Testy równowagi i koordynacji

Równowaga i koordynacja ruchowa są kluczowymi elementami zaangażowanymi w kontrolę ruchu. Obecnie rozumiemy podstawowe mechanizmy działania licznych systemów sensorycznych i przetwarzających, które pomagają nam utrzymać równowagę podczas wykonywania różnych czynności. Na naszą korzyść działają zwierzęta laboratoryjne, takie jak myszy, wykorzystują podobne systemy do utrzymania równowagi i koordynacji ruchowej. Naukowcy mogą zatem wykorzystać myszy do modelowania różnych warunków fizjologicznych, aby zaobserwować ich wpływ w testach równowagi i koordynacji ruchowej.

W tym filmie pokrótce omówimy neurofizjologię stojącą za równowagą i koordynacją, a następnie ogólne protokoły dla najczęściej stosowanych testów behawioralnych, a mianowicie rotarodu i równoważni. Na koniec przyjrzymy się niektórym aktualnym eksperymentom przeprowadzanym przy użyciu tych paradygmatów behawioralnych.

Zanim zagłębimy się w protokoły testów behawioralnych, przyjrzyjmy się neurofizjologicznym wejściom i jednostkom przetwarzającym, które decydują o naszej równowadze i koordynacji ruchowej.

Sygnały wizualne w połączeniu z wrodzonym poczuciem pozycji naszego ciała w przestrzeni, znanym również jako propriocepcja, są głównymi bodźcami sensorycznymi decydującymi o naszej równowadze. Receptory biorące udział w tym zjawisku, zwane proprioceptorami, znajdują się w mięśniach i stawach i dostarczają informacji o naszym stanie fizycznym do ośrodkowego układu nerwowego. Ta informacja, w połączeniu z danymi wejściowymi z układu przedsionkowego, który znajduje się w naszym uchu wewnętrznym, składa się na resztę naszego "zmysłu proprioceptywnego". Układ przedsionkowy składa się z trzech półkolistych przewodów zwieńczonych bańką, które razem nazywane są kanałami. W tych kanałach znajduje się płyn zwany endolimfą. Wyspecjalizowana struktura znana jako cupula, znajdująca się w bańce każdego kanału, zawiera komórki rzęsate, które wytwarzają rzęski. To właśnie te rzęski są wyginane przez poruszającą się endolimfę i przekazują tę informację do jąder przedsionkowych, które znajdują się w pniu mózgu. W pniu mózgu dane wejściowe z oczu, stawów i układu przedsionkowego są sortowane i priorytetyzowane.

Wreszcie, wszystkie te bodźce sensoryczne wędrują do móżdżku, który podświadomie koordynuje informacje proprioceptywne i wizualne, aby dostroić polecenia motoryczne w celu zwiększenia precyzji i koordynacji mięśni. Chociaż odkryto wiele na temat neurologicznych podstaw równowagi i koordynacji, naukowcy wciąż próbują zrozumieć patofizjologię różnych zaburzeń ruchowych. Jednym z narzędzi wykorzystywanych w tym celu przez naukowców jest test behawioralny gryzoni badający równowagę i koordynację.

Omówmy najczęściej stosowany test na to zjawisko - rotarod.

Aparat Rotarod składa się z trzech elementów. Po pierwsze, kołek wirujący, który jest dostępny w różnych rozmiarach. Po drugie, tory z podziałami: aparatura może składać się z wielu torów, co pozwala badaczom na testowanie do pięciu zwierząt jednocześnie lub tylko jednego toru do testowania jednego zwierzęcia na raz. Po trzecie, platformy znajdujące się pod każdym pasem, które zapewniają bezpieczną strefę lądowania dla zwierzęcia, jeśli spadnie z obracającego się kołka. W bardziej nowoczesnym sprzęcie platformy te mogą wykrywać spadające zwierzęta i automatycznie rejestrować "czas do upadku".

Przed treningiem lub eksperymentami okres aklimatyzacji zapewnia, że zwierzęta są w spokojnym stanie przed testami. Sesje treningowe polegają na chodzeniu zwierząt na rozpędzającym się rotarodze przez kilka sesji dziennie przez szereg dni i są uważane za zakończone, gdy średni "czas do upadku" zwierząt zaczyna się stabilizować. Początkowo obrót jest ustawiany na niską prędkość, podczas gdy zwierzęta są umieszczane na kołku, a następnie obrót jest stopniowo zwiększany do prędkości maksymalnej. Myszy powinny mieć możliwość odpoczynku pomiędzy biegami treningowymi i w tym czasie aparatura powinna być dokładnie wyczyszczona.

Po przeszkoleniu można przeprowadzić interwencje eksperymentalne, takie jak leczenie farmakologiczne, zmiany wywołane chirurgicznie lub inne manipulacje fizyczne. W przypadku testowania postępuj zgodnie z tym samym protokołem, co podczas sesji treningowej, w której prędkość kołków jest stopniowo zwiększana, a dane są rejestrowane jako "czas do upadku". Należy określić maksymalny czas badania, aby nie przemęczać zwierząt. "Czas do upadku" dla każdej myszy jest rejestrowany i uśredniany w różnej liczbie prób w zależności od eksperymentu.

Drugi powszechny test behawioralny, który testuje równowagę i koordynację, wykorzystuje wiązkę. Istnieje wiele różnych belek równoważących, w tym proste, złożone i skośne belki, ale podstawowa konfiguracja składa się z belki o długości jednego metra zawieszonej 50-100 centymetrów nad stołem lub powierzchnią. Czujniki ruchu lub rejestratory wideo są dostępne do pomiaru czasu przechodzenia wiązki przez zwierzęta. Zamknięte pudełko zawierające materiał do zagnieżdżania się znajdujące się w punkcie końcowym służy jako atrakcja dla myszy, podczas gdy oświetlenie w punkcie początkowym działałoby jako bodziec awersyjny.

Trening na równoważni odbywa się zwykle do trzech razy dziennie przez kilka dni. Trening trwa do momentu, gdy średni czas przejścia wiązki zacznie się stabilizować; Jednak przetrenowanie może prowadzić do zwiększonego przeciągania i obracania się na belce. Po eksperymentalnej modulacji rozpoczyna się faza testowania, a dane są rejestrowane jako "czas do przejścia". Zazwyczaj wyniki uzyskuje się poprzez uśrednienie co najmniej dwóch krzyżówek, w których badane zwierzę nie zatrzymało się lub nie wymagało poganiania.

Teraz, gdy widzieliśmy eksperymentalne konfiguracje powszechnie stosowanych testów behawioralnych, przyjrzyjmy się niektórym konkretnym zastosowaniom tych metod.

Starzenie się jest normalnym procesem biologicznym, którego jedną z konsekwencji jest degradacja układu przedsionkowego, ponieważ komórki rzęsate wytwarzają mniej rzęsek, a także zaczynają obumierać. Skutkiem tego jest utrata równowagi, która może skutkować zwiększoną liczbą upadków u osób starszych. W tym eksperymencie myszy w różnym wieku przeszły wyzwanie przedsionkowe, w którym obracano je w rotatorze przez 20 sekund, a zaraz po tym poproszono o przejście przez pochyłą belkę. Naukowcy zaobserwowali, że starsze myszy są bardziej dramatycznie dotknięte prowokacją przedsionkową niż młodsze myszy.

Testy Rotarod są przydatne w badaniu deficytów motorycznych i odporności na zmęczenie, dzięki czemu idealnie nadają się do badania chorób takich jak dystrofia mięśniowa. Cechą charakterystyczną dystrofii mięśniowej jest uszkodzenie mięśni, które ostatecznie prowadzi do deficytów w mobilności, koordynacji i równowadze. W tym eksperymencie naukowcy porównali czas pracy rotarodu między myszami typu dzikiego a mysimi modelami dystrofii mięśniowej.

Choroba Parkinsona charakteryzuje się śmiercią neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej i często objawia się deficytami motorycznymi i utratą koordynacji. W tym eksperymencie przeprowadzono trudny test wiązki. Porównując myszy typu dzikiego z genetycznie zmodyfikowanym modelem choroby Parkinsona, zaobserwowano, że myszy z chorobą Parkinsona miały zwiększoną liczbę błędów na krok i zwiększoną liczbę błędów na szerokość wiązki.

Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat testów równowagi i koordynacji. W tym filmie omówiono neuronalne korelaty równowagi i koordynacji, niektóre ważne metody testowania równowagi, a na koniec kilka zastosowań tych testów behawioralnych w dzisiejszych laboratoriach neurobiologicznych. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!