Behavior

非对称走道：一种新的行为检测方法的研究不对称步态

Published: January 15, 2016 doi: 10.3791/52921

Kiril Tuntevski¹, Ryan Ellison¹, Sergiy Yakovenko¹

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

Abstract

行为分析通常用于感觉运动障碍的中枢神经系统（CNS）的评估。量化运动赤字在啮齿类动物中最复杂的方法是测量不受约束的步态地上分钟的干扰（例如，手动BBB评分或自动走秀）。然而，不要求用于由脊髓中央模式发生器（CPG）所产生的基本运动的产生皮质输入。因此，无约束行走任务测试运动障碍，由于运动皮质功能障碍只是间接的。在这项研究中，我们提出了一个新颖的，精确的脚的位置运动的任务，评估皮质输入到脊髓中央人民政府。一个仪表钉的方式来施加对称和非对称运动任务模仿偏侧运动障碍。我们表明，从转变在前肢姿态相位特性20％产生变化等距间步幅运动与PREF时错步长。此外，我们建议，非对称走道允许通过皮层控制信号产生行为结果的测量。这些措施是相关的减值皮质损伤后的评估。

Introduction

在幸存的人群脑卒中发病率包括姿势在人类定量评价是一项挑战后的神经功能缺损¹中风和动物模型粗大运动障碍。在临床上，这些运动障碍正在使用的主观标准，这是受到了广大患者表现出严重的，而不是中度受损更为敏感测量。同样地，伤后运动行为的动物，主观评价是常见的，例如，在巴索，比蒂和布雷斯纳汉（BBB）运动尺度方法^2,3。虽然这些主观评价方法帮助在四脚动物模型和人体步态康复研究之间翻译，与单独的肌肉群活性相关运动缺陷的细节没有评估。此外，要运动运动皮层贡献进行评估，为运动障碍的脑血管意外假定罪魁祸首，只能间接即便是使用最新颖的自动定量方法^4,5得到，因为它们依赖于开放的领域或直线行走任务。这些任务不要求皮质贡献，并且可以由脊髓的神经机制，即，中央模式发生器（CPG）网络，它可以幸免于神经损伤最动物模型，例如，spinalized动物⁶来执行^{^- 8} 。这些脊机制必不可少皮质贡献实验已经牵连于需要预期调整姿势⁹和达到^10，以及精密的步进¹⁰的任务。

此外，大多数神经损伤是不对称的;例如，中风导致偏瘫，即弱点在身上，这导致非对称步态^11的一侧 ^- ^。14。偏瘫步态的非对称性是由非对称spatiotempor产生人的肌肉激活伸肌相关立场相的缩短和步循环的屈相关摆动期的麻痹侧^15,16拉长最显著表现。这种趋势还没有被开发在一系列运动的速度在健康或麻痹的动物。在目前的研究中，我们采用的相持续时间的特性^17中的分析，它描述与循环的持续时间在每一步骤的函数的摆动或步态站立期的持续时间之间的关系。得到的线性回归模型，然后再与不对称的所有肢体进行分析说明。

我们报道了一种新的低成本的方法来评估下行皮质输入基于精确步进运动任务的四足动物的电机系统的活性。该任务的目的是通过规定徒步安置需求了行走速度的自然分布范围，挑战运动皮层。此外，脚放置要求被操纵到电机系统的左侧或右侧优先挑战。在一个类似的运动的任务，梅斯＆Whishaw（2009）研究了失败的速率，对不规则梯级走道错过的步数，在大鼠。我们的方法是免费的这个以前的研究，并详细相位控制的质量，“成功”的^步骤 18。

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Protocol

下面的训练模式采用平均只SD大鼠相位调节的分析。请确保本文描述的协议是根据你的机构动物护理指南。在这项研究中的所有程序均按照机构的动物护理和使用委员会（IACUC）和Office实验室动物福利（OLAW）在西弗吉尼亚大学医学院的执行和使用实验遵循卫生准则的国家机构动物。

1.设备安装

构建不对称的走道为开顶塑料盒中掺进了铝支持的每个角测量155厘米×104厘米（ 图1）。撑孔型两侧铝杆框的顶部边缘，以允许备用栓放置，沿盒的周边，以使每个连续的塞销上同一侧限定的步幅长度。放置20厘米×20厘米的平台上的每个角（共四个）分离表示的每边的条件。该距离应足以列入遍历由单个大鼠步骤周期的距离。
1. 使用20厘米×1厘米×0.5厘米的尺寸由铝制钉。弯曲每个顶栓2.5厘米从尖端以产生足置台。
2. 固定钉使用滑动括号内经过加工的孔在同距离，以保证一级水平放置的开槽棒。调整用螺丝刀和一把尺子的位置。使用大约对应于平均大鼠爪尺寸1cm的栓宽度;较薄的或更宽的栓或者是不舒服或增加脚部放置变性。
操纵每侧塞销放置，以产生三个精确步进挑战条件之一。
1. 通过将左我产生具有15厘米的步幅长度（SL15）的对称运动任务NTER-步幅长度（升 ISL）和右间步幅长度（R ISL）到步幅（7.5厘米）的一半。
2. 加上了另一对称条件（SL12）通过变更 L ISL 和 R ISL长度6.0公分。
3. 通过改变在左侧和右侧桩之间的距离产生的非对称的任务，被称为间步幅长度。向不对称地挑战电机系统，由20％改变升 ISL 并且 r ISL施加短间步幅长度无论是在左（L6R9条件）或右边（L9R6）侧。 1.5厘米扰动并处6厘米的升 ISL和9厘米řISL为L6R9条件，或为9cm的升 ISL和6厘米A R ISL为L9R6条件
对于老鼠，保持步幅长度除SL12所有条件较佳15厘米。
为方便起见，分配走道的每个长边的不对称条件利于在左侧或第r受试者的飞行侧，同时保留两个短边的对称控制条件。
设置的高清晰度摄像机具有至少60赫兹的采样速率，使得四肢上栓的放置是通畅与相机指向垂直于带的视图覆盖约7步骤领域的走道。在靠近平台的第一和最后的步骤都被忽略。

2.培训的设备

请使用标准的培训资源，例如，美国国立卫生研究院培训基本Biomethodology的实验室老鼠，到熟悉的啮齿动物的一般行为训练。
在训练开始时，通过放置和奖励他们的20×20厘米的平台上进行至少5分钟适应受试者。然后，由食物奖励的呈现引导跨栓布置中，动物用1厘米间步幅长度到下一个平台。口头和抚摸的到达平台的奖励动物。
AFTER 5训练运行，空间桩额外的1 - 2厘米外，进行下一个5训练运行。本文所列重复数是足以产生统计学适宜样本量（20 - 35步）。
1. 如果动物获得的任务更慢作为判断步进（禁止停车）和姿势（弓背）的一致性，然后就大步恢复训练前集中培训，这些技能的加强在短步幅长度（S12）（ S15），最终接近所需的步幅。
2. 如果新的间距引起的焦虑或不适的任务，重新调整钉到以前的设置和重复训练模式。
3. 与此训练继续，直到合适的跨步幅长度达到四个条件和运动水平得到满足。根据我们的经验，老鼠声乐鼓励响应和线索开始一个试验。该测试可以在同一天进行的训练提供受试者被积极地执行任务。
  注意：运动标准如下：散步是一致的，不涉及停止或失误;头部上下摆动是最小的;背面是拱形和运动过程中尾部升高;每个肢体显然从走道在发病的正交视图中可见和站立阶段的偏移。这个选择过程是必要的，因为目前的研究只是集中在散步，而不是其他gaiting行为。

3.测试和数据分析

在S12，S15，L9R6和L6R9任务实验动物使用随机会话设计（1.3节所述）。利用休息时间，以避免在任务中的适应性。
高清晰度摄像头，至少60赫兹的采样率记录会话。进口录像无需重新采样成视频编辑软件并只选择步行较量用于进一步分析。
马克开始及运动相抵消从各学科录像。
这里，使用定制软件称为videoa写入Matlab来手动识别姿态发病时间，并为每个肢体上一个帧接一帧的基础上，在那里姿态发病是由运动模糊的与肢体放置在相关的损失表示偏移一个栓钉，和姿态偏移，在肢剥离的发作发生，是由运动模糊的第一个证据指示。
计算摆动阶段的持续时间为两个连续运动姿态起始点之间的剩余时间。排除任何行为与地上四脚行走并不一致，例如，当步态蕴含着双重的摆动阶段（前肢后肢或掉在地上），从程序分析。
绘制每个阶段的持续时间，为相应的步骤周期持续时间的函数。捕获与线性回归模型的关系（Tphase = B1 + B2 * Tc）的每个肢体，其中Tc为周期的持续时间得到，Tphase为either 碲伸肌相关姿态或Tf中，这是屈有关摆动，以及B1和B2是回归模型的经验常数（偏移和斜率）。
注意：斜率（B2）的表示变化的相持续时间的量，在运动的速度的变化。
使用方程1和2（图2C），用于每个肢体来计算不对称性指数（AI）。两个方程具有一个简单的比率标准化两个值到它们的和的差值相同的形式。
1. 使用等式1，计算出在水平差（ _艾高），使用姿态调制左（l）和右（r）的肢体的斜率之间的差。同样地，计算使用该斜坡从前面/前（a）和背面/后（p）的肢体的垂直不对称（AI _v）中。施加这两个方程的结果是对应于1 4 的xy分）前肢不对称，数据集<EM> AAI _H; 2）后肢不对称，排 _H; 3）左前肢，后肢不对称，莱 _伏; 4）右前肢，后肢的不对称性，RAI _诉
2. 绘制这些值作为贴剂（图2B）为不对称的跨所有四肢的可视化表示。
计算diagonality指数（DI），以评估一个前肢的参数和其对侧后肢（等式3中， 图2C）之间对角耦合。
测试的DI，以及四个认可相对不对称条件之间的差| - |用于使用单向ANOVA与装置分析¹⁹事后比较统计学意义（ΔAI= AIL9R6 AIL6R9）

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Representative Results

图2示出了不对称的期间为一个单一代表受试者中运动任务的分析。分别计算的值使用公式1和2从所有受试者单独（图2）的所有条件，并从8雌性Sprague-Dawley大鼠复合数据（250 - 400克， 图3）。一般地，前肢站立阶段的调制是较小的，以该运动条件承蒙侧（短ISL），用的概念相一致，即在优选的侧（长ISL）步态站立期倾向于占据的较大部步骤周期相比偏爱的肢体作为运动速度减小。

从条件L9R6和L6R9（ΔAI）中得到相应的不对称指数之间的差异进行了测试用单向ANOVA（α= 0.05）和事后t-检验与conservativ使用的anoval和multcompare功能在MatlabËBonferroni校正（调整α= 0.0125）。总体而言，组间差异有显著（P = 0.002）。对应于前肢之间的不对称的前部的水平非对称指数_{（AIΔAH）为}左青睐（L6R9）之间显著差异（p = 0.006）和右青睐（L9R6）条件下（图4A）。为右侧垂直非对称指数（ΔRAI _v）的条件之间的差异表现出的趋势，但它不是显著不同于零（p值= 0.031，α= 0.0125）。同样，我们发现了一个显著差异（p = 0.020，α= 0.05）的两个不对称条件下（ 图4B）之间的diagonality指数。方差分析检测发现在不同的任务DI间无显着差异，但只有一个单一的事后t检验，这不需要额外的阿尔法更正。

吨“FO：保持-together.within页=”1“>由于该方法依赖于解决非对称足放置动物的天然能力，一些动物可显示出疾驰样行为，其中双后肢分别同时在挥杆。此步态中观察到3只动物，和行为被排除进一步的分析。

图1.走道模型。用于对称和非对称步态任务人行道的（A）的示意图。（B）的穿心排列设置右（R ISL）和左（升 ISL）相对于步幅长度（SL）间步幅长度。四个条件包括15厘米（SL15），对称的运动任务表示SL减少20％的步幅长度（SL）的一个对称的控制运动任务和优选的速度（SL12），左肢优选的（L9R6）和右肢体首选（L6R9）运动任务。请点击此处查看该图的放大版本。

图2.计算不对称与Diagonality指数。（A）的姿态或摆动相持续时间（y轴）和循环持续时间（x轴），用于左肢青睐步态（L6R9）之间的关系由回归分析和数据点密度的热图被表示。相位特性派代表与利用斜截式支撑期线性回归。的插图对应于左前肢（LF），右前肢（RF），左后肢（LH）和右后肢（RH）下的热图。（B）的不对称指数所示计算等式（1）和（2），其中R，L，A和P -在支撑期线性回归的斜率，如图（A）为左，右，前，后肢，分别丽 _V，RAI _V，AAI _{小时，} 排 _{H -}左垂直，右垂直，前后，横向和后水平的不对称指数，分别计算出用于图1（C）的 Diagonality指数（DIS）中描述的所有四个条件计算如公式（3），用于在图1 的lF，RF，左，右中描述的所有四个条件。 - 左前肢，前肢右，左后肢，右后肢站立期线性回归斜率。 请点击此处查看该图的放大版本。

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图3.复合数据的不对称与Diagonality利用所有8个学科相位特性。 （A）热图表示立场的分配或摆动与周期持续时间为左肢青睐步态（L9R6）。站立阶段线性回归的相位特性被计算为图 1A，以及由斜截式插图表示。（B）的不对称指数计算为如图 1B所示_{_{。ΔlAIV，ΔrAIV，ΔaAI}} _小时并 _ΔpAIħ -左竖右竖前-水平和后水平的不对称性指数的差异，分别减去相应asymm如等式3描述计算所有四个条件从屏幕左侧的青睐步态（L9R6）条件的权利，赞成步态（L6R9）的etry指数。星号-其计算采用自助法统计显着性，请点击此处查看该图的放大版本。

非对称措施图4.分析。在条件L9R6及L6R9之间的不对称指数（AI）（A）。绝对差值进行了测试，单因素方差分析与事后t-检验分析与Bonferroni校正的多个测试调整。在L9R6和L6R9之间前肢不对称（ΔAAI _h）上的变化是显著。条件diagonality指数（DI）的分布中的步骤S15，S12中，L9R6和L6R9使用单向方差分析（B）的分析用事后叔的测试不对称的任务（黑色）之间的区别。请点击此处查看该图的放大版本。

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB® R2013a	MathWorks		Design platform for custom videoa video annotation software
Sony HDR-CX380/B High Definition Handycam	Sony	27-HDRCX330/B	Video acquisition device.
Jif Creamy Peanut Butter - Gluten Free 454 g	J.M. Smucker Company		Food reward stimulus.
Sucrose Tablet - Chocolate 1800 g	TestDiet	1811256	Food reward stimulus.
Manzanita Wood Gnawing Sticks	BioServe	W0016	For presentation of food reward stimulus.