Artykuł metodologiczny

Ocena funkcji kończyn przednich po jednostronnym SCI szyjki macicy za pomocą nowych zadań: zmiana kroku kończyny, niestabilność postawy i obchodzenie się z makaronem

22.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50955

⸱

16 września 2013

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, The University of Texas at Austin, 2Department of Psychology, The University of Texas at Austin, 3The J. Crayton Pruitt Family Department of Biomedical Engineering, University of Florida

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano trzy nowe testy behawioralne (zmiana kroku kończyny przedniej, test niestabilności postawy, test obchodzenia się z makaronem) do oceny funkcji kończyn przednich po urazie rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym u gryzoni

.

Streszczenie

Uraz rdzenia kręgowego szyjnego (cSCI) może powodować poważne deficyty neurologiczne, w tym upośledzenie lub utratę funkcji kończyn górnych i ręki. Większość urazów rdzenia kręgowego u ludzi występuje na poziomie szyjki macicy. Dlatego opracowanie modeli urazów szyjki macicy oraz opracowanie odpowiednich i czułych testów behawioralnych ma ogromne znaczenie. W tym miejscu opisujemy zastosowanie nowo opracowanego testu naprzemiennego kroku kończyn przednich po urazie rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym u szczurów. Ponadto opisujemy dwa testy behawioralne, które nie były stosowane po urazie rdzenia kręgowego: test niestabilności postawy (PIT) i test obchodzenia się z makaronem. Wszystkie trzy testy behawioralne są bardzo wrażliwe na urazy i są łatwe w użyciu. Dlatego uważamy, że te testy behawioralne mogą być pomocne w badaniu strategii terapeutycznych po cSCI.

Wprowadzenie

Uraz rdzenia kręgowego szyjnego (cSCI) jest najbardziej rozpowszechnioną formą SCI u pacjentów, stanowiąc około 62% wszystkich SCI (http://www.spinalcord.uab.edu). Urazy rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym mogą powodować upośledzenie kończyn górnych, a także oddychania. Niedawne badanie z udziałem pacjentów z cSCI sugeruje, że częściowa lub pełna funkcja ramienia i/lub dłoni jest uważana za główny priorytet 1. Dlatego ważnym celem jest opracowanie modeli cSCI i związanych z nimi testów behawioralnych, które są łatwe, czułe i niezawodne w użyciu. Istnieje kilka przydatnych testów behawioralnych do oceny funkcji kończyn przednich po cSCI u gryzoni 1-17, jednak wiele z tych testów jest trudnych w użyciu i wymaga specjalistycznego sprzętu. Testy obchodzenia się z makaronem zostały opracowane przez inne grupy18,19, ale testy te wymagają, aby zwierzęta były filmowane w specjalnych klatkach do jedzenia makaronu, co wymaga długiego okresu szkolenia, podczas gdy proponowana przez nas metoda może być wykonywana w klatce domowej zwierząt. Opisane wcześniej testy makaronu wymagają znacznego czasu analizy i często drogiego oprogramowania, w przeciwieństwie do opisanego tutaj testu. Celem naszej metody jest opracowanie i wykorzystanie testów behawioralnych, które są łatwe w użyciu, niezawodne i nie wymagają drogiego sprzętu. W szczególności opisany tutaj test naprzemienności kroków kończyn przednich pozwala naukowcom oszacować objętość zmiany na wczesnym etapie po urazie, zapewniając środki do stworzenia równoważnych grup leczenia przed zastosowaniem przewlekłego leczenia. W tym badaniu szczegółowo opisujemy trzy nowatorskie testy behawioralne: (1) naprzemienność kroków kończyn przednich, (2) niestabilność postawy i (3) obchodzenie się z makaronem.

Określenie odpowiednich testów behawioralnych może być trudne. Rzeczywiście, uważamy, że żaden test behawioralny nie jest w stanie odpowiednio ocenić funkcjonowania kończyn przednich. Dlatego sugerujemy zastosowanie kombinacji kilku testów behawioralnych do oceny funkcji kończyn przednich po SCI. Kategorycznie rzecz biorąc, należy zastosować zadanie typu lokomotorycznego w otwartym polu (np. skala lokomotoryczna kończyn przednich, cylinder), w którym zwierzęta są oceniane pod kątem używania kończyn przednich podczas normalnego poruszania się, oraz test specyficzny dla zadania, w którym zwierzęta są proszone o wykonanie określonego zadania wymagającego użycia kończyny przedniej (np. jedzenie makaronu, niestabilność postawy, siła chwytu itp.). Szczegółowo opisane tutaj testy behawioralne są przydatne do określenia nasilenia zmiany w ~ tygodniu po zmianie (zmiana kroku kończyny przedniej, niestabilność postawy, obchodzenie się z makaronem), wpływu jednostronnego uszkodzenia na przeciwległą kończynę przednią (zmiana kroku kończyny przedniej, niestabilność postawy) i drobnych ruchów motorycznych kończyn przednich (obchodzenie się z makaronem). Znajomość nasilenia i skutków zastosowanej zmiany może również dyktować odpowiednie testy behawioralne. Jeśli drobne ruchy motoryczne nadgarstka nie są możliwe po zmianie, stosowanie testu, który mierzy i określa ilościowo użycie łap kończyn przednich, jest niewłaściwe. Na przykład wiele z wcześniej opisanych testów obchodzenia się z makaronem przygląda się bardziej szczegółowo indywidualnym ruchom palców, jednak stwierdziliśmy, że przy ciężkości i lokalizacji naszego urazu nie ma to znaczenia i zamiast tego zaobserwowaliśmy różnice w ogólnym ułożeniu kończyny.

Badacze mogą ulec pokusie przeprowadzenia wielu testów behawioralnych i wykorzystania ich próbki do demonstracji na podstawie wyników, jednak zaleca się, aby dla każdego używanego modelu eksperymentalnego przeprowadzono badanie pilotażowe w celu określenia odpowiednich testów behawioralnych dla zmiany. Dlatego ważne jest, aby pamiętać, że użytkownik powinien mieć przynajmniej pewną wcześniejszą wiedzę na temat rodzaju deficytu i zakresu danego typu zmiany przed podjęciem decyzji o zastosowaniu testów behawioralnych. Ocena nasilenia zmian na podstawie wyników behawioralnych pozwala również na tworzenie grup terapeutycznych z równym rozkładem ciężkości zmian przed podaniem leczenia.

Protokół

Wszystkie procedury na zwierzętach zostały przeprowadzone zgodnie z zatwierdzonymi protokołami z wewnętrznym IACUC na Uniwersytecie Teksańskim w Austin i zgodnie z wytycznymi National Institutes of Health (NIH).

Zwierzęta użyte w tym badaniu miały uraz bocznego stłuczenia C3/C4 przy użyciu Infinite Horizon Impactor lub modelu bocznej hemisekcji C3/C4 i te metody mogą być stosowane szerzej do innych modeli18. Zalecamy, aby badacze badali zwierzęta przez 2 tygodnie przed urazem, 3 dni po urazie i regularnie (np. co tydzień) przez cały czas trwania badania. Podczas wykonywania testów behawioralnych na zwierzętach po operacji, zwłaszcza trzy dni po operacji, należy zadbać o to, aby zwierzęta wystarczająco wyzdrowiały po operacji i aby procedury testów behawioralnych nie powodowały dodatkowego bólu lub stresu u zwierząt.

Ogólnie, przed operacją mogą być potrzebne 2-3 tygodnie obsługi i wstępnych testów. Wiąże się to z zapewnieniem zwierzęciu komfortu w środowisku testowym poprzez obchodzenie się z nim w podobny sposób, w jaki będzie traktowane podczas testów, a także umożliwienie zwierzęciu swobodnego poruszania się po powierzchni testowej. Ważne jest również, aby zwierzę przyzwyczaiło się do trzymania, można to zrobić, przesuwając zwierzę po powierzchni testowej i w jej pobliżu ruchami niebezpośrednimi, aby przyzwyczaić zwierzę do obchodzenia się z nim. Ważne jest również, aby zrelaksować zwierzęta na początku i między sesjami testowymi. Aby zrelaksować zwierzęta, trzymaj zwierzę na blacie stołu w pozycji z oparciem tylko na kończynach przednich, w pozycji "taczki" i delikatnie odbijaj zwierzę na blacie, pozwalając przednim kończynom dotknąć powierzchni. Uczy to zwierzęta wyczuwania pod sobą stabilnej powierzchni i jest ważnym i niezbędnym krokiem w procedurze, ponieważ zapewnia, że zwierzęta są zrelaksowane przed rozpoczęciem testów.

1. Test zmiany kroku kończyn przednich

  1. Podsumowanie testu: Umieść zwierzęta tak, aby obie przednie kończyny dotykały blatu, aby określić, czy naprzemiennie używają przednich kończyn. Przesuń szczura do przodu, przesuwając jego środek ciężkości, zmuszając go do próby zrobienia kroku. Test ten powtarza się cztery razy dla każdego zwierzęcia i jeśli zwierzę wykazuje zdolność do zmiany na poziomie lub wyższym niż 75%, uważa się go za alternator. Jest to zadanie wymuszonego ruchu, więc zwierzęta, które są uważane za niealternatory, będą wielokrotnie stąpać tą samą kończyną przednią.
  2. Trzymaj zwierzę na blacie stołu w pozycji obciążającej tylko kończyny przednie, w pozycji "taczki" z ciałem pod kątem prawie 90° od stołu.
  3. Gdy zwierzę wydaje się zrelaksowane, popchnij je do przodu, aby poruszać się po powierzchni blatu.
  4. Określ i zapisz, czy szczur naprzemiennie używa kończyn przednich podczas poruszania się po powierzchni.
  5. Zanotuj i zapisz kończynę przednią, która zainicjowała ruch, oraz to, czy zwierzę może zmieniać kończyny, czy nie, w dostarczonym arkuszu wyników testu naprzemienności kończyn przednich (w zestawie).
  6. Powtórz ten test co najmniej dwa razy, trzymając zwierzę jedną ręką (prawą lub lewą). Powtórz co najmniej dwa razy, trzymając zwierzę w drugiej ręce.
  7. Jeśli szczury wykazały tę zdolność, można ponownie przetestować naprzemienność krokową, wprowadzając 5-sekundowy odstęp po pierwszym kroku, aby ustalić, czy wzorzec przemiany utrzymuje się po pewnym czasie. Zanotuj wyniki i zapisz je w arkuszu wyników.
  8. Test ten może być stosowany codziennie i zaleca się, aby zwierzęta były badane co najmniej raz w tygodniu w celu przeprowadzenia eksperymentu z powtarzanymi pomiarami.

Uwaga: Ważne jest, aby zmieniać pozycję ręki eksperymentatora, ponieważ może to wpłynąć na zmianę zachowania badanych zwierząt. Dostarczony arkusz wyników przemiany kroków może być używany do notowania pozycji łapy i używania podczas kroku. Chociaż obecnie nie włączyliśmy tych danych do naszego systemu punktacji (użyliśmy tylko alternatywnego statusu do pogrupowania zwierząt z uszkodzeniami w obecnym badaniu), użytkownicy mogą łatwo uwzględnić dane dotyczące pozycji łap jako część analizy, w zależności od konkretnego projektu.

2. Test niestabilności postawy

  1. Podsumowanie testu: W tym teście behawioralnym trzymaj szczury w podobnej pozycji, jak w teście naprzemienności kończyn przednich, jednak każda kończyna przednia powinna być testowana indywidualnie. Blat stołu należy przykryć papierem ściernym (nr 220), aby zapobiec ślizganiu się, usztywnianiu lub ciągnięciu kończyn przednich podczas badania.
    1. W badaniu tym rejestruje się odległość, jaką zwierzę musi pokonać, aby zrobić krok wraz z badaną kończyną przednią w celu odzyskania równowagi.
    2. Zwierzęta w grupie badanej powinny mieć w przybliżeniu tę samą wagę, wielkość i wiek, ponieważ duże różnice w masie ciała mogą powodować różnice w odległości podstawowej potrzebnej do utrzymania środka ciężkości dla danego zwierzęcia 19. Podczas korzystania z PIT należy uwzględnić grupę pozorowaną, aby sprawdzić, czy zmiany w zachowaniu są spowodowane regeneracją lub regeneracją, a nie wiekiem i przyrostem masy ciała.
  2. Trzymaj zwierzę na blacie stołu w wygodnej pozycji i pozwól, aby obie przednie kończyny dosięgły powierzchni, zwierzę powinno wygodnie znajdować się w pozycji "taczki" z ciałem pod kątem prawie 90° od stołu. Należy pamiętać, że ważne jest, aby trzymać zwierzę w bardziej pionowej pozycji. Pozwoli to na bardziej stałą odległość potrzebną do wyzwolenia kroku w celu odzyskania środka ciężkości.
  3. Lekko przymocuj jedną przednią kończynę do tułowia zwierzęcia i wyrównaj nos szczura z linią zerową, patrząc z góry.
  4. Przesuń szczura do przodu. Spowoduje to przesunięcie środka ciężkości zwierzęcia do przodu, stymulując zwierzę do kroku w celu odzyskania równowagi.
  5. Zapisz nową pozycję nosa po dwukrotnym kroku szczura i użyj średniej z tych dwóch kroków jako odległości potrzebnej do wyzwolenia kroku.
  6. Przetestuj każdą kończynę przednią niezależnie 5 razy, przywracając zwierzę do pozycji 0 i sprawdzając, czy zwierzę nadal jest zrelaksowane w rękach eksperymentatora, zanim przejdziesz do zapewnienia spójnych wyników.
  7. Zapisz w dostarczonym arkuszu wyników testu niestabilności postawy (PIT). Test ten może być wykonywany codziennie i zaleca się, aby zwierzęta były badane co najmniej raz w tygodniu przez czas trwania eksperymentu.

3. Test obchodzenia się z makaronem

  1. Podsumowanie testu: Użyj tego testu, aby określić czas potrzebny na zjedzenie kawałka makaronu i preferencje łapy podczas sesji jedzenia makaronu. W tym teście użyj 4,0 cm nitek suchego makaronu (cienkie spaghetti; średnica ~1,6 mm). Test powinien być wykonywany mniej więcej o tej samej porze każdego dnia testu. Gryzonie na ogół chętnie jedzą suchy makaron; Jednak jeśli tak się nie stanie, zaleca się 4-6 godzin odstawienia pokarmu przed badaniem.
  2. Pomiary wyjściowe należy wykonać 1-2 tygodnie przed urazem. Przed zapisami wyjściowymi szczury powinny otrzymać ten sam rodzaj makaronu w ich klatce domowej, aby przygotować je do testów. Następnie pozwól szczurom zjeść makaron w komorze testowej i zapisz czas jedzenia makaronu. Kawałki makaronu powinny być umieszczone w pobliżu przedniej części komory badawczej, gdzie można łatwo zaobserwować użycie kończyn przednich. Każda sesja jedzenia makaronu powinna obejmować zjedzenie co najmniej trzech kawałków makaronu. Szczury są uważane za biegłe w jedzeniu makaronu, jeśli ich czas jedzenia makaronu jest stały przez co najmniej 3 dni.
  3. Po przeszkoleniu szczurów w konsekwentnym jedzeniu makaronu w komorze testowej, umieść szczury w komorach rejestrujących.
  4. Umieść kawałki makaronu na podłodze w pobliżu przedniej części komory badawczej i zanotuj czas na zjedzenie kawałka makaronu, użytych kończyn przednich i pozycji kończyn przednich, jak pokazano na arkuszu wyników obchodzenia się z makaronem.
  5. Test ten można wykonywać codziennie, ale zaleca się wykonywanie go co tydzień, obserwując wagę zwierząt, aby nie przekarmiać zwierząt.

Uwaga: Arkusz wyników obchodzenia się z makaronem zapewnia miejsce na rejestrowanie czasu jedzenia makaronu i używania łap, podobnie jak dane zawarte w tym badaniu. Dodaliśmy również obszary, w których można rejestrować dodatkowe szczegóły dotyczące używania łap podczas sesji jedzenia makaronu, takie jak pozycja łapy.

Wyniki

Zalecamy regularne badanie zwierząt przez cały okres trwania eksperymentu w ramach badania z powtarzanymi pomiarami, aby uzyskać lepszą analizę oraz umożliwić analizę poprawy stanu zdrowia w czasie.

Test naprzemienności kroków przednich kończyn

Test ten został zaprojektowany w celu określenia zdolności zwierzęcia do naprzemiennego wykorzystywania kończyn przednich. W teście naprzemienności kroków kończyn przednich tylko 50% zwierząt było w stanie naprzemiennie używać kończyn przednich po cSCI 19 w 12-16 tygodniu po urazie (Ryc. 1A). Następnie wprowadzono opóźnienie (5 s), unieruchamiając zwierzę po pierwszym kroku, przed przesunięciem go do przodu w celu wykonania drugiego kroku. Tylko 50% zwierząt, które wykazywały naprzemienność kończyn (25% całej grupy z uszkodzeniem), było w stanie zachować naprzemienność po 5-sekundowym opóźnieniu (Ryc. 1B). Wyniki te skorelowano z badaniami anatomicznymi, a analiza wykazała, że osobniki wykazujące naprzemienność mają znacznie większy obszar zachowanego drogi korzeniowoprzewodowej [F(1,1) = 5.56, p < 0.05] oraz słupów tylnych [F(1,1) = 19.2, p < 0.003] po stronie przeciwległej do uszkodzenia 19. Dane te wskazują, że test naprzemienności kroków kończyn przednich może służyć do przewidywania stopnia nasilenia uszkodzenia, a także jego jednostronności. Test ten pozwala uzyskać nominalne dane kategoryczne, które powinny być analizowane za pomocą analizy z powtarzanymi pomiarami. W tym przykładzie nie zastosowano powtarzanych pomiarów; wykorzystano jeden punkt czasowy, aby zilustrować różnice między grupami. Każde zwierzę zostanie zakwalifikowane jako „alternator” (wykazujący naprzemienność) lub „non-alternator” (niewykazujący naprzemienności), co pozwoli na podział zwierząt na dwie grupy w zależności od stopnia urazu (odpowiednio: umiarkowany vs ciężki).

Test niestabilności posturalnej

Jednostronne uszkodzenia rdzenia kręgowego mogą powodować zmiany nie tylko w kończynie upośledzonej i/lub dotkniętej urazem, ale także w kończynie nieupośledzonej. Test niestabilności postawy (PIT) został wcześniej opisany i zastosowany u zwierząt w modelu gryzoni z chorobą Parkinsona 18 oraz w modelu gryzoni z cSCI 19. Wykorzystaliśmy PIT po cSCI i stwierdzono istotny wpływ stanu uszkodzenia [F(1,1) = 8,17, p < 0,01]. Ponadto przemieszczenie przedniej kończyny (odległość potrzebna do odzyskania środka ciężkości) było istotnie większe po stronie ipsilateralnej (prawa przednia kończyna) u zwierząt z urazem w porównaniu do zwierząt po operacji pozorowanej (6,00 ± 0,24 cm versus 8,00 ± 0,10 cm, p < 0,0001; Rysunek 2). Odległość przemieszczenia przedniej kończyny kontralateralnej była istotnie mniejsza u zwierząt z uszkodzeniem w porównaniu do zwierząt poddanych operacji pozorowanej (6,00 ± 0,25 cm dla grupy pozorowanej versus 4,00 ± 0,10 cm dla cSCI, p < 0,0001; Rysunek 2). Wynik ten wskazuje, że przednia kończyna kontralateralna również uległa zmianom w wyniku uszkodzenia strony przeciwległej (i.e. zmiany w regulacji postawy przez przednią kończynę kontralateralną w celu odzyskania środka ciężkości). Dane z tego testu będą miały charakter ilościowy i powinny zostać poddane analizie za pomocą ANOVA z powtarzanymi pomiarami, aby zbadać zmiany w grupach w trakcie trwania eksperymentu.

Test manipulacji pastą

Test manipulacji makaronem został zaprojektowany w celu oceny sprawności wykorzystania przedniej kończyny podczas jedzenia kawałka suchego makaronu. Podobny test był wcześniej stosowany do wykrywania deficytów w sprawnym posługiwaniu się przednimi kończynami w modelach zwierzęcych jednostronnego udaru i choroby Parkinsona 20,21 oraz po cSCI 19. W chronicznych punktach czasowych po urazie (12 tygodni po urazie) wszystkie zwierzęta z grupy pozorowanej jadły makaron, używając obu łap podczas okresu testowego. W grupie z uszkodzeniem stwierdzono, że całkowity czas zjedzenia kawałka makaronu jest zbliżony do grupy kontrolnej (Rysunek 3). Jednakże więcej zwierząt naprzemiennych (łagodniejszy uraz; 10 z 15) było w stanie posłużyć się przednią kończyną po stronie uszkodzenia w porównaniu z zwierzętami nienaprzemiennymi (grupa z ciężkim urazem; 1 z 7; Rysunek 3). Test manipulacji makaronem dostarcza danych zarówno ciągłych i ilościowych (czas zjedzenia makaronu), jak i kategorycznych (wykorzystanie łap), które należy odpowiednio analizować.

Zadanie naprzemiennego stawiania kroków, wykres słupkowy porównujący grupy pozorowane i z uszkodzeniem, z opóźnieniem i bez opóźnienia.
Rysunek 1. Przewlekła ocena funkcji kończyn przednich za pomocą testu naprzemiennego stawiania kroków przednimi kończynami wykazała dwie różne grupy zwierząt o różnym stopniu nasilenia uszkodzenia. Zwierzęta wykazały różnice w zachowaniu podczas stawiania kroków do przodu obiema łapami. Tylko 50% zwierząt z uszkodzeniem stawiał łapy naprzemiennie podczas chodzenia (alternatorzy; 5 z 10 szczurów z uszkodzeniem), podczas gdy pozostałe wykazały brak naprzemienności, stawiając dwa kroki kontralesjonalne pod rząd (nie-alternatorzy; 5 z 10 szczurów z uszkodzeniem). Większa liczba zwierząt wykazała tendencję do stawiania wielu kroków kontralesjonalnych, gdy między krokami wprowadzono 5-sekundowe opóźnienie (8 z 10 szczurów z uszkodzeniem).

Test niestabilności postawy; wykres słupkowy przedstawiający przemieszczenie w grupach pozorowanych i z uszkodzeniem.
Rysunek 2. Przewlekła ocena behawioralna kończyny przedniej z wykorzystaniem testu niestabilności postawy (PIT). Zgodnie z oczekiwaniami, kończyna przednia po stronie uszkodzenia u zwierząt z urazem rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym (cSCI) wykazała znacznie większą odległość przemieszczenia niż u zwierząt po operacji pozorowanej (6 cm versus 8 cm; *p<0.0001). Ponadto odległość przemieszczenia kończyny przedniej po przeciwnej stronie była znacznie mniejsza u zwierząt z uszkodzeniem w porównaniu do zwierząt poddanych operacji pozorowanej (6 cm versus 4 cm; *p<0.0001). Może to sugerować zwiększoną funkcję kończyny przeciwstronnej podczas testu PIT u zwierząt z uszkodzeniem.

Wykres procentowego wykorzystania kończyny przeciwstronnej i czasu jedzenia makaronu w badaniu nad uszkodzeniem; wynik analizy danych.
Rysunek 3. Ocena kończyn przednich za pomocą testu manipulowania i jedzenia makaronu wykazała znaczne upośledzenie u osobników z uszkodzeniem, które nie wykazywały naprzemienności. Zwierzętom podano standardowy kawałek makaronu. Odnotowano wykorzystanie łapy oraz czas spożycia makaronu. Wyniki wskazały, że niewielka liczba osobników z naprzemiennością (33%) korzystała wyłącznie z kończyny przedniej przeciwstronnej (co wskazuje na cięższe upośledzenie) w porównaniu do osobników bez naprzemienności (86%). Dodatkowo zwierzęta we wszystkich trzech grupach (grupa kontrolna sham, osobniki z uszkodzeniem z naprzemiennością oraz osobniki z uszkodzeniem bez naprzemienności) poświęciły podobną ilość czasu na zjedzenie makaronu (p<0,05). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Dyskusja

Uraz rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym (cSCI) może prowadzić do wyniszczających i zmieniających życie urazów u pacjentów. Istnieje wiele modeli urazów rdzenia kręgowego szyjnego opracowanych u gryzoni, które są wykorzystywane do badania plastyczności substratów nerwowych i środków terapeutycznych. Opracowanie czułych, skutecznych, powtarzalnych i łatwych w użyciu testów behawioralnych do oceny deficytów funkcjonalnych i powrotu do zdrowia po cSCI jest ważnym celem. W tym miejscu szczegółowo opisujemy zastosowanie trzech takich testów behawioralnych: naprzemienności kończyn, niestabilności postawy i obchodzenia się z makaronem.

Uraz rdzenia kręgowego u gryzoni, podobnie jak w populacji ludzkiej, jest urazem niejednorodnym. Bardzo podobny uraz może wywołać różne deficyty behawioralne. Dlatego ważne jest, aby określić nasilenie zmian u rannych zwierząt. Odkryliśmy, że zadanie zmiany kończyn jest bardzo skutecznym sposobem określenia, czy strona przeciwległa jest uszkodzona po jednostronnym urazie (hemisekcja lub uraz typu stłuczeń) rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym 19. Dane z naszej grupy wykazały, że zastosowanie tego zadania zmiany kończyn może określić ciężkość urazu w ciągu pierwszego tygodnia po urazie. Ponadto zwierzęta z cięższymi obrażeniami (niealternatory) miały istotnie inny profil powrotu do zdrowia w porównaniu z alternatorami (przy użyciu skali lokomotorycznej kończyn przednich). W związku z tym zadanie zmiany kończyn jest niezwykle przydatne w grupowaniu rannych szczurów na alternatory i niealternatory, szczególnie jeśli badanie obejmuje leczenie przewlekłe, aby zapewnić równy rozkład nasilenia zmian w każdej grupie leczenia.

Zaleca się, aby test naprzemienności kończyn przednich był stosowany w połączeniu z innymi zadaniami, które mogą badać użycie kończyn przednich zwierząt (takimi jak skala lokomotoryczna kończyn przednich lub test preferencji łapy cylindrycznej). Podczas przeprowadzania tego testu konieczne jest, aby eksperymentator wykonał test taką samą liczbę razy każdą ręką (np. dwa razy lewą ręką i dwa razy prawą), aby zminimalizować wpływ ułożenia ręki eksperymentatora na zachowanie szczurów. Ten test jest skuteczny tylko wtedy, gdy zwierzę jest zrelaksowane w rękach eksperymentatora; Sugerowane 2-3 tygodnie obsługi powinny zapewnić relaks. Ponadto, gdy zwierzę jest już zrelaksowane, eksperymentator powinien trzymać zwierzę pod kątem prawie 90° w pozycji taczki, aby zapobiec zmianom wewnątrz zwierzęcia.

Test alternacji kończyn przednich może również dostarczyć informacji na temat międzyrdzeniowych połączeń nerwowych, gdy zwierzęta nie są w stanie samodzielnie kroczyć łapą, ale są w stanie wykonać zadanie naprzemienne. Do normalnej lokomocji czworonożnej u zwierząt, takich jak szczury, zaangażowanych jest wiele obszarów mózgu, a także lokalne generatory wzorców centralnych (CPG) wzdłuż rdzenia kręgowego. Szczególnie dla rytmicznego ruchu kończyn przednich uważa się, że ważne są segmenty kręgosłupa szyjnego, C3-C622. Wcześniej opisaliśmy różnice anatomiczne między alternatorami i niealternatorami u zwierząt z uszkodzeniami (wykonano hemisekcję boczną w C3 / C4) i stwierdziliśmy więcej uszkodzeń przeciwległej kolumny grzbietowej i drogi korowo-rdzeniowej u zwierząt niezmieniających się18. Uważa się, że w przypadku ruchu kończyn przednich generator wzorców rytmicznych jest obecny na każdym poziomie półsegmentu szyjki macicy i że połączenia hamujące sznur krzyżowy są odpowiedzialne za przemianę23. Nasze wcześniejsze odkrycia anatomiczne sugerują również, że uszkodzenie przeciwległej strony rdzenia kręgowego może powodować zakłócenia rytmicznego wyjścia motorycznego (takiego jak naprzemienność), podczas gdy jeśli przeciwległa strona rdzenia kręgowego jest bardziej nienaruszona, rytmiczne wyjścia motoryczne są bardziej skłonne do normalnego funkcjonowania. Nie zaobserwowaliśmy istotnych uszkodzeń żadnej przeciwległej przyśrodkowej brzusznej części rdzenia, w związku z czym analiza ta nie została przeprowadzona.

Opisany tutaj test niestabilności postawy jest bardzo przydatnym testem, ponieważ może wykryć zmiany w obu kończynach przednich (ipsi- i przeciwlezyjne) spowodowane jednostronnym uszkodzeniem. Ważne jest, aby pamiętać, że ten test powinien być wykonywany tylko wtedy, gdy zwierzę jest zrelaksowane w rękach eksperymentatora. Z naszego doświadczenia wynika, że może to zająć codzienne obchodzenie się ze zwierzętami przez 2-3 tygodnie. Gdy eksperymentator i zwierzę czują się komfortowo, test ten jest bardzo czuły i może być wykorzystany do uzyskania wysoce spójnych danych dotyczących przemieszczenia dla każdej kończyny przedniej. Jeśli zwierzę jest spięte, eksperymentator może delikatnie przytrzymać zwierzę i przesunąć je w górę i w dół na stół, aż zwierzę poczuje się komfortowo i zrozumie, że stół jest bezpiecznym miejscem. Gdy zwierzę jest już zrelaksowane, ważne jest, aby trzymać je w pozycji taczki pod kątem prawie 90°, aby uzyskać spójne wyniki. Ten test jest łatwy do przeprowadzenia i zapewnia wgląd wykraczający poza inne testy behawioralne, dostarczając informacji na temat kompensacji i deficytu za pomocą jednego prostego zadania.

Szczury chętnie jedzą suchy makaron po treningu przed kamerą. Dlatego obchodzenie się z makaronem jest stosunkowo łatwym testem do przeprowadzenia. W tym badaniu rejestrowaliśmy i wykorzystywaliśmy dane dotyczące używania kończyn (lewa, prawa lub oba) oraz czasu na jedzenie tylko makaronu. Bardziej szczegółowa analiza, obejmująca regulacje łap podczas jedzenia makaronu, została opisana wcześniej u zwierząt z urazami, takimi jak jednostronne zmiany niedokrwienne i jednostronne wyczerpanie dopaminy w prążkowiu 20,21,24 . W związku z tym możliwe jest opracowanie i wykorzystanie bardziej czułej analizy z testu jedzenia makaronu po cSCI. Umieściliśmy pozycję łapy na arkuszu punktacji, ponieważ może to ujawnić ręczność lub umiejętności każdej ręki. Ponadto zwracamy uwagę na chwyt każdej łapy; Niektóre zwierzęta opierają łapę na jednej stronie makaronu, używając go prawdopodobnie jako podpory, zamiast chwytać makaron podczas jedzenia. Jeśli zwierzęta wahają się, czy jeść makaron, przed badaniem można wprowadzić do protokołu etap deprywacji żywności.

Oświadczenia

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować za finansowanie z Mission Connect, projektu Fundacji TIRR (CES i ZZK), Fundacji Craiga Neilsena (CES) oraz Stypendium Naukowego dla Absolwentów NSF (Grant #: 2011112479 dla SAG).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Użyto papieru ściernego3M5097Użyto papieru ściernego 3M Gold Fre-Cut.
Każdy papier ścierny o ziarnistości 220 będzie dobrze działał
Użyto suchego makaronuSkinnerSkinner Thin Spaghetti. Jest dostępny w Walmart

Bibliografia

  1. Anderson, K. D., Abdul, M., Steward, O. Quantitative assessment of deficits and recovery of forelimb motor function after cervical spinal cord injury in mice. Exp Neurol. 190, 184-191 (2004).
  2. Anderson, K. D., Gunawan, A., Steward, O. Quantitative assessment of forelimb motor function after cervical spinal cord injury in rats: relationship to the corticospinal tract. Exp Neurol. 194, 161-174 (2005).
  3. Anderson, K. D., Gunawan, A., Steward, O. Spinal pathways involved in the control of forelimb motor function in rats. Exp Neurol. 206, 318-331 (2007).
  4. Anderson, K. D., et al. Forelimb locomotor assessment scale (FLAS): novel assessment of forelimb dysfunction after cervical spinal cord injury. Exp Neurol. 220, 23-33 (2009).
  5. Ballermann, M., Metz, G. A., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J Neurosci Methods. 106, 39-45 (2001).
  6. Cao, Y., et al. Nogo-66 receptor antagonist peptide (NEP1-40) administration promotes functional recovery and axonal growth after lateral funiculus injury in the adult rat. Neurorehabil Neural Repair. 22, 262-278 (2008).
  7. Dai, H., et al. Delayed rehabilitation with task-specific therapies improves forelimb function after a cervical spinal cord injury. Restorative Neurology and Neurosciencel. 29, 91-103 (2011).
  8. Dai, H., et al. Activity-based therapies to promote forelimb use after a cervical spinal cord injury. J Neurotrauma. 26, 1719-1732 (2009).
  9. Gensel, J. C., et al. Behavioral and histological characterization of unilateral cervical spinal cord contusion injury in rats. J Neurotrauma. 23, 36-54 (2006).
  10. Gharbawie, O. A., Whishaw, P. A., Whishaw, I. Q. The topography of three-dimensional exploration: a new quantification of vertical and horizontal exploration, postural support, and exploratory bouts in the cylinder test. Behav Brain Res. 151, 125-135 (2004).
  11. Kim, D., et al. Transplantation of genetically modified fibroblasts expressing BDNF in adult rats with a subtotal hemisection improves specific motor and sensory functions. Neurorehabil Neural Repair. 15, 141-150 (2001).
  12. Liu, Y., et al. Transplants of fibroblasts genetically modified to express BDNF promote regeneration of adult rat rubrospinal axons and recovery of forelimb function. J Neurosci. 19, 4370-4387 (1999).
  13. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. J Neurosci Methods. 115, 169-179 (2002).
  14. Montoya, C. P., Campbell-Hope, L. J., Pemberton, K. D., Dunnett, S. B. The "staircase test": a measure of independent forelimb reaching and grasping abilities in rats. J Neurosci Methods. 36, 219-228 (1991).
  15. Schallert, T., Fleming, S. M., Leasure, J. L., Tillerson, J. L., Bland, S. T. CNS plasticity and assessment of forelimb sensorimotor outcome in unilateral rat models of stroke, cortical ablation, parkinsonism and spinal cord injury. Neuropharmacology. 39, 777-787 (2000).
  16. Schallert, T., et al. Tactile extinction: distinguishing between sensorimotor and motor asymmetries in rats with unilateral nigrostriatal damage. Pharmacol Biochem Behav. 16, 455-462 (1982).
  17. Schrimsher, G. W., Reier, P. J. Forelimb motor performance following cervical spinal cord contusion injury in the rat. Exp Neurol. 117, 287-298 (1992).
  18. Woodlee, M. T., Kane, J. R., Chang, J., Cormack, L. K., Schallert, T. Enhanced function in the good forelimb of hemi-parkinson rats: compensatory adaptation for contralateral postural instability? Exp Neurol. 211, 511-517 (2008).
  19. Khaing, Z. Z., et al. Assessing forelimb function after unilateral cervical spinal cord injury: novel forelimb tasks predict lesion severity and recovery. J Neurotrauma. 29, 488-498 (2012).
  20. Allred, R. P., et al. The vermicelli handling test: a simple quantitative measure of dexterous forepaw function in rats. J Neurosci Methods. 170, 229-244 (2008).
  21. Tennant, K. A., et al. The vermicelli and capellini handling tests: simple quantitative measures of dexterous forepaw function in rats and mice. J Vis Exp. , e2076(2010).
  22. Ballion, B., Morin, D., Viala, D. Forelimb locomotor generators and quadrupedal locomotion in the neonatal rat. The European journal of neuroscience. 14, 1727-1738 (2001).
  23. Ho, S. M. Rhythmic motor activity and interlimb co-ordination in the developing pouch young of a wallaby (Macropus eugenii. The Journal of physiology. 501 (Pt 3), 623-636 (1997).
  24. Whishaw, I. Q., Coles, B. L. Varieties of paw and digit movement during spontaneous food handling in rats: postures, bimanual coordination, preferences, and the effect of forelimb cortex lesions. Behav Brain Res. 77, 135-148 (1996).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Uraz szyjnego odcinka rdzenia kręgowegotest naprzemiennego stawiania przednich kończyntest niestabilności postawytest chwytania pastyocena funkcji przednich kończynmodele urazu rdzenia kręgowegotesty behawioralne powrotu do sprawnościanaliza deficytów motorycznychocena koordynacji kończynmodele zaburzeń neurologicznych
Ocena funkcji kończyn przednich po jednostronnym SCI szyjki macicy za pomocą nowych zadań: zmiana kroku kończyny, niestabilność postawy i obchodzenie się z makaronem
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.