Методическая статья

Отслеживание индивидуальных показателей бега у мышей с помощью протокола добровольного бега на колесах, который сводит к минимуму социальную изоляцию

DOI:

10.3791/67960

⸱

18 апреля 2025 г.

 ,  ,  , 
1Department of Biological & Biomedical Sciences, College of Science & Mathematics, Rowan University

В этой статье

Краткое содержание

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

Этот протокол описывает эффективную модель добровольного движения колес, которая может быть реализована в различных исследовательских контекстах. В отличие от других моделей добровольного бега, этот метод позволяет избежать изолированного жилья при отслеживании показателей бега у отдельных мышей.

Аннотация

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

Добровольный бег по колесам (VWR) у грызунов используется для оценки производительности и выносливости, а также для имитации упражнений. В отличие от других парадигм упражнений, которые требуют аверсивного стимула для стимулирования активного движения, бег на колесах является добровольным. VWR обычно заключается в размещении бегового колеса внутри домашней клетки мыши. Тем не менее, анализ параметров упражнений обычно может быть проведен только при индивидуальном размещении мышей, в то время как общие эффекты в клетке могут быть зарегистрированы, когда мыши содержатся в группе. Таким образом, современные модели вынуждают экспериментаторов выбирать между измерением индивидуальных параметров упражнений у мышей, содержащихся в одном доме, и измерением групповых эффектов у мышей, содержащихся в группе; В зависимости от исследовательского вопроса и модели, это может быть ограничением.

Следовательно, целью этого метода является демонстрация протокола, который оценивает VWR в мышиной модели путем количественной оценки рабочих параметров на отдельных мышах, с минимальной изоляцией. Мы составляем отчеты о проектировании устройства, предоперационной подготовке и постановке эксперимента. Результаты 6-недельного тренировочного протокола с использованием этой модели VWR свидетельствуют о том, что она обеспечивает достаточный стимул для увеличения памяти на пространственное распознавание объектов, сравнимого с клиническим эффектом физических упражнений. Эта простая и недорогая модель облегчает исследование влияния VWR на множественные измерения активности колеса, сводя к минимуму факторы, которые могут ограничить или повлиять на результаты эксперимента.

Введение

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

Физические упражнения благотворно влияют на физиологическое и психологическое здоровье и могут улучшить патофизиологию многих заболеваний1. Физическая активность имеет решающее значение для здоровья, и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщила в 2020 году, что увеличение физической активности снижает риск многочисленных заболеваний, включая психологические расстройства2. В дополнение к профилактике заболеваний, физические упражнения могут улучшить функцию мозга, стимулируя кровоток3, вызывая нейрогенез, особенно в hippocampus4, ключевой области мозга для обучения и памяти, гормональной регуляции5, и синаптической пластичности за счет повышения уровня нейротрофического фактора, полученного из мозга6. С помощью этих механизмов физические упражнения могут улучшить когнитивные функции и память7,8,9. Дополнительные нейробиологические механизмы, поддерживаемые физическими упражнениями, поддерживают психическое здоровье, включая высвобождение эндорфинов10, снижение кортизола11, улучшение качества сна12, и ингибирование нейровоспаления13. Ранее у нас было
продемонстрировано, что добровольные физические упражнения могут повысить устойчивость к хроническому стрессу и тревожному поведению у самцов и самок мышей класса 14. Фактические данные о том, что физическая активность улучшает исходы при заболеваниях в сочетании с укреплением психического здоровья, подчеркивают необходимость стратегий поощрения физической активности, включая повышение нашего понимания профилактического и терапевтического потенциала физических упражнений.

Одним из методов изучения влияния физических упражнений на биологические функции является использование моделей упражнений на грызунах. Эти модели эффективны для увеличения сердечного выброса и стимуляции выработки лактата до различных уровней в зависимости от интенсивности и частоты упражнений. Общие модели, используемые для изучения терапевтического эффекта физических упражнений, включают плавание, тренировки на беговой дорожке и высокоинтенсивные интервальные тренировки15. Недостатком некоторых моделей, однако, являются непроизвольные или принудительные физические упражнения, которые могут быть стрессовым опытом. Например, когда мышей подвергали бегу на беговой дорожке при моделировании повреждения церебральной ишемии, сообщалось о повышенном тревожном поведении в тесте на открытом воздухе, повышенном уровне кортикостерона, повреждении нейронов или повышенном уровне цитокинов16. В качестве альтернативы, модели добровольных упражнений, включая VWR, могут избежать потенциально стрессового опыта, позволяя грызунам свободно бегать без необходимости кондиционирования или подкрепления17. VWR обычно выполняется путем обеспечения непрерывного доступа к беговому колесу в клетке, содержащей 4-5 мышей, или клетке с мышами, содержащимися в одном доме. Таким образом, VWR обеспечивает нестрессовые условия, так как он не требует негативного стимула или прямого вмешательства со стороны экспериментатора и может обеспечить механизм преодоления или обогащения опыта18,19,20.

Цель этого метода - предложить простой и недорогой протокол VWR, который позволяет отслеживать отдельные метрики работы с минимальной изоляцией. Мыши размещаются в группах, чтобы избежать длительной социальной изоляции, а параметры бега регистрируются для отдельных мышей путем изоляции мышей на беговой арене всего на 2 часа в день. Представлена подробная информация о 6-недельной модели VWR, в которой 10 мышей C57BL/6 имели доступ к рабочим колесам в течение 2 часов в день, в то время как 10 мышей C57BL/6 имели доступ к заблокированным колесам. Результаты подтвердили, что этот протокол VWR был успешно способен отслеживать индивидуальные параметры бега с минимальной изоляцией и опосредовать благотворное влияние упражнений на пространственную память, индуцированную гиппокампом, в тесте на распознавание пространственных объектов (SORT).

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

Протокол

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

Все экспериментальные процедуры были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию Университета Роуэна. Самцы мышей весили от 20 до 27 г и были в возрасте 8-10 недель в начале исследования. Мыши были размещены в группах по 4 человека в контролируемой среде (12:12 ч светлый/темный цикл) с ограниченным доступом к пище и воде.

1. Настройка колес

  1. На внешнюю среднюю окружность каждого колеса приклейте по одному магниту. Этот магнит будет обнаружен цензором спидометра для контроля VWR (рисунок 1A).
  2. На противоположной стороне колеса приклейте к магниту предмет аналогичного веса (монету), чтобы уравновесить и предотвратить нежелательное вращение из-за веса магнита.
  3. Создайте сцену для спидометра и руля. Используя белую пенопластовую доску, вырежьте кусок дополнительной формы к основанию колеса и прикрепите его к основанию (Рисунок 1B).
  4. После установки нового комплекта батареек в спидометр установите размер колеса во время первоначального программирования, измерив внешнюю окружность колеса.
  5. Прикрепите цензор спидометра к платформе. Убедитесь, что цензор спидометра расположен параллельно магниту колеса, чтобы обеспечить надлежащую запись движения (Рисунок 1C). Каждый раз, когда магнит проходит мимо датчика, это будет считаться как один оборот.
  6. Обмотайте цензор и проволоку клейкой лентой, чтобы мыши не грызли проволоку (Рисунок 1D).

figure-protocol-1
Рисунок 1: Настройка ходового колеса. (A) Магнит и монета, приклеенные (красная стрелка) на противоположных сторонах внешнего края колеса. (B) Платформа из пенопласта (красная стрелка), используемая в качестве сцены для цензора спидометра. (C) Цензор спидометра на платформе (красная стрелка); (D) Приклеенный цензор (красная стрелка) и окончательная настройка колес. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Настройка аппарата

  1. Используйте поведенческий аппарат и разделите коробку размером 40 см x 40 см x 35 см (h) на четыре квадранта, чтобы индивидуально протестировать четырех мышей одновременно.
    1. Отрежьте два куска белого пенокартона исходя из следующих размеров: Д 30 см, Ш 40 см (<класс прочности = "xfig">Рисунок 2А).
    2. В середине поролоновой плиты шириной 40 см сделайте надрез шириной 20 см, чтобы обеспечить возможность пересечения двух пенопластовых плит.
    3. Накройте пенопластовую плиту водостойкой клейкой бумагой, чтобы обеспечить легкую очистку между группами.
    4. Разделите коробку размером 40 см x 40 см x 35 см (h) на четыре сектора (20 см x 20 см x 30 см (h) с помощью двух пересекающихся пенопластовых плит (Рисунок 2B).
  2. Поместите по одному подготовленному колесу (проверьте настройку колеса выше) в углу каждого квадранта и прикрепите провод к стене. Ленточные спидометры сбоку от прозрачного аппарата Perspex (рисунок 2C).

figure-protocol-2
Рисунок 2: Настройка аппарата. (A) Пенопластовая плита вырезана и скотчем; (В) аппарат из перспекса, разделенный на четыре квадранта; (C) одно колесо размещено в углу квадранта с проводом спидометра, приклеенным к стене скотчем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. VWR

ПРИМЕЧАНИЕ: В дополнение к показателям спидометра, мы использовали программное обеспечение для отслеживания поведения, систему отслеживания поведения ANY-maze, чтобы предоставить дополнительную информацию о отслеживании поведения.

  1. Проводите сеансы VWR ежедневно, в световой фазе в одно и то же время каждый день (с 9 утра до 11:00 утра). Поместите мышей без упражнений на одинаковые арены на 2 часа, но с заблокированными колесами. Заблокируйте колеса с помощью горячего клея, чтобы обездвижить центр вращения колеса и отключить вращение.
  2. Поместите мышей в помещение VWR для приучения на 30-60 минут.
  3. Сбросьте все спидометры.
  4. Поместите каждую мышь в угол квадранта, где она сможет свободно работать в течение 2 часов.
  5. Через 2 часа верните мышей обратно в их домашнюю клетку и запишите данные спидометра.
  6. Очистите арены и колеса с помощью 70% этанола между обеими группами.

4. СОРТИРОВКА

ПРИМЕЧАНИЕ: В конце 5 недель VWR был проведен ORT, чтобы проверить, улучшают ли упражнения функцию гиппокампа в соответствии с опубликованным протоколом21.

  1. Проводите сеансы привыкания и сортировки во время фазы освещения в комнате с окружающим освещением. Проведите сеансы привыкания за день до СОРТ, во время которых переместите мышей в отдельные клетки и приведите их в комнату для тестирования по крайней мере на 30 минут для акклиматизации.
    1. Назначьте один из углов арены в качестве «уголка выпуска» и убедитесь, что каждая мышь расположена лицом к уголку выпуска, чтобы свободно исследовать арену в течение 6 мин. Верните мышей в их индивидуальную клетку, чтобы очистить арену 70% этанолом.
  2. Повторите шаг 4.1.1 2 раза, чтобы каждая мышь прошла три сеанса привыкания. Как только сеансы приучения будут завершены, верните всех мышей в их домашние клетки.
  3. Через 24 ч верните мышей в комнату для тестирования и дайте им привыкнуть в отдельных клетках в течение 30-60 мин до тестирования.
  4. Прикрепите два разных предмета в противовесе на арене на расстоянии 6 х 6 см от двух неотпущенных углов.
  5. Поместите каждую мышь лицом к уголку выпуска, чтобы свободно исследовать объекты в течение 10 минут. Верните мышей обратно в их индивидуальные клетки на 20 минут и очистите объекты и арены 70% этанолом.
  6. Переместите один из двух объектов и закрепите его на расстоянии 6 х 6 см от нового неотпущенного угла, не изменяя местоположение другого объекта.
  7. Поместите каждую мышь лицом к уголку выпуска, чтобы свободно исследовать объекты в течение 10 минут, прежде чем вернуться в их домашнюю клетку. Запишите этот тест с помощью автоматизированного программного обеспечения, чтобы измерить время исследования для каждого объекта и рассчитать процент времени исследования следующим образом:
    % времени исследования = figure-protocol-3

5. Статистический анализ

  1. Выражайте все данные в виде средств ± SEM.
  2. Выполнение статистического анализа с помощью программного обеспечения для статистического анализа со значением p ≤ 0,05. Проанализируйте результаты SORT с помощью Т-критерия Стьюдента.

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

Результаты

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

В этом исследовании 20 мышей-самцов C57BL/6 были случайным образом распределены в одну из двух групп: без упражнений (NO-EX) или без упражнений (VWR) в течение 6 недель. Отдельные параметры бега ежедневно регистрировались на спидометрах и отображались ниже ± SEM (Рисунок 3A-C). На протяжении 6 недель мыши были наиболее активны на второй неделе, в течение которой они проводили в среднем 2 135,87 ± 351,14 с на колесе, преодолевая расстояние от 1,16 ± 0,25 км со скоростью 2,25 ...

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

Обсуждение

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

Для оценки физической активности и ее влияния на грызунов исследователи используют различные парадигмы упражнений, включая добровольный и принудительный бег. По сравнению с парадигмами принудительных упражнений, VWR позволяет мышам свободно бегать с более низкой интенсивностью, что сводит к минимуму стрессовые условия22. В настоящее время исследователи могут собирать данные о физических нагрузках отдельных мышей, содержа их в одном помещении 23,24,25,26,27,28,29,30,31, или записывать глобальные па...

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

Раскрытие информации

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

У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ANY-box 5-Behavior Test SystemStoelting65000https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838
Велокомпьютер Проводные спидометры и одометрыIPSXP Н/ДЛюбой проводной спидометр, который измеряет температуру, время, скорость может работать
Прозрачный адгезивный защитный вкладыш Con-Tact BrandN/Ahttps://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c
GraphPad Prism 
  Мгновенный клей 496  СупербондерLoctiteS-24546https://www.uline.com/Product/Detail/S-24546/Adhesives-Glue-Epoxy/Loctite-Instant-Adhesive-496-Super-Bonder?pricode=WB0948&gadtype=pla&id=<чел/> С-24546 и gad_source=1& gclid=Cjw
KCAjw68K4BhAuEiwAylp3klS0FN
ur-l_xKkue1NUmruDDV48QO5b2tVH
W9Bc08s9eZKmedj-yxBoCgIEQAvD_BwE
Pro Mag Neodymium MagnetApplied MagnetsND018-6Если вы выбираете другие магниты, убедитесь, что они достаточно сильные, чтобы быть обнаруженными цензором
  Silent Spinner Колеса для упражнений для мелких животных (мини 11,4 см)KayteeSKU# 100079369https://www.kaytee.com/all-products/ Белые
пенопластовые доскиPacon5553https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bull, F. C., et al. World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour. Br J Sports Med. 54 (24), 1451-1462 (2020).
  2. Physical activity. , World Health Organization (WHO). https://www.who.int/health-topics/physical-activity (2024).
  3. Gliemann, L., Vestergaard Hansen, C., Rytter, N., Hellsten, Y. Regulation of skeletal muscle blood flow during exercise. Curr Opin Physiol. 10, 146-155 (2019).
  4. Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
  5. Hackney, A. C., Lane, A. R. Exercise and the regulation of endocrine hormones. Prog Mol Biol Transl Sci. 135, 293-311 (2015).
  6. De la Rosa, A., et al. Long-term exercise training improves memory in middle-aged men and modulates peripheral levels of BDNF and Cathepsin B. Sci Rep. 9 (1), 3337(2019).
  7. De Miguel, Z., et al. Exercise plasma boosts memory and dampens brain inflammation via clusterin. Nature. 600 (7889), 494-499 (2021).
  8. Roig, M., Nordbrandt, S., Geertsen, S. S., Nielsen, J. B. The effects of cardiovascular exercise on human memory: A review with meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1645-1666 (2013).
  9. Babaei, P., Azari, H. B. Exercise training improves memory performance in older adults: A narrative review of evidence and possible mechanisms. Front Hum Neurosci. 15, 771553(2022).
  10. Harber, V. J., Sutton, J. R. Endorphins and exercise. Sports Med. 1 (2), 154-171 (1984).
  11. De Nys, L., et al. The effects of physical activity on cortisol and sleep: A systematic review and meta-analysis. Psychoneuroendocrinology. 143, 105843(2022).
  12. Alnawwar, M. A., et al. The effect of physical activity on sleep quality and sleep disorder: A systematic review. Cureus. 15 (8), e43595(2023).
  13. Mee-inta, O., Zhao, Z. -W., Kuo, Y. -M. Physical exercise inhibits inflammation and microglial activation. Cells. 8 (7), 691(2019).
  14. Elias, E., Zhang, A. Y., White, A. G., Pyle, M. J., Manners, M. T. Voluntary wheel running promotes resilience to the behavioral effects of unpredictable chronic mild stress in male and female mice. Stress. 26 (1), 2203769(2023).
  15. Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
  16. Svensson, M., et al. Forced treadmill exercise can induce stress and increase neuronal damage in a mouse model of global cerebral ischemia. Neurobiol Stress. 5, 8-18 (2016).
  17. Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
  18. Garland, T. Jr, et al. The biological control of voluntary exercise, spontaneous physical activity and daily energy expenditure in relation to obesity: human and rodent perspectives. J Exp Biol. 214 (Pt 2), 206-229 (2011).
  19. Meijer, J. H., Robbers, Y. Wheel running in the wild. Proc Biol Sci. 281 (1786), 20140210(2014).
  20. Banjanin, S., Mrosovsky, N. Preferences of mice, Mus musculus, for different types of running wheel. Lab Anim. 34 (3), 313-318 (2000).
  21. Denninger, J. K., Smith, B. M., Kirby, E. D. Novel object recognition and object location behavioral testing in mice on a budget. J Vis Exp. (141), e58593(2018).
  22. Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
  23. Scott, K. S., Chelette, B., Chidomere, C., Phillip West, A., Dantzer, R. Cisplatin decreases voluntary wheel-running activity but does not impair food-motivated behavior in mice. Brain Behav Immun. 111, 169-176 (2023).
  24. Hamm, S. E., et al. Prolonged voluntary wheel running reveals unique adaptations in mdx mice treated with microdystrophin constructs ± the nNOS-binding site. Front Physiol. 14, 1166206(2023).
  25. Williams, Z. A. P., et al. Sex-specific effects of voluntary wheel running on behavior and the gut microbiota-immune-brain axis in mice. Brain Behav Immun Health. 30, 100628(2023).
  26. Ehichioya, D. E., et al. Gut microbiota depletion minimally affects the daily voluntary wheel running activity and food anticipatory activity in female and male C57BL/6J mice. Front Physiol. 14, 1299474(2023).
  27. Kim, M. -J., et al. Sex differences in body composition, voluntary wheel running activity, balance performance, and auditory function in CBA/CaJ mice across the lifespan. Hear Res. 428, 108684(2023).
  28. Yusifova, M., et al. Voluntary wheel running exercise does not attenuate circadian and cardiac dysfunction caused by conditional deletion of Bmal1. J Biol Rhythms. 38 (3), 290-304 (2023).
  29. Bittel, A. J., Bittel, D. C., Gordish-Dressman, H., Chen, Y. -W. Voluntary wheel running improves molecular and functional deficits in a murine model of facioscapulohumeral muscular dystrophy. iScience. 27 (1), 108632(2024).
  30. Leimbacher, A. C., et al. Voluntary exercise does not always suppress lung cancer progression. iScience. 26 (8), 107298(2023).
  31. Zhang, Y., et al. Trimethylamine N-oxide aggravated cognitive impairment from APP/PS1 mice and protective roles of voluntary exercise. Neurochem Int. 162, 105459(2023).
  32. Zhang, W., et al. Notch1 is involved in physiologic cardiac hypertrophy of mice via the p38 signaling pathway after voluntary running. Int J Mol Sci. 24 (4), 3212(2023).
  33. Wan, C., et al. Long-term voluntary running improves cognitive ability in developing mice by modulating the cholinergic system, antioxidant ability, and BDNF/PI3K/Akt/CREB pathway. Neurosci Lett. 836, 137872(2024).
  34. Weegh, N., et al. Wheel running behaviour in group-housed female mice indicates disturbed wellbeing due to DSS colitis. Lab Anim. 54 (1), 63-72 (2020).
  35. Coleman, A. L., et al. Short-term social isolation induces depressive-like behaviour and reinstates the retrieval of an aversive task: Mood-congruent memory in male mice. J Psychiatry Neurosci. 38 (4), 259-268 (2013).
  36. Desan, P. H., Silbert, L. H., Maier, S. F. Long-term effects of inescapable stress on daily running activity and antagonism by desipramine. Pharmacol Biochem Behav. 30 (1), 21-29 (1988).
  37. DeVallance, E., et al. Effect of chronic stress on running wheel activity in mice. PloS One. 12 (9), e0184829(2017).
  38. Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
  39. Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (7), 3017-3022 (2011).
  40. Zhang, S., et al. The effect of aerobic exercise on cognitive function in people with Alzheimer's disease: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Int J Environ Res Public Health. 19 (23), 15700(2022).
  41. Nystoriak, M. A., Bhatnagar, A. Cardiovascular effects and benefits of exercise. Front Cardiovasc Med. 5, 135(2018).
  42. Kirwan, J. P., Sacks, J. P., Nieuwoudt, S. The essential role of exercise in the management of type 2 diabetes. Cleve Clin J Med. 84 (7 Suppl 1), S15-S21 (2017).

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи