Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Асимметричная дорожка: Роман Поведенческая Анализ по изучению Asymmetric Locomotion

8.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52921

⸱

15 января 2016 г.

 ,  , 
1Neural Engineering Laboratory, Biomedical Research Center, West Virginia University School of Medicine

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для количественной оценки точного шага у грызунов. Корковые и спинномозговые сигналы генератора паттернов необходимы для точной постановки стопы во время затрудненной локомоции. Здесь мы рассказываем о новой задаче ограниченной ходьбы, которая непосредственно исследует точное поведение при ходьбе.

Аннотация

Поведенческие анализы обычно используются для оценки сенсомоторных нарушений в центральной нервной системе (ЦНС). Наиболее изощренные методы для количественного дефицита опорно-двигательного аппарата у грызунов является измерение минуту нарушения походки безусловной надземных (например., Руководство оценка BBB или автоматизированная CatWalk). Тем не менее, корковые входы не требуется для генерации основного передвижения производимого спинного центрального генератора шаблона (CPG). Таким образом, непринужденно пешеходные задачи проверки дефицит опорно-двигательного аппарата из-за корковой двигательной недостаточности лишь косвенно. В этом исследовании, мы предлагаем новый, точный футов размещения двигательную задачу, оценивает корковых входов к спинному CPG. Приборами PEG-путь был использован навязать симметричные и асимметричные задачи опорно-двигательного аппарата, имитирующих дефицит латерализованых движения. Мы показываем, что сдвиги от равноудаленных длины между Stride 20% вызывают изменения в передней конечности позиция фазовых характеристик во время передвижения с привдопустил ошибку длина шага. Кроме того, мы предлагаем, что асимметричная дорожки позволяет для измерения поведенческих результатов, полученных с помощью сигналов управления корковых. Эти меры актуальны для оценки обесценения после коркового повреждения.

Введение

Постинсультная заболеваемость в сохранившихся населения включает в себя грубые нарушения двигательных, которые представляют собой вызов для количественной оценки в обоих людей после инсульта и животных моделей неврологические нарушения 1. В клинической практике эти моторные нарушения оцениваются с использованием субъективных критериев, которые более чувствительны к тяжелой, чем умеренными нарушениями, проявляемой большинства пациентов. Точно такие субъективные оценки поведения после травмы двигателя на животных являются общими, например., То Бассо, Битти и Бреснахан (ВВВ) опорно-двигательного аппарата масштаб метод 2,3. В то время как эти субъективные методы оценки помогают перевод между реабилитации походки исследований в четвероногих животных моделях и у человека, детали дефицита моторных, связанных с активностью отдельных групп мышц не оценивали. Кроме того, оценка вклада двигателя корковой к передвижению, как предполагаемого виновника дефицита двигательной цереброваскулярных аварии,могут быть получены лишь косвенно, даже с использованием самых новых автоматизированных количественных методов 4,5, так как они опираются на открытое поле или линейных пешеходных задач. Эти задачи не требуют кортикального вклад и может быть выполнена с помощью нейронных механизмов спинного мозга, то есть, центральный образец генератора (CPG) сети, который избавлен в большинстве животных моделей нейронной повреждений, например, spinalized животных 6 -.. 8 , Основные корковых вклад в эти спинного механизмов экспериментально вовлечен в задачах, которые требуют корректировки ожидаемых осанкой 9 и 10 идущие, а также точный шагая 10.

Кроме того, большинство неврологические повреждения является асимметричным; Например, инсульт вызывает гемипарез, т.е. слабость на одной стороне тела, что приводит к асимметричному походки 11 -. 14. Асимметрия гемиплегической походкой производится путем асимметричного spatiotemporАктивация мышцы аль наиболее значительно проявляется в сокращении разгибателей ассоциированных фазе позицию и удлинения сгибателей ассоциированных качели фазы шага цикла на паретичной стороны 15,16. Эта тенденция еще не были изучены через диапазоне скоростей локомоторных в здоровых или паретичных животных. В данном исследовании мы использовали анализ длительности фаз характеристик 17, который описывает взаимосвязь между продолжительностью свинг или мировоззренческими фаз в зависимости от продолжительности цикла на каждой стадии. Полученный модель линейной регрессии затем дополнительно описано с анализом асимметрии во всех конечностей.

Мы сообщаем новый метод недорогой для оценки деятельности по убыванию корковых входов в моторной системе четвероногих животных, основанных на точном степпинг опорно-двигательного задания. Эта задача предназначена, чтобы бросить вызов двигателя кору путем наложения требования по размещению ног над естественным диапазоне скоростей пешеходных. К тому жеТребования по колено размещение манипулируют, чтобы преимущественно вызов левую или правую сторону двигательной системы. В подобной задачи опорно-двигательного аппарата, Мец и Уишоу (2009) исследовали цены отказа, количество пропущенных шагов по неправильной дорожке ступеньки, у крыс. Наш метод является дополнением к этой предыдущем исследовании, и детали качества контроля фаз в "успешной" шаги 18.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

В следующем обучение парадигма использует анализ фазовых регулировок среднего взрослого Спрэг Dawley крысы. Пожалуйста, убедитесь, что протокол, описанный здесь, в соответствии с вашими институциональных принципов по уходу за животными. Все процедуры в этом исследовании, были выполнены в соответствии с уходу и использованию комитета Институциональная животных (IACUC) и Бюро лабораторных животных благосостояния (OLAW) в Западной Вирджинии школы медицины университета и соблюдает Национальных Институтов руководящих принципов Здоровья для использования экспериментальное животные.

1. Оборудование установки

  1. Построить асимметричный дорожку как пластиковая коробка с открытым верхом приготовился с алюминием поддерживает на каждом углу измерения 155 см х 104 см (рис 1). Приготовьтесь верхние края коробки с алюминиевыми баров канавками на обеих сторонах, чтобы позволить альтернативным размещения колышек, по периметру коробки, так что каждый последующий колышек на той же стороне определяет длину шага.
  2. Поместите 20 см х 20 см платформу, на каждом углу (всего четыре) отделение условия, представленные на каждой стороне. Это расстояние должно быть достаточно для включения расстояния, проходимого одной крысы шаг цикла.
    1. Используйте колышки из алюминия с размерами 20 см х 1 см х 0,5 см. Согните верхнюю часть каждого колышек 2,5 см от кончика, чтобы произвести платформу размещения ног.
    2. Закрепите колышки с канавками баров с использованием раздвижных внутри скобок через обрабатываемых отверстий на том же расстоянии, чтобы обеспечить горизонтальное положение Уровень. Отрегулируйте положение с помощью отвертки и правитель. Использование 1 см ширины, что стержневую приблизительно соответствует среднему размеру лапы крысы; более худым или более колышки либо неудобно, либо увеличить изменчивость размещения ног.
  3. Манипулирование размещение колышек на каждой стороне, чтобы произвести один из трех точных условий степпинг призов.
    1. Продукция симметричный двигательную задачу с длиной шага 15 см (SL15), установив ушел, яГюнтер-длина шага (L ISL) и нужной длины шага между (г ISL) в половине длины шага (7,5 см).
    2. Наложить дополнительную симметричную условие (SL12) путем изменения л ISL ISL и г длины до 6,0 см.
    3. Производят асимметричные задачи путем изменения расстояния между штифтами на левой и правой сторонах, называют длину между шагом. Чтобы бросить вызов системе двигателя асимметрично, изменить л ISL ISL и г на 20% наложить короткие длины между Stride либо слева (L6R9 состоянии) или справа (L9R6) побочные. 1,5 см возмущения наложить л ISL 6 см и г ISL 9 см за состояние L6R9, или л ISL 9 см и г ISL 6 см за состояние L9R6
  4. Для крыс, держите длину шага для всех условий, кроме SL12 в предпочтительных 15 см.
  5. Для удобства, присвоить каждому длинной стороне тротуара асимметричный состояние пользу либо влево или RIGHT сторона предмета, при сохранении двух коротких сторон для симметричного состояния управления.
  6. Настройка камеры высокой четкости с частотой дискретизации не менее 60 Гц, так что размещение конечностей на колышки беспрепятственно с камерой указывая перпендикулярно к проходу с полем зрения общей площадью около 7 шагов. Первый и последний этапы в непосредственной близости от платформ игнорируются.

2. Обучение по Аппарата

  1. Пожалуйста, используйте стандартные учебные ресурсы, например., Низ Обучение в Основном Biomethodology для лабораторных крыс, чтобы ознакомиться с общей поведенческой подготовки грызунов.
  2. В начале обучения, акклиматизироваться предметы, помещая и награждение их на платформе см 20 х 20, по крайней мере 5 мин. Затем, направлять животных по всей договоренности колышек с 1 см и длиной шага между следующую платформу на презентации пищевой наградой. Награда животных устно и ласки для достижения платформы.
  3. ОтрядеR 5 проходит подготовка, космические колышки ЭКСТРА 1 - 2 см друг от друга и выполняют следующие 5 учебных трасс. Перечисленные в настоящем документе количество повторений достаточно, чтобы произвести статистически соответствующий размер выборки (20 - 35 шагов).
    1. Если животное медленно, как судить по консистенции степпинга (не остановить) и позы (выгнутая спина) приобретает задача, а затем сосредоточиться обучение на укрепление этих навыков в короткие длины шага, (S12), прежде чем возобновить обучение на длинных шагов ( S15) в конечном итоге приближается к желаемой длины шага.
    2. Если новый интервал вызывает беспокойство или дискомфорт с задачей, скорректировать колышки к предыдущей настройке и повторите обучение парадигму.
    3. Продолжить с этим обучение, пока соответствующие длины между Stride не будут достигнуты за четыре условия и стандарты опорно-двигательного аппарата выполнены. По нашему опыту, крысы реагируют на вокальной поддержки, как сигналы для инициирования судебного разбирательства. Тестирование может быть сделано в тот же день, как обучение при условии,субъекты мотивированы, чтобы выполнить задачу.
      Примечание: Стандарты опорно-двигательного аппарата являются: ходьба является последовательной и не привлекать остановки или оплошностей; голова подпрыгивая минимальна; спина изогнута и хвост поднят во время передвижения; каждой конечности хорошо виден с ортогональной зрения прохода в начале и смещение фазы позиции. Этот процесс выбора является существенным, как в настоящем исследовании основное внимание только на прогулки, а не другое поведение гэйтинг.

3. Тестирование и анализ данных

  1. Экспериментальные животные на S12, S15, L9R6 и L6R9 задач (описанные в разделе 1.3), используя рандомизированное дизайн сессии. Используйте перерывы, чтобы избежать адаптации в рамках задачи.
  2. Запись сеансов с камеры высокой четкости с частотой дискретизации не менее 60 Гц. Импорт видеозаписей без повторного отбора проб в видеоредактор и выберите только пешеходные приступы для дальнейшего анализа.
  3. Отметить приступы и смещения кинематических фазахв видеозаписях от каждого субъекта.
  4. Вот, используйте программного обеспечения на заказ под названием videoa написанное в Matlab, чтобы вручную определить время позицию начала и смещение для каждой конечности на основе кадр за кадром, где позиция начала указывается потерей размытия движения, связанного с размещением конечностей на колышек, и позиция смещения, происходящие в начале конечностей взлета, указывается на первой доказательств размытия движения.
  5. Рассчитать продолжительность качели фазы, как время, оставшееся между двумя последовательными кинематических мировоззренческими приступы. Исключить любое поведение не согласуется с надземной четвероногих ходьбе, например., Когда походка содержит двойную фазу качели (оба передних конечностей или задних конечностей от земли), из производства анализов.
  6. Участок продолжительность каждого этапа в зависимости от продолжительности соответствующий шаг цикла. Захват отношения с линейной регрессионной модели (Tphase = В1 + В2 * Тс), полученные для каждой конечности, где Тс продолжительность цикла, Tphase является электроннойither Те разгибателей, связанные с веществами или Т, который является сгибателей, связанных с качели, и B1 и B2 эмпирические константы (смещение и наклон) из регрессионной модели.
    Примечание: Наклон (В2) представляет собой сумму изменения в продолжительности фаз с изменением скорости передвижения.
  7. Используйте уравнения 1 и 2 (рис 2С) для каждой конечности для расчета индекса асимметрии (AI). Оба уравнения имеют ту же форму простого соотношения, что нормализует разность двух значений на их сумму.
    1. Использование уравнения 1, подсчитать разницу по горизонтали (А.И. ч), который использует разницу между склонами позицию модуляции левого (L) и правый (R) конечностей. Точно так же, рассчитать вертикальную асимметрии (МА V), используя склоны от задней (р) конечностей передней / передней (а) и задней /. Результатом применения этих двух уравнений является набором из 4 точек ху соответствующих 1) передних конечностей асимметрии, AAI ч; 2) задних конечностей асимметрия, Пай ч; 3) передней левой лапы-задних конечностей асимметрию, Лай v; 4) право передняя конечность-задних конечностей асимметрия, Рай v.
    2. Участок эти значения в виде пластыря (рис 2B) для визуального представления асимметрии во всех конечностях.
  8. Рассчитать диагональность индексы (DI), чтобы оценить связь между диагональной параметров передней конечности и ее противоположной задней конечности (уравнение 3, рис 2С).
  9. Проверьте DI, а также разницу между четырех ИИ условиях противодействия асимметрии (ΔAI = | AIL9R6 - AIL6R9 |) для статистической значимости с использованием одностороннего ANOVA с ретроспективном сравнении средства анализа 19

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Рисунок 2 показывает анализ асимметрии во двигательного задач для одного представительного субъекта. Значения были рассчитаны для всех условий, используя уравнение 1 и 2 от всех субъектов отдельно (Рисунок 2) и из композиционных данных 8 женщин Спрэг Dawley крыс (250 - 400 г, рис 3). Как правило, модуляция фазы передней конечности позиция была менее для стороны, к которой условие передвижения был благоприятствования (короткое ISL), в соо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Обоснованием для этого исследования была разработка поведенческой задачи, которая количественно оценивала бы изменения в точном контроле асимметричного локомоторного поведения. Существование спинального ЦПГ было функционально продемонстрировано в течение некоторого времени20, но анатомические и функциональные характеристики, описывающие его механизм, а также его модулирующие входы от нисходящих путей или путей сенсорной обратной связи, не были охарактеризованы до последнего десятилетия6,21,22. В нас...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Крисс Франклин, Аманда Поллард и Джастин Шаффер помогали в дрессировке животных и сборе данных. Сара Фримен и Алиса Иванова внесли свой вклад в анализ данных. Это исследование проводится при поддержке WVU School of Medical Start-Up, NIH/NIGMS U54GM104942 и NIH CoBRE P20GM109098.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
МАТЛАБ&рег; R2013aMathWorksПроектная платформа для пользовательского видео программное обеспечение для аннотаций
видео Sony HDR-CX380/B High Definition HandycamSony27-HDRCX330/BУстройство сбора видео.
Jif Сливочное арахисовое масло - без глютена 454 гJ.M. Smucker CompanyFood reward стимул.
Сахароза в таблетках - Шоколад 1800 гTestDiet1811256Стимул к вознаграждению за питание.
Грызущие палочки из дерева Manzanita BioServeW0016Для презентации пищевого стимула.

Ссылки

  1. Curzon, P., Zhang, M., Radek, R. J., Fox, G. B. The Behavioral Assessment of Sensorimotor Processes in the Mouse: Acoustic Startle, Sensory Gating, Locomotor Activity, Rotarod, and Beam Walking. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience.. , 2nd ed, (2009).
  2. Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
  3. Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. Graded histological and locomotor outcomes after spinal cord contusion using the NYU weight-drop device versus transection. Experimental Neurology. 139 (2), 244-256 (1996).
  4. Li, S., Shi, Z., et al. Assessing gait impairment after permanent middle cerebral artery occlusion in rats using an automated computer-aided control system. Behavioural Brain Research. 250, 174-191 (2013).
  5. Vandeputte, C., Taymans, J. -M., et al. Automated quantitative gait analysis in animal models of movement disorders. BMC Neuroscience. 11, 92(2010).
  6. Yakovenko, S. Chapter 10 - A hierarchical perspective on rhythm generation for locomotor control. Progress in Brain Research. 188, Elsevier BV. 151-166 (2011).
  7. Giszter, S. F., Hockensmith, G., Ramakrishnan, A., Udoekwere, U. I. How spinalized rats can walk: biomechanics, cortex and hindlimb muscle scaling - implications for rehabilitation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1198, 279-293 (2010).
  8. Smith, J. L., Edgerton, V. R., Eldred, E., Zernicke, R. F. The chronic spinalized cat: a model for neuromuscular plasticity. Birth Defects Original Article Series. 19 (4), 357-373 (1983).
  9. Yakovenko, S., Drew, T. A motor cortical contribution to the anticipatory postural adjustments that precede reaching in the cat. Journal of Neurophysiology. 102 (2), 853-874 (2009).
  10. Yakovenko, S., Krouchev, N., Drew, T. Sequential Activation of Motor Cortical Neurons Contributes to Intralimb Coordination During Reaching in the Cat by Modulating Muscle Synergies. Journal of Neurophysiology. 105, 388-409 (2011).
  11. Pizzi, A., Carlucci, G., Falsini, C., Lunghi, F., Verdesca, S., Grippo, A. Gait in hemiplegia: Evaluation of clinical features with the Wisconsin Gait Scale. Journal of Rehabilitation Medicine. 39 (9), 170-174 (2007).
  12. Bohannon, R. W., Horton, M. G., Wikholm, J. B. Importance of four variables of walking to patients with stroke. International Journal of Rehabilitation Research. 14 (3), 246-250 (1991).
  13. Richards, C., Malouin, F., Dumas, F., Tardif, D. Gait velocity as an outcome measure of locomotor recovery after stroke. Gait Analysis. Theory and Application. , 355-364 (1995).
  14. Thaut, M. H., McIntosh, G. C., Rice, R. R. Rhythmic facilitation of gait training in hemiparetic stroke rehabilitation. Journal of the Neurological Sciences. 151, 207-212 (1997).
  15. Hsu, A. -L., Tang, P. -F., Jan, M. -H. Analysis of impairments influencing gait velocity and asymmetry of hemiplegic patients after mild to moderate stroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (8), 1185-1193 (2003).
  16. Jansen, K., De Groote, F., Duysens, J., Jonkers, I. Muscle contributions to center of mass acceleration adapt to asymmetric walking in healthy subjects. Gait & Posture. 38 (4), 739-744 (2013).
  17. Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta physiologica Scandinavica. 521, 1-75 (1983).
  18. Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visualized Experiments : JoVE. (28), 4-7 (2009).
  19. Hogg, R. V., Ledolter, J. Engineering Statistics. , MacMillan. New York, NY. (1987).
  20. Brown, T. G. The intrinsic factors in the act of progression in the mammal. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character. 84 (572), 308-319 (1911).
  21. Kiehn, O. Locomotor circuits in the mammalian spinal cord. Annual Review of Neuroscience. 29, 279-306 (2006).
  22. Blitz, D. M., Nusbaum, M. P. State-dependent presynaptic inhibition regulates central pattern generator feedback to descending inputs. The Journal of Neuroscience. 28 (38), 9564-9574 (2008).
  23. Martin, J. H., Ghez, C. Red nucleus and motor cortex: parallel motor systems for the initiation and control of skilled movement. Behavioural Brain Research. 28 (1-2), 271-223 (1998).
  24. Drew, T., Jiang, W., Kably, B., Lavoie, S. Role of the motor cortex in the control of visually triggered gait modifications. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 74 (4), 426-442 (1996).
  25. Drew, T., Andujar, J. -E., Lajoie, K., Yakovenko, S. Cortical mechanisms involved in visuomotor coordination during precision walking. Brain Research Reviews. 57 (1), 199-211 (2008).
  26. Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20 (1), 84-91 (1989).
  27. Uluç, K., Miranpuri, A., Kujoth, G. C., Aktüre, E., Başkaya, M. K. Focal Cerebral Ischemia Model by Endovascular Suture Occlusion of the Middle Cerebral Artery in the Rat. Journal of Visualized Experiments : JoVE. 48, e1978(2011).
  28. Hackney, D. B., Finkelstein, S. D., Hand, C. M., Markowitz, R. S., Black, P. Postmortem Magnetic Resonance Imaging of Experimental Spinal Cord Injury Magnetic Resonance Findings versus In Vivo Functional Deficit. Neurosurgery. 35 (6), 1104-1111 (1994).
  29. Kjaerulff, O., Kiehn, O. Distribution of Networks Generating and Coordinating Locomotor Activity in the Neonatal Rat Spinal Cord In Vitro: A Lesion Study. The Journal of Neuroscience. 16 (18), 5777-5794 (1996).
  30. Liddell, E. G. T., Phillips, C. G. Striatal and pyramidal lesions in the cat. Brain. 69 (4), 264-279 (1946).
  31. Beloozerova, I. N., Sirota, M. G. The Role of the Motor Cortex in the Control of Accuracy of Locomotor Movements in the Cat. Journal of Physiology. 461, 1-25 (1993).
  32. Hill, K. D., Goldie, P. A., Baker, P. A., Greenwood, K. M. Retest reliability of the temporal and distance characteristics of hemiplegic gait using a footswitch system. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (5), 577-583 (1994).
  33. Hillyer, J. E., Joynes, R. L. A new measure of hindlimb stepping ability in neonatally spinalized rats. Behavioural Brain Research. 202 (2), 291-302 (2009).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

MATLAB
Асимметричная дорожка: Роман Поведенческая Анализ по изучению Asymmetric Locomotion
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.