym dokumencie.

Przed zebraniem danych, każdy szczur musi być znieczulony co najmniej 24 godziny przed zebraniem danych za pomocą odpowiedniego wziewnego środka znieczulającego (np. izofluoranu, 1,5-2% wybieranego na precyzyjnym parowniku) i podawany w tlenie przez maskę na twarz, a kluczowe topograficzne anatomiczne punkty orientacyjne muszą być oznaczone. Biorąc pod uwagę krótkotrwałość zabiegu oraz fakt, że nie stosuje się długo działających środków znieczulających, nie ma potrzeby stosowania urządzenia do ogrzewania zwierząt w celu utrzymania temperatury ciała zwierzęcia. Po znieczuleniu zwierzęcia golone są kończyny tylne i grzbiet do poziomu grzebieni biodrowych. Zwierzę jest następnie umieszczane w pozycji leżącej mostka, a jego tylne kończyny są umieszczane w przybliżonej pozycji stojącej, używając twardej pianki do pakowania, aby je podeprzeć. Skóra pokrywająca najbardziej czaszkowe części grzebieni biodrowych, krętarz większy kości udowej, guzowatość boczna kości piszczelowej, staw stępowy oraz dystalna i boczna strona 5. kości śródstopia jest oznaczona nietoksycznym markerem trwałym. Zwierzę wraca do zdrowia po znieczuleniu. W przypadku badań czasowych może być wymagane okresowe znieczulenie w celu ogolenia kończyn tylnych, co pozwala na późniejsze umieszczenie znacznika odblaskowego (patrz poniżej). Wymagane będzie również codzienne podkreślanie wcześniej zaznaczonych anatomicznych punktów orientacyjnych (przy użyciu tego samego nietoksycznego markera), ponieważ szczury będą powoli usuwać markery poprzez naturalne zachowanie pielęgnacyjne.

5. Zapis danych

Wszystkie widoki z kamery są sprawdzane, aby upewnić się, że ich pozycja jest odpowiednia i rejestruje to samo pole widzenia. Każda kamera powinna być ustawiona pod kątem około 60-80 stopni względem siebie. Pole widzenia powinno obejmować tablicę siłową znajdującą się pośrodku oraz długość pasa startowego wystarczającą do uchwycenia dwóch kroków.

Objętość kalibracji jest umieszczona w określonym wcześniej obszarze pasa startowego. Rejestrowana jest pojedyncza klatka objętości kalibracyjnej w obrębie pasa startowego, z każdej z kamer. Wszystkie skalibrowane znaki na długości każdego ze słupów są digitalizowane. Dopiero po osiągnięciu zadowalającego błędu w digitalizacji eksperymentator może przystąpić do zbierania danych lokomotorycznych. Ten etap kalibracji ma kluczowe znaczenie przed zebraniem danych. Jeśli kalibracja nie zostanie wykonana dokładnie lub jeśli kalibracja nie zostanie przeprowadzona bezpośrednio przed sesją nagrywania, wszystkie uzyskane dane będą niedokładne i bezużyteczne. Co ważne, w przypadku dotknięcia lub przesunięcia którejkolwiek z kamer najbezpieczniej jest założyć, że kalibracja systemu musi zostać powtórzona.

Bezpośrednio przed umieszczeniem zwierzęcia na pasie startowym, jego waga jest rejestrowana i wstępnie wykonane stożkowe odblaskowe znaczniki skóry (przy użyciu taśmy odblaskowej 3M, patrz tabela) są przyklejane do wcześniej ustalonych filcowych znaków na topograficznych punktach orientacyjnych kończyn tylnych. Rejestrowanie masy ciała zwierzęcia pozwoli na retrospektywną normalizację sił reakcji podłoża na masę ciała - jest to ważny aspekt, jeśli chce się dokonać porównań między grupami. Dodatkowo pomiar masy ciała ułatwia monitorowanie ogólnego stanu zdrowia zwierzęcia przez cały czas trwania eksperymentu. Umieszczenie markera wymaga jedynie odpowiedniego obchodzenia się ze zwierzęciem i nie wymaga znieczulenia zwierzęcia. Jeśli klej na taśmie odblaskowej jest niewystarczający, aby przykleić się do skóry zwierzęcia, można użyć bardzo małej ilości nietoksycznego kleju (np. kleju tkankowego 3M VetBond), aby ułatwić przyleganie markera do ciała zwierzęcia. Po umieszczeniu markerów na tylnych kończynach, eksperymentator powinien być wygodnie umieszczony w pobliżu klawiatury komputera i mieć w ręku znacznik zdarzenia przymocowany za pomocą systemu Vicon Motus. Korzystając ze skalibrowanego pliku jako szablonu, przed nagraniem tworzonych jest kilka plików. Zazwyczaj należy zapisać od 25 do 30 plików. Każdy plik powinien mieć unikalną nazwę. Każdy plik będzie reprezentował jeden zarejestrowany bieg rejestrowanego zwierzęcia. Wymagane jest od 25 do 30 plików, aby zapewnić zebranie wystarczającej liczby przebiegów spełniających kryterium włączenia prędkości (tj. 60-90 cm/s). Po utworzeniu wystarczającej liczby plików eksperymentator może rozpocząć zbieranie danych. Eksperymentator musi skłonić szczura do przemieszczania się po pasie startowym, rzucając 1/4 kawałków cheerios na oba końce pasa startowego. Przy starannej koordynacji i wyczuciu czasu, znacznik zdarzenia jest uruchamiany na początku i tuż przed zakończeniem, gdy szczur pomyślnie kończy przejście wzdłuż pasa startowego. Po zbadaniu prymitywnego śledzenia siły reakcji gruntu i po zarejestrowaniu, czy lewe, czy prawe kończyny uderzyły w płytkę siłową, plik jest zapisywany i zamykany. Należy odnotować równą liczbę uderzeń w płytkę siłową lewej i prawej kończyny. Proces rejestrowania danych z danego przebiegu jest powtarzany do momentu zarejestrowania wystarczającej liczby przebiegów.

6. Analiza danych

Po zakończeniu zbierania danych dotyczących kinematyki i sił reakcji gruntu, każdy bieg każdego zwierzęcia musi być oceniany pod kątem prędkości. Korzystając z dwóch względnie stałych znaczników (np. skrzydeł kości biodrowych), można ocenić wirtualny punkt między znacznikami (wykonane wcześniej podczas tworzenia szablonu pliku Vicon Motus). Przed obliczeniem prędkości tego "wirtualnego" punktu należy zdigitalizować znaczniki znaczników biodrowych. Za pomocą oprogramowania Vicon motus obliczana jest prędkość tego wirtualnego punktu w kierunku X (horyzontalny kierunek ruchu). W tym celu w analizach końcowych wykorzystywane są tylko przejazdy w określonym zakresie prędkości (określonych a priori). Okazuje się, że zwierzęta poruszające się z prędkością 60-90 cm/s używają stałych chodów kłusaków. Wymagane jest co najmniej 10 przejazdów (5 biegów, w których lewa kończyna styka się z platformą siłową i 5 biegów, w których prawa kończyna styka się z platformą siłową). Po określeniu dopuszczalnych przebiegów dla każdego zwierzęcia należy zakończyć digitalizację pozostałych znaczników skóry.

Aby skompensować artefakt ruchu skóry nad kolanem, oszacowanie pozycji kolana jest obliczane za pomocą triangulacji (przecięcie dwóch okręgów kinematyka 2D; lub przecięcie między dwoma sferami kinematyka 3D), jak to zostało wcześniej opisane. Można teraz określić kąty, prędkości i przyspieszenia stawów biodrowych, kolanowych i skokowych. Można również ocenić czasy postawy i wymachu, chociaż ich dokładność jest ograniczona w zależności od prędkości próbkowania używanych kamer. Te i inne obliczenia mogą być wykonywane bezpośrednio (tj. bez eksportu) za pomocą oprogramowania Vicon Motus KineCalc lub dane mogą być eksportowane jako dane ASCII i analizowane za pomocą konfigurowalnych procedur w oprogramowaniu takim jak MatLab.

Dane dotyczące siły reakcji gruntu są mierzone i wzmacniane przez platformę siłową AMTI i zbierane z częstotliwością 1200 Hz przez Vicon Motus. W związku z tym, po zebraniu danych o sile reakcji gruntu, odpowiedni filtr cyfrowy jest nakładany na dane za pomocą Vicon Motus. Biorąc pod uwagę, że eksperymentator określił już prędkość przemieszczania się i zidentyfikował akceptowalne przebiegi po digitalizacji odpowiednich markerów skórnych, dane dotyczące siły reakcji gruntu, które zostały zebrane jednocześnie jako dane kinematyczne, mogą być analizowane za pomocą Vicon Motus KineCalc bezpośrednio lub pośrednio za pomocą innej konfigurowalnej procedury oprogramowania. Można obliczyć różne zmienne dla sił w każdym z trzech kierunków ortogonalnych. Do takich zmiennych należą siła szczytowa, pole i krzywa (tj. impuls) itp. Co jednak ważne, eksperymentator musi przechowywać dane dotyczące prawej i lewej kończyny dla każdego cyklu każdego zwierzęcia oddzielnie. Dane uzyskane z prawej lub lewej kończyny są uśredniane dla każdego zwierzęcia i wykorzystywane jako dane reprezentatywne dla tego zwierzęcia. Dane są następnie analizowane przy użyciu odpowiednich procedur statystycznych.

7. Reprezentatywne wyniki

Aby przedstawić użyteczność tej formy analizy lokomotorycznej, określono kinematykę i siły reakcji gruntu dla młodych, średnich i geriatrycznych samic szczurów rasy Wistar. Na podstawie tej analizy stwierdzono różnice związane z wiekiem u samic szczurów rasy Wistar. W szczególności analiza siły reakcji podłoża pokazuje, że szczury geriatryczne mają zmniejszoną zdolność hamowania kończynami przednimi i mają tendencję do używania tylnych kończyn bardziej do stabilizacji bocznej w porównaniu z innymi grupami zwierząt (ryc. 1). Analiza kinematyczna nie ujawniła żadnych różnic statystycznych między każdą grupą, ale pokazuje, że kinematykę można łatwo zarejestrować u praktycznie każdego wieku szczurów (ryc. 2).

figure-protocol-1
Rysunek 1. Śledzenie siły reakcji podłoża pobrane z lewych kończyn młodych (4 miesiące; n = 7), w średnim wieku (13-14 miesięcy; n = 7) i geriatrycznych (24 miesiące; n = 5) samic szczurów rasy Wistar. Prawe kończyny były podobne. Jest oczywiste, że szczury geriatryczne używają kończyn przednich mniej do hamowania (* = p<0,05) w porównaniu ze szczurami młodymi i w średnim wieku, a szczury geriatryczne mają tendencję do używania tylnych kończyn bardziej do stabilizacji bocznej w porównaniu z młodymi szczurami (**). Linie ciągłe reprezentują średnią, linie przerywane reprezentują średnią + SE; linie przerywane reprezentują średnią SE.Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą liczbę.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Kinematyczne figurki patyczków na lewą kończynę szczurów młodych, w średnim wieku i geriatrycznych. Figury z patyczków reprezentują średni ruch lewej kończyny dla każdej z grup. Nie stwierdzono istotnych różnic między grupami zwierząt pod względem kąta stawu podczas cyklu krokowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Dyskusja

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

W niniejszej pracy przedstawiono metodologię oceny lokomocji przy użyciu ciągłej kinematyki ilościowej i wyznaczania siły reakcji gruntu. Ważne dla każdego, kto jest zainteresowany rozpoczęciem tej metodologii, jest solidne zaplecze w biomechanice lokomocji, zachowaniach sensomotorycznych zwierząt oraz zarządzaniu danymi i manipulacji nimi. Chociaż określenie siły kinematycznej i siły reakcji gruntu wymaga dodatkowego czasu i wiedzy specjalistycznej w porównaniu z niektórymi innymi formami analizy lokomotorycznej (np. pomiarami punktów końcowych, porządkowymi skalami oceny), uzyskane dane są czułe, obiektywne i ilościowe dla różnych ortopedycznych14-22 i neurologicznych1-3, 23-32 modeli chorób u różnych gatunków.

Dostarczyliśmy dane opisujące różnice w lokomocji między różnymi grupami wiekowymi szczurów dopasowanych do szczepu, których nie można było uzyskać przy użyciu prostych i mniej czułych pomiarów. Ponadto kinematyczna i kinetyczna analiza lokomocji została wykorzystana do opisania zmian lokomotorycznych w różnych stanach układu nerwowego, w których inne formy oceny byłyby nieskuteczne. 8, 23-25, 27 Stosowanie czułych środków staje się szczególnie ważne przy ocenie potencjalnych terapii dla różnych modeli choroby. Jeśli test nie jest wystarczająco czuły, aby dostrzec efekt potencjalnego terapeutanta, eksperymentator ryzykuje popełnienie błędu statystycznego typu II (tj. stwierdzenie, że nie ma efektu leczenia, podczas gdy w rzeczywistości wystąpił efekt). Ponadto, ze względu na to, że miary punktów końcowych i bardziej subiektywne testy oceniające lokomocję, istnieje możliwość stronniczości. Ocena kinematyczna i kinetyczna jest czysto obiektywna w tym sensie, że pod warunkiem, że odpowiednie kryterium włączenia/wykluczenia zostanie ustalone a priori, eksperymentator po prostu zbiera, bada i stosuje odpowiednie statystyki do danych (tj. nie ma subiektywnego składnika określania danych).

Analiza kinematyczna i kinetyczna daje również możliwość zastosowania w odniesieniu do wielu gatunków. W rzeczywistości kinematyka, określanie siły reakcji gruntu lub oba te czynniki były stosowane u różnych gatunków, takich jak słonie33-35, bydło36, konie37-40, psy4, 41-45, koty21, 46-49, różne gryzonie3, 8, 50, 51, ptaki4, 52-55 i ryby56, 57 (ta lista w żadnym wypadku nie jest wyczerpująca). Z doświadczenia autorów wynika jednak, że wykorzystanie myszy jest problematyczne, biorąc pod uwagę, że myszy nie są łatwe do instrumentalnego przystosowania do podróżowania po pasie startowym. Biorąc to pod uwagę, myszy nie będą poruszać się ze stosunkowo stałą prędkością, a zamiast tego przyspieszają i zwalniają podczas przechodzenia przez pas startowy. To zachowanie można prawdopodobnie częściowo przezwyciężyć, biegając z myszami na bieżni i nagrywając na wideo zwierzę poruszające się na bieżni. 58 Gdyby eksperymentalny aparat do wyznaczania siły reakcji gruntu miał zostać zmodyfikowany do użytku na bieżni, określenie siły reakcji gruntu byłoby prawdopodobnie łatwe do uzyskania tylko dla pionowej siły reakcji gruntu, ponieważ pas bieżni zakłócałby wyznaczanie siły przód-tył i środkowo-boczną.

Ogólnie rzecz biorąc, analiza kinematyczna i kinetyczna lokomocji jest wiarygodną, czułą i obiektywną metodą, którą można zastosować w różnych modelach schorzeń ortopedycznych i neurologicznych. Co więcej, cały sprzęt stał się dostępny do stosowania u gryzoni, negując w ten sposób wszelkie powiązane powody, dla których nie wykonuje się tej formy sensomotorycznej analizy behawioralnej.

Oświadczenia

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

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

To badanie było wspierane przez Grant Odkrywczy dla AAW od Kanadyjskiej Rady Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Miniaturowa platforma siłowa o niskim obciążeniuAMTIHE6X6http://amti.biz/PDFDownloads/0908HE6x6.pdf
Vicon MotusOprogramowanie ViconVicon Motushttp://www.vicon.com/applications/animal.html

Platformę siłową można zakupić jako zintegrowany pakiet z systemem Vicon Motus.
Vicon Motus KineCalcViconVicon Motus KineCalcoprogramowanie http://www.vicon.com/applications/animal.html

Autorskie oprogramowanie kompatybilne z danymi Vicon Motus, umożliwiające w ten sposób bezpośrednie i konfigurowalne obliczenia danych.
Kamery wideoViconRóżni się w zależności od potrzebhttp://www.vicon.com/applications/animal.html

Do obustronnego obrazowania 2D lub 3D kinematyki kończyn tylnych podczas lokomocji szczurów wymagane są co najmniej 4 kamery. Kamery, które próbkują z częstotliwością 60 Hz, są wystarczające dla szczurów poruszających się z prędkością od 60 do 90 cm/s. Szybkie kamery pozwolą na identyfikację bardzo małych, ale być może istotnych różnic w koordynacji międzykończynowej.
Objętość lub ramka kalibracyjnaViconCustomhttp://www.vicon.com/applications/animal.html

Odpowiednią objętość kalibracyjną należy zakupić i wykorzystać do kalibracji współrzędnych przed wykonaniem filmowania za każdym razem, gdy zbierasz nowe dane lub jeśli którakolwiek z kamer jest przenoszona. Wymiary tej objętości kalibracyjnej są oparte na badanym polu widzenia.
Taśma odblaskowa3MNACzy można ją kupić hurtowo za pośrednictwem dystrybutora 3M lub w razie potrzeby w VICON
http://solutions.3m.com/en_US/? WT.mc_id=www.3m.com/us

http://www.vicon.com/applications/animal.html
CheeriosGeneral MillsCheerioshttp://www.cheerios.com/
Klej do tkanek3MMożna kupić za pośrednictwem dystrybutora 3M
http://solutions.3m.com/en_US/? WT.mc_id=www.3m.com/nas

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Muir, G. D., Webb, A. A. Mini-review: assessment of behavioral recovery following spinal cord injury in rats. Eur. J. Neurosci. 12, 3079-3086 (2000).
  2. Costa, L. M. Chapter 7: Methods and protocols in peripheral nerve regeneration experimental research: part IV-kinematic gait analysis to quantify peripheral nerve regeneration in the rat. Int. Rev. Neurobiol. 87, 127-139 (2009).
  3. Webb, A. A., Muir, G. D. Sensorimotor behavior following incomplete cervical spinal cord injury in the rat. Behav. Brain Res. 165, 147-159 (2005).
  4. Cavagna, G. A., Heglund, N. C., Taylor, C. R. Mechanical work in terrestrial locomotion: two basic mechanisms for minimizing energy expenditure. Am. J. Physiol. 233, R243-R261 (1977).
  5. Biomechanics of the Musculo-skeletal System. Nigg, B. M., Herzog, W. , Wiley. New York, NY. (2007).
  6. Equine Locomotion. Back, W., Clayton, H. , W.B. Saunders. (2000).
  7. Alexander, R. M. Principles of Animal Locomotion. , Princeton University Press. Princeton, NJ. (2002).
  8. Webb, A. A., Gowribai, K., Muir, G. D. Fischer (F-344) rats have different morphology, sensorimotor and locomotor abilities compared to Lewis, Long-Evans, Sprague-Dawley and Wistar rats. Behav. Brain Res. 144, 143-156 (2003).
  9. Bauman, J. M., Chang, Y. H. High-speed X-ray video demonstrates significant skin movement errors with standard optical kinematics during rat locomotion. J. Neurosci. Methods. 186, 18-24 (2010).
  10. Boczek-Funcke, A. X-ray kinematic analysis of forelimb movements during target reaching and food taking in the cat. Eur. J. Neurosci. 12, 1817-1826 (2000).
  11. Boczek-Funcke, A., Kuhtz-Buschbeck, J. P., Illert, M. X-ray kinematic analysis of shoulder movements during target reaching and food taking in the cat. Eur. J. Neurosci. 11, 986-996 (1999).
  12. Boczek-Funcke, A. X-ray kinematography as a tool for investigations of distal limb movements of the cat. J. Neurosci. Methods. 52, 11-16 (1994).
  13. Alaverdashvili, M. Cineradiographic (video X-ray) analysis of skilled reaching in a single pellet reaching task provides insight into relative contribution of body, head, oral, and forelimb movement in rats. Behav. Brain Res. 192, 232-247 (2008).
  14. Sarver, J. J. Transient decreases in forelimb gait and ground reaction forces following rotator cuff injury and repair in a rat model. J. Biomech. 43, 778-782 (2010).
  15. Klaveren, N. J. van Force plate analysis before and after dorsal decompression for treatment of degenerative lumbosacral stenosis in dogs. Vet. Surg. 34, 450-456 (2005).
  16. Robinson, D. A. The effect of tibial plateau angle on ground reaction forces 4-17 months after tibial plateau leveling osteotomy in Labrador Retrievers. Vet. Surg. 35, 294-299 (2006).
  17. Conzemius, M. G. Effect of surgical technique on limb function after surgery for rupture of the cranial cruciate ligament in dogs. J. Am. Vet. Med. Assoc. 226, 232-236 (2005).
  18. Marsolais, G. S. Kinematic analysis of the hind limb during swimming and walking in healthy dogs and dogs with surgically corrected cranial cruciate ligament rupture. J. Am. Vet. Med. Assoc. 222, 739-743 (2003).
  19. Budsberg, S. C. Force plate analyses before and after stabilization of canine stifles for cruciate injury. Am. J. Vet. Res. 49, 1522-1524 (1988).
  20. Budsberg, S. C. Prospective evaluation of ground reaction forces in dogs undergoing unilateral total hip replacement. Am. J. Vet. Res. 57, 1781-1785 (1996).
  21. Romans, C. W. Use of pressure platform gait analysis in cats with and without bilateral onychectomy. Am. J. Vet. Res. 65, 1276-1278 (2004).
  22. Roush, J. K. Evaluation of the effects of dietary supplementation with fish oil omega-3 fatty acids on weight bearing in dogs with osteoarthritis. J. Am. Vet. Med. Assoc. 236, 67-73 (2010).
  23. Kemp, S. W. P. Behavioral and anatomical analysis of selective tibial nerve branch transfer to the deep peroneal nerve in the rat. Eur. J. Neurosci. 31, 1074-1090 (2010).
  24. Muir, G. D. Dorsolateral cervical spinal injury differentially affects forelimb and hindlimb action in rats. Eur. J. Neurosci. 25, 1501-1510 (2007).
  25. Webb, A. A., Muir, G. D. Course of motor recovery following ventrolateral spinal cord injury in the rat. Behav. Brain Res. 155, 55-65 (2004).
  26. Webb, A. A., Muir, G. D. Unilateral dorsal column and rubrospinal tract injuries affect overground locomotion in the unrestrained rat. Eur. J. Neurosci. 18, 412-422 (2003).
  27. Webb, A. A., Muir, G. D. Compensatory locomotor adjustments of rats with cervical or thoracic spinal cord hemisections. J. Neurotrauma. 19, 239-256 (2002).
  28. Miklyaeva, E. I. The ground reaction forces of postural adjustments during skilled reaching in unilateral dopamine-depleted hemiparkinson rats. Behav. Brain Res. 88, 143-152 (1997).
  29. Muir, G. D., Whishaw, I. Q. Red nucleus lesions impair overground locomotion in rats: a kinetic analysis. Eur. J. Neurosci. 12, 1113-1122 (2000).
  30. Muir, G. D., Whishaw, I. Q. Complete locomotor recovery following corticospinal tract lesions: measurement of ground reaction forces during overground locomotion in rats. Behav. Brain Res. 103, 45-53 (1999).
  31. Muir, G. D., Whishaw, I. Q. Ground reaction forces in locomoting hemi-parkinsonian rats: a definitive test for impairments and compensations. Exp. Brain Res. 126, 307-314 (1999).
  32. Muir, G. D., Steeves, J. D. Phasic cutaneous input facilitates locomotor recovery after incomplete spinal injury in the chick. J. Neurophysiol. 74, 358-368 (1995).
  33. Genin, J. J. Biomechanics of locomotion in Asian elephants. J. Exp. Biol. 213, 694-706 (2010).
  34. Ren, L. The movements of limb segments and joints during locomotion in African and Asian elephants. J. Exp. Biol. 211, 2735-2751 (2008).
  35. Hutchinson, J. R. The locomotor kinematics of Asian and African elephants: changes with speed and size. J. Exp. Biol. 209, 3812-3827 (2006).
  36. Tol, P. P. vander The vertical ground reaction force and the pressure distribution on the claws of dairy cows while walking on a flat substrate. J. Dairy Sci. 86, 2875-2883 (2003).
  37. Nauwelaerts, S., Clayton, H. M. Trunk deformation in the trotting horse. Equine Vet. J. 41, 203-206 (2009).
  38. Wickler, S. J. Energetic and kinematic consequences of weighting the distal limb. Equine Vet. J. 36, 772-777 (2004).
  39. Biknevicius, A. R., Mullineaux, D. R., Clayton, H. M. Ground reaction forces and limb function in tolting Icelandic horses. Equine Vet. J. 36, 743-747 (2004).
  40. Clayton, H. M. Instrumentation and techniques in locomotion and lameness. Vet. Clin. North Am. Equine Pract. 12, 337-350 (1996).
  41. Walter, R. M., Carrier, D. R. Rapid acceleration in dogs: ground forces and body posture dynamics. J. Exp. Biol. 212, 1930-1939 (2009).
  42. Lister, S. A. Ground reaction force analysis of unilateral coxofemoral denervation for the treatment of canine hip dysplasia. Vet. Comp Orthop. Traumatol. 22, 137-141 (2009).
  43. Williams, S. B. Exploring the mechanical basis for acceleration: pelvic limb locomotor function during accelerations in racing greyhounds (Canis familiaris. J. Exp. Biol. 212, 550-565 (2009).
  44. Gillette, R. L., Angle, T. C. Recent developments in canine locomotor analysis: a review. Vet. J. 178, 165-176 (2008).
  45. Jayes, A. S., Alexander, R. M. Mechanics of locomotion of dogs (Canis familiaris) and sheep (Ovis aries). J. Zool. 185 Pt 3, 289-308 (1978).
  46. Frigon, A. Asymmetric changes in cutaneous reflexes after a partial spinal lesion and retention following spinalization during locomotion in the cat. J. Neurophysiol. 102, 2667-2680 (2009).
  47. Vilensky, J. A., Cook, J. A. Do quadrupeds require a change in trunk posture to walk backward. J. Biomech. 33, 911-916 (2000).
  48. Belanger, M. A comparison of treadmill locomotion in adult cats before and after spinal transection. J. Neurophysiol. 76, 471-491 (1996).
  49. Belanger, M., Drew, T., Rossignol, S. Spinal locomotion: a comparison of the kinematics and the electromyographic activity in the same animal before and after spinalization. Acta Biol. Hung. 39, 151-154 (1988).
  50. Fischer, M. S. Basic limb kinematics of small therian mammals. J. Exp. Biol. 205, 1315-1338 (2002).
  51. Witte, H. Torque patterns of the limbs of small therian mammals during locomotion on flat ground. J. Exp. Biol. 205, 1339-1353 (2002).
  52. Muir, G. D., Gowri, K. S. Role of motor and visual experience during development of bipedal locomotion in chicks. J. Neurophysiol. 94, 3691-3697 (2005).
  53. Muir, G. D. Locomotor plasticity after spinal injury in the chick. J. Neurotrauma. 16, 705-711 (1999).
  54. Reiter, K., Bessei, W. Gait analysis in laying hens and broilers with and without leg disorders. Equine Vet. J. Suppl. , 110-112 (1997).
  55. Griffin, T. M., Kram, R. Penguin waddling is not wasteful. Nature. 408, 929-929 (2000).
  56. Donley, J. M. Convergent evolution in mechanical design of lamnid sharks and tunas. Nature. 429, 61-65 (2004).
  57. Katz, S. L., Syme, D. A., Shadwick, R. E. High-speed swimming. Enhanced power in yellowfin tuna. Nature. 410, 770-771 (2001).
  58. Leblond, H. Treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. J. Neurosci. 23, 11411-11419 (2003).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza kinematycznalokomocja szczur wkinematyka ko czyn tylnychpomiar na platformie dynamometrycznejrozmieszczenie marker w refleksyjnychprotok treningu na bie nikalibracja pr dko cir nice zwi zane z wiekiemanaliza biomechaniczna

Powiązane artykuły