Тестирование равновесия и координации

Равновесие и координация движений являются критически важными компонентами, участвующими в контроле движения. В настоящее время мы понимаем основные механизмы многочисленных сенсорных и обрабатывающих систем, которые помогают нам сохранять равновесие при выполнении различных действий. К нашему преимуществу, лабораторные животные, такие как мыши, используют подобные системы для поддержания равновесия и координации движений. Таким образом, ученые могут использовать мышей для моделирования различных физиологических условий, чтобы наблюдать за их влиянием в тестах на равновесие и координацию движений.

В этом видео будет кратко рассмотрена нейрофизиология, лежащая в основе равновесия и координации, а также общие протоколы наиболее часто используемых поведенческих тестов, а именно ротарода и бревна. Наконец, мы рассмотрим некоторые текущие эксперименты, проводимые с использованием этих поведенческих парадигм.

Прежде чем углубиться в протоколы поведенческих тестов, давайте посмотрим на нейрофизиологические входы и процессоры, которые определяют наше равновесие и координацию движений.

Визуальные сигналы в сочетании с врожденным ощущением положения нашего тела в пространстве, также известным как проприоцепция, являются основными сенсорными входами, определяющими наше равновесие. Рецепторы, участвующие в этом явлении, называемые проприоцепторами, находятся в мышцах и суставах, и они предоставляют информацию о нашем физическом состоянии центральной нервной системе. Эта информация в сочетании с входными данными от вестибулярной системы, которая находится во внутреннем ухе, составляют остальную часть нашего «проприоцептивного чувства». Вестибулярная система состоит из трех полукруглых протоков, увенчанных ампулой, которые вместе известны как каналы. В этих каналах содержится жидкость под названием эндолимфа. Специализированная структура, известная как купула, расположенная в ампуле каждого канала, содержит волосковые клетки, которые производят реснички. Именно эти реснички изгибаются при движении эндолимфы и передают эту информацию вестибулярным ядрам, которые расположены в стволе мозга. В стволе мозга поступают сигналы от глаз, суставов и вестибулярной системы, которые сортируются и приоритизируются.

Наконец, все эти сенсорные входы поступают в мозжечок, который подсознательно координирует проприоцептивную и визуальную информацию для тонкой настройки двигательных команд для повышения мышечной точности и координации. Несмотря на то, что многое было открыто о неврологической основе равновесия и координации, ученые все еще пытаются понять патофизиологию различных двигательных расстройств. Одним из инструментов, используемых исследователями для этого, является поведенческий тест грызунов, изучающий равновесие и координацию.

Давайте обсудим наиболее часто используемый тест для этого явления - ротарод.

Ротародный аппарат состоит из трех компонентов. Во-первых, вращающийся дюбель, который бывает разных размеров. Во-вторых, полосы с разделениями: аппарат может состоять из нескольких полос, которые позволяют исследователям тестировать до пяти животных одновременно, или только одной полосы для тестирования одного животного за раз. В-третьих, платформы, расположенные под каждой дорожкой, обеспечивают безопасную зону приземления животного в случае падения с вращающегося дюбеля. В более современном оборудовании эти платформы могут распознавать падение животного и автоматически записывать «время падения».

Перед обучением или экспериментами период акклиматизации гарантирует, что животные находятся в спокойном состоянии перед испытаниями. Тренировки включают в себя ходьбу животных по ускоряющемуся ротароду в течение нескольких занятий в день в течение нескольких дней, и считаются завершенными, как только среднее «время падения» животных начинает выходить на плато. Первоначально ротарод устанавливается на низкую скорость, пока животные размещаются на дюбеле, а затем вращение постепенно увеличивается до максимальной скорости. Мышам следует давать отдых между тренировочными пробежками, и в течение этого времени аппарат следует тщательно чистить.

После обучения могут быть проведены экспериментальные вмешательства, такие как медикаментозное лечение, хирургически индуцированные поражения или другие физические манипуляции. Для тестирования следуйте тому же протоколу, что и во время тренировки, где скорость дюбеля постепенно увеличивается, а данные записываются как «время падения». Следует определить максимальное время тестирования, чтобы не перенапрягать животных. «Время падения» для каждой мыши записывается и усредняется за разное количество попыток в зависимости от эксперимента.

Второй распространенный поведенческий анализ, который проверяет равновесие и координацию, использует луч. Существует множество различных балансировочных балок, включая простые, сложные и наклонные балки, но основная установка состоит из балки длиной в один метр, подвешенной на высоте 50-100 сантиметров над столом или поверхностью. Датчики движения или видеорегистраторы присутствуют для измерения времени прохождения луча животного. Закрытая коробка с материалом для гнездования, расположенная в конечной точке, служит для мыши притягивающим фактором, в то время как освещение в начальной точке будет действовать как отталкивающий стимул.

Тренировка на бревне обычно происходит до трех раз в день в течение нескольких дней. Тренировка продолжается до тех пор, пока среднее время прохождения луча не начнет выходить на плато; Однако перетренированность может привести к усиленному свашиванию и включению бревна. После экспериментальной модуляции начинается этап тестирования, и данные записываются как «время до прохождения». Обычно результаты получают путем усреднения не менее двух скрещиваний, при которых испытуемое животное не останавливалось или не требовало подталкивания.

Теперь, когда мы рассмотрели экспериментальные установки широко используемых поведенческих тестов, давайте рассмотрим некоторые конкретные применения этих методов.

Старение – это нормальный биологический процесс, одним из последствий которого является деградация вестибулярного аппарата, так как волосковые клетки вырабатывают меньше ресничек, а также начинают погибать. Результатом этого является потеря равновесия, что может привести к более частым падениям у пожилых людей. В этом эксперименте мыши разного возраста проходили вестибулярную провокацию, в ходе которой их вращали во вращателе в течение 20 секунд и сразу после этого просили пройти по наклонному пучку. Исследователи заметили, что пожилые мыши более сильно подвержены вестибулярному воздействию, чем молодые мыши.

Тестирование Rotarod полезно для изучения крупного моторного дефицита и сопротивления усталости, что делает его идеальным для изучения такого заболевания, как мышечная дистрофия. Отличительной чертой мышечной дистрофии является повреждение мышц, которое в конечном итоге приводит к дефициту подвижности, координации и равновесия. В этом эксперименте исследователи сравнили время работы ротарода у мышей дикого типа и мышиных моделей мышечной дистрофии.

Болезнь Паркинсона характеризуется гибелью дофаминергических нейронов in substantia nigra и часто проявляется двигательным дефицитом и потерей координации. В этом эксперименте было проведено сложное испытание пучком. Сравнивая мышей дикого типа с генетически модифицированной моделью болезни Паркинсона, было замечено, что у мышей с болезнью Паркинсона наблюдалось увеличение ошибок на шаг и увеличение ошибок на ширину луча.

Вы только что посмотрели видео JoVE о проверке равновесия и координации. В этом видео обсуждаются нейронные корреляты равновесия и координации, некоторые известные методы проверки равновесия и, наконец, несколько применений этих поведенческих тестов в современных нейробиологических лабораториях. Как всегда, спасибо за просмотр!