Summary
Deze studie geeft een innovatief loopwiel-gebaseerde mobiliteit van dieren systeem om een daadwerkelijke uitoefening activiteit te kwantificeren bij ratten. Een rat-vriendelijke testbed is gebouwd, met behulp van een vooraf gedefinieerde adaptieve versnelling curve, en een hoge correlatie tussen de daadwerkelijke uitoefening snelheid en het infarct volume geeft aan dat het protocol voor een beroerte te voorkomen experimenten.
Abstract
Deze studie geeft een mobiliteit voor dieren, voorzien van een positioneringsinrichting loopwiel (PRW), als een manier om de effectiviteit van een bewegingsactiviteit kwantificeerbaar verminderen van de ernst van de effecten van beroerte bij ratten. Dit systeem zorgt voor efficiënter dier de training dan commercieel beschikbare systemen, zoals loopbanden en gemotoriseerde loopwielen (MRWs). In tegenstelling tot een MRW dat alleen snelheden onder kan bereiken 20 m / min, worden de ratten toegestaan om te draaien met een stabiele snelheid van 30 m / min op een ruimer en high-density rubber atletiekbaan ondersteund door een 15 cm breed acryl wiel met een diameter van 55 cm in dit werk. Met behulp van een vooraf gedefinieerde adaptieve versnelling curve, het systeem niet alleen vermindert de exploitant fout, maar traint ook de ratten aanhoudend loopt tot een bepaalde intensiteit bereikt wordt. Als manier om de effectiviteit te evalueren oefening, is real-time positie van een rat gedetecteerd door vier paar infraroodsensoren ingezet op het loopwiel. Zodra eenadaptieve versnellingscurve maakt gebruikt microcontroller, verkregen door de infraroodsensoren worden automatisch geregistreerd en geanalyseerd in een computer. Ter vergelijking, is 3 weken training uitgevoerd op ratten met behulp van een loopband, een MRW en een PRW. Na operatief induceren middelste cerebrale slagader occlusie (MCAo), werden gewijzigd neurologische ernst scores (mNSS) en een hellend vlak-test uitgevoerd om de neurologische schade te beoordelen aan de ratten. PRW is experimenteel bevestigd als de meest effectieve onder deze mobiliteit dierlijke systemen. Voorts is een oefening effectiviteit meten via rat positie analyse toonde aan dat er een hoge negatieve correlatie tussen de uitoefening en infarctvolume en kan worden gebruikt om een rat training in elk type hersenletsel vermindering experimenten kwantificeren.
Introduction
Strokes bestaan continu als een financiële last aan landen wereldwijd, waardoor talloze patiënten lichamelijk en geestelijk gehandicapte 1, 2. Er klinische aanwijzingen dat regelmatige lichaamsbeweging zenuwregeneratie kunnen verbeteren en versterken neurale verbindingen 3, 4, en is ook aangetoond dat actie kan het risico op het lijden ischemische beroerte 5 verlagen. Met ofwel een loopband of een loopwiel als een oefening training systeem, knaagdieren, zoals ratten, dienen als een proxy voor de mens voor het testen van de effectiviteit van de oefeningen in een overgrote meerderheid van de klinische experimenten 6-8. Een training systeem regel het trainen van een rat gedurende een bepaalde periode, gedurende welke een rat draait met een bepaalde snelheid. Daarom wordt de trainingsintensiteit algemeen berekend aan de uitoefening snelheid en duur 6-8. Dezelfde aanpak wordt toegepast opeen schatting van de hoeveelheid lichaamsbeweging die nodig is voor neurofysiologische bescherming. Echter, de experimentele oefeningen soms gevonden effectief te zijn, zoals wanneer een rat struikelt, valt, of grijpt de rails als ze niet in staat om bij te praten met het loopwiel snelheid 9 zijn - 11. Uiteraard gevallen van ineffectieve oefening aanzienlijke vermindering van de oefening voordeel. Ook al is er geen een algemeen aanvaarde benadering van dit moment om de effectieve oefeningen voor het verminderen van schade aan de hersenen te kwantificeren, het niveau van de effectieve oefeningen staat nog steeds als een objectieve beoordeling voor klinische onderzoekers om de voordelen van de oefening te illustreren in de discipline van de neurofysiologie.
Er bestaan een aantal beperkingen op de handel verkrijgbare dierlijke mobiliteitsystemen proefnemingen gebruikte 12 huidige hersenletsel verminderen. In een loopband geval worden ratten gedwongen te lopen door middel van elektrische schokken induceren enorme psychologischebelasting van de dieren en daardoor storingen in de laatste neurofysiologische testresultaten 8, 13, 14. Loopwielen kunnen worden onderverdeeld in twee soorten, namelijk vrijwillige en gedwongen. Vrijwillige loopwielen laten ratten natuurlijke werking, een extreme variabiliteit wegens de verschillen in fysieke eigenschappen en capaciteiten 15 van de ratten, terwijl gemotoriseerde loopwielen (MRWs) een motor gebruiken om het wiel te draaien, waardoor ratten werking. Hoewel ook een vorm van gedwongen training, MRWs legt minder psychologische stress op ratten dan loopbanden 13, 16, 17. Echter, experimenten met MRWs hebben gemeld dat ratten soms de oefening onderbreken door grijpen de rails op het wielspoor en het weigeren om te draaien met een snelheid van meer dan 20 m / min 9. Deze voorbeelden tonen dat de mobiliteit dieren beschikbare systemen een inherente nadeel dat effectief uitoefenen remt. Voorobjectieve rat opleidingsdoeleinden, is de ontwikkeling van een zeer effectieve training systeem, maar met een lage interferentie dan ook gezien als een urgente kwestie voor neurofysiologische oefening experimenten.
Deze studie geeft een zeer effectieve loopwiel voor experimenten op het verminderen van de ernst van de effecten van de lijn 11. Naast een gereduceerd aantal storingsfactoren tijdens een trainingsproces Dit systeem detecteert de rijstand van een rat via infrarood sensoren in het wiel, waardoor een meer betrouwbare schatting van uitoefening activiteit bereiken. De psychologische stress opgelegd door de traditionele loopbanden en de veelvuldige onderbrekingen oefening in MRWs zowel skew de objectiviteit van de resulterende oefening schattingen. Een positionering loopwiel (PRW) systeem in dit onderzoek is ontwikkeld in een poging om de storingen te minimaliseren terwijl een betrouwbare trainingsmodel voor het kwantificeren doeltreffende exercise.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ethiek Verklaring: De experimentele procedures werden goedgekeurd door het dier ethische commissie van de Southern Taiwan University of Science and Technology Laboratory Animal Center, National Science Council, Republic of China (Tainan, Taiwan).
1. De bouw van het loopwiel Structure
OPMERKING: Alle acryl moeten transparant zijn. Was de gedemonteerde wiel met water, vervolgens met alcohol om de rubberen band en acryl platen na elk gebruik schoon te vegen.
- Verkrijg een acryl loopwiel 55 cm in diameter en 15 cm breed zijn.
LET OP: Dit wiel is groter dan een traditionele loopwiel (diameter = 35 cm; width = 12 cm) (F igure 1A). - Met behulp van een mes, snijd een kwartcirkel opening in een zijde van het loopwiel om als een ingang en een uitgang en voor ratten (Figuur 1B). Leg een laag van hoge wrijving rubberen band aan de binnenzijde van de acrylic wiel (Figuur 1B).
- Plaats een ijzeren staaf met lagers van het loopwiel (Figuur 1B) aan te sluiten. Plaats twee acryl driehoekige kolommen aan weerszijden van het loopwiel op te treden als het draagframe (Figuur 1B).
- Bevestig een 1 mm dik halfronde, transparant acryl blad aan de buitenzijden van de twee driehoekige kolommen met behulp van schroeven. Gebruik dit blad aan de infraroodsensoren inzetten. Zorg ervoor dat de acryl platen zijn ongeveer 3 cm afstand van elke zijde van het loopwiel.
2. Het inzetten van de infraroodsensoren en definiëren van de effectieve uitoefening Area
LET OP: Houd rekening met de grootte loopwiel en de lengte rat in het ontwerp van een infrarood systeem. Een rat activeert slechts één sensor tegelijk. In dit experiment, ratten tussen 20 en 23 cm lang.
- Boor een gat in de acrylplaten elk 45 ° (arc interval = 21 cm), waarbij de afstandtussen twee gaten zijn ongeveer gelijk aan de lengte van een testrat. Maak de gaatjes even groot als de infraroodsensoren (Figuur 2A).
LET OP: Voor de traditionele MRWs, boor een gat elke 70 ° (arc interval = 21 cm, Figuur 2B). - Tijdens een experiment PRW handhaven de ratten in een evenwichtstoestand van die tussen 0 ° en 135 °.
OPMERKING: Dus dit gebied als de effectieve uitoefening definiëren, terwijl het uitzicht van alle andere afdelingen als ineffectief oefening gebieden. Voor traditionele MRWs Definieer de uitoefening gebied als deel tussen 0 ° tot 140 ° (figuur 2B).
3. Rijden met de Running Wheel
- Gebruik een borstelloze DC motor en een motor chauffeur om het loopwiel rijden.
- Mount een diameter van 10 cm rubberen schijf op de centrale as van de motor (Figuur 1B).
- Met behulp van de ijzeren frame en veren om de motor te ondersteunen, sluit u de rubberen schijf uitcentrale as van de motor naar de buitenzijde van het loopwiel.
LET OP: De veren moeten samenwerken met de schroeven om dynamische motor hoogte aanpassingen mogelijk te maken en om te voorkomen dat rubber schijf van wordt losgekoppeld van het loopwiel spoor als gevolg van losse veren. - Bedien de motor om de 10 cm diameter rubberen schijf met behulp van een microcontroller te rijden, en let op het wiel te draaien als gevolg van de wrijving tussen de rubber schijf en de landingsbaan van het wiel, het creëren van een gemotoriseerde loopwiel platform.
- Mount vier infraroodsensoren achtereenvolgens tussen 0 ° tot 135 ° (Figuur 2A).
Opmerking: Voor traditionele MRWs sensoren zet tussen 0 ° tot 140 ° (figuur 2B). - Sluit vier paren van infrarood sensoren gemonteerd in beide acrylbladen algemene pinnen van de microcontroller met behulp van single core kabels, waardoor een positionering loopwiel systeem vormen.
4. Het construeren van een Adaptive optrekop Kromme
- Drie dagen voor de aanvang van de officiële 3 week de training, trainen ratten door het handmatig bedienen van het loopwiel.
Opmerking: Het doel is om de ratten vertrouwd met de draaiende omgeving worden, en is te testen of elke rat kan verdragen draait op 20 m / min.- Tijdens de handbediende training, geleidelijk versnellen de rijsnelheid tot er een rat is niet in staat om gelijke tred te houden. Wanneer dit gebeurt, verlaag de snelheid tot de rat herwint een regelmatige lopen tempo, en dan geleidelijk de snelheid totdat de rat 20 m / min (stippellijnen in figuur 3) bereikt. De handleiding training omvat zeven ratten aan de opleiding curves te construeren.
- Met behulp van een numerieke vergelijking om de meetgegevens op Dag 3 van het handmatig testen passen Bereken het acceleratiecurven dichtst bij de handenarbeid (de kromme met cirkels, figuur 3). Fit vergelijking 1 tot ruwe gegevens, waarbij C ini = 8, C fin LET OP: Deze vergelijking past zich aan een rat lichamelijke conditie. Daarom wordt verwezen naar de berekende curve als een adaptieve acceleratie-training model.
(1) - Gebruik Vergelijking 1 voor Week 1 van de formele opleiding.
- Weken 2 en 3 van de training, de parameters van vergelijking 1 passen, dat wil zeggen, een verandering 12-22, zodat de snelheid 30 m / min bereikt.
(1) 5. Beheersing van het Softwareprogramma
OPMERKING: Uitsluitend ontwikkelen van een code voor de microcontroller motorbedrijf en signaaloverdracht van de infraroodsensoren op een computer voor latere gegevensanalyse.
- Gebruik C programmeertaal om een software-besturingsprogramma met één hoofdprogramma en twee interrupt service routines voor de timer in te schrijvende microcontroller 18.
- Zorg ervoor dat het hoofdprogramma geïnitialiseerd register van de microcontroller en construeert een adaptief versnellingskromme model in het geheugen van de microcontroller.
- Gebruik de interrupt-service routine van Timer 0 tot het adaptieve versnelling curve te activeren en de gehele training duur te berekenen.
- Gebruik de interrupt-service routine van Timer 1 om het signaal gegevens te extraheren uit de infrarood-sensoren en om de gegevens over te brengen naar de computer.
- Met het hoofdprogramma van de positie van 0 o om de snelheid van loopwiel passen opnemen.
- Zodra de ontvangende infraroodsensor bij 0 ° wordt geactiveerd, interpreteren als een daling incidentie, die wordt opgebouwd door het hoofdprogramma. Op het moment dat het optreden tijden van de val incidenten raakt de drempel van 10% van het nummer van de rat positie detecties, deaccelerate het loopwiel automatisch als een veiligheidsmaatregel voor getrainde ratten. LET OP: De snelheid of loopwiel wordt verlaagd totdat de rat kan terugkeren naar de veilige zone (0 o tot 135 o) en handhaven van een stabiele lopende staat voor de veiligheidsmaatregel.
6. Bediening van de Positioning System loopwiel
- Schakel de microcontroller en wachten op een operator om druk op de knop om elke week de training model te beginnen.
- Druk op de knop "Start" om de training te beginnen model voor Week 1.
OPMERKING: De motor versnelt automatisch op basis van de adaptieve versnellingscurve totdat zij tot 20 m / min en automatisch stopt na 30 min. - Druk op de knop "Start" om de training te beginnen model voor Week 2.
LET OP: De motor accelereert automatisch op basis van de adaptieve versnelling curve totdat het 30 m / min bereikt, en stopt automatisch na 30 min. - Druk op de knop "Start" om de training te beginnen model voor Week 3.
LET OP: De motor automatisch Accelerates gebaseerd op de adaptieve versnelling curve totdat het 30 m / min bereikt, en stopt automatisch na 60 min.
OPMERKING: Gedurende de gehele opleiding proces, door te geven het signaal gegevens ontvangen van de infrarood sensoren op een computer draadloos.
- Druk op de knop "Start" om de training te beginnen model voor Week 1.
- Met behulp van een computer, het analyseren van de locatiegegevens om een effectieve oefening maatregel te krijgen voor de hele oefening proces (
). Zie Vergelijking 2. 
(2)
LET OP: EEE, EED en IED vertegenwoordigen de effectieve uitoefening maatregel, de effectieve en ineffectieve trainingsduur, respectievelijk.
). Zie Vergelijking 2. 
(2) 7. Het trainen van de Ratten
- Willekeurig verdelen volwassen mannelijke Sprague-Dawley-ratten in vijf groepen (n = 9 voor elke groep): de sham, control, tredmolen, MRW en PRW groepen.
- Voer een 3 week trainingsprogramma voor de drie oefening groepen, dat wil zeggen de treadmill, MRW en PRW groepen, maar niet voor de sham en de controlegroepen.
LET OP: De 3 week trainingsprogramma voor elke oefening groep is 20 m / min gedurende 30 minuten tijdens de week 1, 30 m / min gedurende 30 minuten tijdens de Week 2 en 30 m / min gedurende 60 minuten tijdens de Week 3.
8. Animal and Stroke Model
- Zoals vermeld in Sec. 7,1, willekeurig verdelen alle betrokken volwassen mannelijke Sprague-Dawley ratten met een gewicht tussen 250-280 g in 5 groepen.
- Weeg alle dieren om te zorgen voor nauwkeurige dosering drug berekeningen. Verdoven de ratten met natriumpentobarbital (25 mg / kg, intraperitoneaal [ip]) en een mengsel dat ketamine (4,4 mg / kg, intramusculair [im]), atropine (0,02633 mg / kg, [im]) en xylazine (6,77 mg / kg, [im]).
- Beoordeel de narcose diepte door het bewaken van de ademhaling (normaal 70-115 ademhalingen / min), ritme, de diepte van de ademhaling, slijmvliezen kleur en regelmatig testen van reflexen, bijvoorbeeld teen knijpen, staart knijpen, ooglid / wimperen palpebrale.
- Invoegen temperatuursondes in het rectum te houden en de rectale temperaturen tussen 37-37,5 ° C gebruik makend van afzonderlijke verwarmingslampen.
- Induceren focale ischemie, voorbijgaande middelste cerebrale slagader occlusie (MCAo) door het invoegen van een gloeidraad in de interne halsslagader om de opening van de middelste cerebrale slagader via externe halsslagader benadering 19 af te sluiten.
- Voer dezelfde operationele procedures op de schijn-geopereerde dieren, terwijl niet een filament te voegen in de interne halsslagader. Handhaving van focale cerebrale ischemie gedurende 1 uur, verwijder de gloeidraad, sluit de incisie, en dan laat 1 cm van de nylon hechtdraad uitsteekt, die zouden kunnen worden ingetrokken reperfusie mogelijk te maken.
- Dien subcutane (sc) injectie van een analgeticum (buprenorfine (0,05 mg / kg, sc)), in de dieren analgesie tweemaal daags gedurende 3 dagen.
9. Het beoordelen van Neural Damage
- EvalUate neurologische en motorische functies, respectievelijk door de neurologische ernst score (mNSS) 20 en een hellend vlak-test 21.
OPMERKING: mNSS is een samenstelling van de motor (spier status abnormale beweging), sensorische (visuele, tactiele en proprioceptieve) en reflextesten. Geef een punt voor het niet uitvoeren van een taak. Beoordeel neurologische functie op een schaal van 0-18 (normale score = 0; maximale tekort score = 18). - Beoordelen alle ratten qua prestaties behavioral de dag vóór en dag gedurende een periode van 7 dagen na de operatie.
- Meet de achterste ledematen grijpkracht van de rat met behulp van een hellend vlak.
- Plaats ratten op de hellende klimtoestellen dagelijks en acclimatiseren de ratten van de apparatuur en de testcondities 1 week voor het testen.
- Plaats elke rat op de inrichting en de rat stimuleren het platform beklimmen tot de bovenkant van het apparaat tijdens de gewenningsperiode.
- Plaats de rat opde top van de inrichting met het hoofd naar beneden tijdens de test. Controleer of de lichaamsas van de rat blijft langs een 20 x 20 cm 2 rubber geribbeld oppervlak op het hellend vlak vanaf een hoek van 25 °.
- Verhoog de hoek dynamisch met een kogelschroef verbonden met een stappenmotor om de maximale hoek waarbij een dier op het vlak vast kon houden. Verhoog de hoek van het hellend vlak geleidelijk totdat de muis niet te houden op het hellend vlak, en vervolgens op te sporen een naar beneden glijden evenement. De basislijn mate van hellend vlak is 25 ° in het begin.
- Vraag twee waarnemers (niet op de hoogte van welke behandeling de ratten hadden gekregen), om zelfstandig te onderzoeken en scoren alle gedragstesten, dat wil zeggen het gemiddelde van de linker- en rechterzijde maximale hoeken.
- Opoffering alle dieren op dag 7 na MCAo. Perfuseren de harten van de dieren onder diepe narcose (natriumpentobarbital 100 mg / kg, ip) met een zoutoplossing 22 22.
- Dompel de verse hersencoupes in 2, 3, 5-trifenyltetrazoliumchloride (TTC) bij 37 ° C gedurende 30 min, vervolgens over de plakjes 5% formaldehyde oplossing fixatie bij 4 ° C gedurende 24 uur. Plaats de gekleurde hersenen plakken op een plexiglas houder.
- Fotografeer de TTC-gekleurde plakjes met een schaalverdeling met behulp van een CCD-camera gekoppeld aan een personal computer geladen met beeldbewerkingssoftware. Gebruik een semi-automatische beeldanalyse systeem, alsmede aan het infarct gebied (mm 2) van elke TTC-gekleurde hersenen slice 23 te schatten.
- Bereken de totale infarctvolume voor elke plak uit de som van geïnfarceerd oppervlakken van alle hersenplakjes. Markeer het gebied ongekleurd (ischemische hersenen) afzonderlijk op elke zijde van 2 mm dikke plakken, dan berekent het infarct volume en de gemiddelde waarde.
- Calculaat het gecorrigeerde infarct volume (CIV) als
CIV = {LT- (RT-RI)}
d (3)
OPMERKING: Indien LT en RT duiden de gebieden van de linker en rechter hemisferen in mm 2 respectievelijk RI is het infarctgebied in mm 2 en d = 2 mm is de plakdikte.
d (3) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze sectie is gewijd aan vergelijkingen gemaakt 1 week na de operatie, op de mNSS scores, helling vliegtuig testresultaten en herseninfarct volumes over vijf groepen. Figuur 4A en 4B de gemiddelde mNSS scores en het gemiddelde van de helling vliegtuig testresultaten presenteren, respectievelijk. De PRW groep verschijnt als de beste in termen van mNSS verbetering. De significante verschillen tussen PRW en MRW en tussen de loopband en PRW duidelijk suggereren dat de PRW beschermt tegen beroerte effectiever dan andere mobiliteit dierlijke systemen die momenteel beschikbaar zijn. Hellende vlak proeven worden uitgevoerd bij aanzienlijk steilere hellingshoeken in de uitoefening groepen dan in de controlegroep gedurende een periode van zeven dagen na de operatie, wat duidelijk de voordelen van lichaamsbeweging als middel om de ernst van de effecten van de slag. Met name, de hellingshoek in de PRW groep werd aangetoond dat de steeongedierte onder alle groepen oefening en is zelfs vergelijkbaar met die in de sham groep, die een hoger herstel dan loopband MRW. Verder Figuur 4C toont dat na extractie van de hersencoupes volgende 7 dagen neurale schade, het PRW de groep niet alleen vertoonde een aanzienlijk kleiner infarct volume dan de controlegroep vertoonde ook de kleinste infarctvolume tussen alle groepen oefening. Het is derhalve duidelijk aangetoond dat de ratten getraind met een PRW leed aanzienlijk minder hoeveelheid herseninfarct schade dan de handel verkrijgbare opleidingsstelsels, verifiëren de superioriteit van PRW voor hersenbeschadiging reductie training.
Deze studie presenteerde een wetenschappelijke benadering voor het kwantificeren van effectieve uitoefening activiteit in hersenbeschadiging reductie training. Gedurende 3 weken van de opleiding, is er een 98% effectieve uitoefening maatregel in PRW, terwijl slechts 68% in MRW (tabel 1). Dit significant verschil in de effectieve uitoefening snelheid blijkt dat de superioriteit van de PRW training mechanisme. Het niet-effectieve oefening maatregel, gedefinieerd als 1 - de daadwerkelijke uitoefening maatregel en gecorreleerd met de mNSS score (Figuur 4A), geeft een 88% correlatie met de mNSS score (tabel 1). Bovendien bestaat er een 85% correlatie tussen de uitoefening meten en de helling vlakke hoek (tabel 1) en een 92% correlatie tussen de ineffectieve oefening maatregel het infarct volume (tabel 1). In het bijzonder is een effectieve maatregel oefening zo hoog als 98% gecorreleerd met een extreem lage volume infarct bij PRW. Een significante correlatie is dus aangetoond tussen het ineffectieve lichaamsbeweging en de mate van neurologische schade.
/54354/54354fig1.jpg "/>
Figuur 1: PRW systeem (A) ontwerp tekening van een PRW.. Het loopwiel is 55 cm in diameter en 15 cm breed. Op de onderste helft van het loopwiel, is een gat geboord om de 45 ° voor infrarood sensoren aflevering. (B) het daadwerkelijk beeld van de PRW. Een laag van hoge wrijving rubberen band wordt geplaatst aan de binnenzijde van het wiel acryl. Een kwart-cirkel opening aan één zijde van het loopwiel werkt als een ingang en een uitgang en voor de getrainde dieren. Een ijzeren staaf met lagers verbindt het loopwiel aan de driehoekige zuilen, het ondersteunen van het loopwiel. Een motor is ingesteld op de buitenkant van het loopwiel spoor en is verbonden met het loopwiel spoor door een 10 cm centrale as gemonteerde rubberen schijf. Een microcontroller werkt de motor en daardoor commando's het loopwiel. Een paar halfronde, transparante acrylplaat zijn bevestigd aan de driehoekige Kolom mns, en vier paren van infrarood sensoren zijn ingebed in de acrylplaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Implementatie infraroodsensoren (A) Afhankelijk van de grootte van de PRW en de lichaamslengte van een rat, werden een paar infraroodsensoren ingezette elke 45 ° tussen 0 ° en 135 ° (produceren totaal 8 sensoren). . Tussen 0 ° en 135 °, ratten vertoonden een toestand van normale rijstand, dus dit gebied werd gedefinieerd als de loopruimte. (B) Voor MRW, werden een paar infraroodsensoren elke 70 ° opgesteld tussen 0 ° tot 140 °.krijgen = "_ blank"> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3:. Bouwen van een adaptieve acceleratie-training model voor een soepele snelheid-up oefening De stippellijnen vertegenwoordigen de handmatig opgegeven versnelling curves voor de opleiding van zeven ratten op dag 3, en kan worden gekarakteriseerd als een exponentiële functie. Niet-lineaire curve fitting wordt dan dienovereenkomstig uitgevoerd. De kromme met cirkels vertegenwoordigt de eerste adaptieve versnellingscurve voor Week 1, Week 1 de curve voor kort. De curve voor Weeks 2 en 3 is een aangepaste versie van de Week 1 curve met een eindsnelheid tot 30 m / min (C fin = 30). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4:. Vergelijking op neurologische schade evaluatie tussen groepen over een periode van 7 dagen na de operatie (elke groep met 9 ratten) (A) Gemiddeld mNSS score (gemiddelde ± SD). Er bestaat een grote variatie tussen de beweging en de controlegroepen, het bewijs dat de oefening voordelen schade aan de hersenen te verminderen. De PRW groep de laagste score bij de uitoefening groepen, waaruit blijkt een superieur neuroprotectieve mechanisme om de andere opleidingen systemen. (B) De gemiddelde achterpoot testhoeken (gemiddelde ± SD). Een veel steilere hoek wordt gedemonstreerd in de PRW dan in de controlegroep, en blijkt als de steilste onder alle oefening groepen. Daarnaast was er weinig verschil tussen de PRW en sham groepen, indicating dat PRW geregenereerd ratten achterpoot grip naar een hoger niveau. (C) Vergelijking van de infarct volume (gemiddelde ± SD). PRW verwerft veel kleiner volume dan de controlegroep, en rangschikt de laagste van alle oefening groepen, het valideren van de prominente effect van PRW op schade aan de hersenen te verminderen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Groep | Daadwerkelijke uitoefening maatregel% (EEE) | mNSS | Hellend vlak hoek | infarctvolume |
| PRW | 98.88 ± 1.11 | 23.54 ± 3.08 | 100 | 37,6 ± 1,08 |
| MRW | 68.05 ± 5.39 | 70,7 ± 6,48 | 34.23 ± 4.48 | 72,76 ± 6,52 </ Td> |
| Controle | 0 | 100 | 0 | 100 |
| Coëfficiënt correlatie (R2) met EEE | -0,88 | 0.85 | -0,92 |
Tabel 1: Vergelijking op de correlatie tussen de daadwerkelijke uitoefening activiteit en neurologische schade effectieve oefening activiteit vergelijking tussen de PRW, MRW en de controlegroepen.. De PRW en MRW groepen geven 98% en 68% gemiddelde effectieve uitoefening maatregel respectievelijk na 3 weken training, waardoor PRW biedt een groter aantal effectieve training. Er bestaat een correlatie tussen 0,88 mNSS en ineffectief oefening maatregel, een 0,85 correlatie tussen de daadwerkelijke uitoefening maatregel en het hellend vlak hoek, en een 0,92 correlatie tussen de ineffectieve maatregel oefening en het infarct volume, respectsluitend. In het bijzonder is een effectieve uitoefening snelheid tot 98% gecorreleerd met een extreem kleine infarctvolume in PSW. De gegevens van mNSS, hellend vlak hoek, en infarct volumes zijn genormaliseerd.
| Functie | PRW (deze studie) | MRW | tredmolen |
| Fysieke training | Gedwongen (lateraal gemotoriseerd) | Gedwongen (centraal gemotoriseerd) | Gedwongen (elektrische schokken) |
| Aantal gelijktijdig trainen van dieren | single | single | meervoud |
| Runway structuur | Geweven rubberen band | bars | rupsband |
| trainbaar intensiteit | Laag, midden, hoog | Lage, intermediaire | Laag, midden, hoog |
| Adaptive versnellingopleiding | Ja | Nee | Nee |
| Rijstand detectie | Ja | Nee | Nee |
| vertraging training | Ja | Nee | Nee |
| Effectieve uitoefening assessment | Ja | Nee | Nee |
Tabel 2:. Vergelijking tussen mobiliteit dier systemen PRW kan gebruikt worden op elk niveau van de trainingsintensiteit. De combinatie van een op maat gemaakte wiel met een adaptieve training curve, PRW dient als een superieur alternatief voor tegenhangers. Verder wordt infrarood positie detectietechniek gebruikt om een effectieve oefening activiteit hersenbeschadiging reductie te kwantificeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol beschrijft een zeer effectieve loopwiel voor het verminderen van de ernst van de effecten van de slag bij dieren. Als rat ingestelde testbed, wordt dit platform ook ontworpen zodanig dat een stabiele rijsnelheid door ratten gedurende een lopend proces kan worden gehouden door middel van een vooraf bepaalde adaptieve versnellingscurve. In typische training systemen worden vooraf ingestelde training snelheden en duur handmatig in te stellen. Zodra een oefening begint, wordt een vooraf ingestelde snelheid zeer binnenkort bereikt. In dit verband is het zeer waarschijnlijk dat ratten niet in staat zijn om hogere snelheden te bereiken, waardoor ze tuimelen en vallen en bijgevolg die de stabiliteit van de runs. De kritische stappen zijn, 1.1, 4.1 en 4.2, waarvan de belangrijkste kenmerken in PRW zijn, in tegenstelling tot MRW. De integratie tussen een ruime atletiekbaan, zoals beschreven in stap. 1.1, en een adaptieve acceleratie-training modelbouw, in stap genoemd. 4.1 en 4.2, wordt gepresenteerd als een verbeterde versie van eentypisch MRW. Dergelijke belangrijke functies leiden tot een verminderde infarct volume dan MRW. Het totale ontwerp van de gepresenteerde systeem is ontworpen als een rat-vriendelijke testbed voor een verlaging van de niet-effectieve oefening. Specifieker, 4 paar infraroodsensoren ingezet om de real-time positie van een rat te detecteren, die noodzakelijk is om een effectieve uitoefening activiteit te kwantificeren, gedefinieerd in stap. 6.6, voor vergelijkingen op correlatie met de mNSS scores, hellend vlak hoek en de hersenen infarct volume. Deze maatregel kan worden toegepast op elk type neurofysiologische experimenten nog niet gerealiseerd in traditionele opleidingsplatforms kwantificeren. Het is echter zeer waarschijnlijk dat een effectieve uitoefening niet kan worden gedetecteerd voor een kleine rat door een dun verdeling van infraroodsensoren. Een voornaam nadeel ten opzichte van een loopband is dat slechts één rat kan worden getraind tegelijk op dit platform. Het oplossen van problemen systeem bestaat uit twee delen. Een sensor is een nauwkeurige uitlijning voor signaaloverdracht en ontvangstvanwege de hoge richtingsgevoeligheid IR, terwijl de andere het loopwiel ronddraaiende opgegeven omwentelingen per minuut (rpm). Een IR-bron / detektorenpaar moeten worden aangepast tot een sterk signaal van de detector kan worden ontvangen. Wat het loopwiel, wordt de 10 cm diameter rubber schijf versleten langzaam wanneer het wiel wordt geroteerd gedurende langere tijd. Daarom is een veer moeten worden losgemaakt als een manier om een ontoereikende rubber schijf wrijving compenseren normale rotatie van het wiel. Tabel 2 geeft een vergelijking gedwongen dier mobiliteitsystemen gebruikt hersenbeschadiging reductie experimenten.
Proeven hebben een significant betere resultaten in termen van de mNSS scores, hellingshoek en infarct volumes in de PRW dan in de controlegroep (p <0,05). De PRW groep werd gevalideerd als degene die de meest bedrag van de daadwerkelijke uitoefening training onder al de uitoefening groepen. In deze studie, wanneer ontwikkeld op basis van de traditionele MRW, ratten are vaak gevonden vast te houden aan de tralies van de landingsbaan en weigeren om te draaien met een snelheid van meer dan 20 m / min, een overeenkomst met een stuk van eerder werk 9. Als een manier om de rat training te verbeteren, wordt de metalen landingsbaan herontworpen als een high-density rubber atletiekbaan in dit werk. In een loopband, is psychologische stress onvermijdelijk opgelegd aan de elektrische shock-driven ratten, een onopgelost probleem in de discipline van de fysiologie in het verleden. Daarom moet er een manier gevonden worden om het tuimelen frequentie verlagen en de psychologische belasting van ratten opgelegd tijdens de training vergemakkelijken. Op deze wijze kan de testresultaten nauwkeuriger worden uitgelegd als overtuigend de uitoefening voordeel hersenbeschadiging reductie demonstreren. Dit is een belangrijke motivatie achter dit werk.
Dit werk levert met succes een kwantitatieve maat van een effectieve oefening activiteit gecorreleerd met het infarct volume, de meest directe bewijs van een beroerte schade. Daarom effectieve uitoefeningin andere soorten dierlijke testen kunnen dienovereenkomstig worden gekwalificeerd. Zoals in 6-8 zowel de trainingsintensiteit en duur zijn gebruiker opgegeven in neurofysiologische experimenten, maar rekening houdend met de effectieve hoeveelheid van een trainingsprogramma. Daadwerkelijke uitoefening activiteit wordt gevalideerd als een belangrijke factor om een beroerte neuroprotectie, met behulp van deze rat en innovatieve dier mobiliteitssysteem.
Men gelooft dat dit platform in de toekomst kunnen worden toegepast op een variabele snelheid training en aanverwante zaken. Zoals in 24, 25, is de variabele snelheid training gezien als een meer effectieve training in de discipline van de inspanningsfysiologie. Met behulp van infrarood-positie detectietechniek als basis, variabele snelheid training kan precies op de atleten uitgevoerd voor een diepe onderzoek naar de neurofysiologische beschermingsmechanisme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brushless DC motor | Oriental Motor | BLEM512-GFS | |
| Motor driver | Oriental Motor | BLED12A | |
| Motor reducer | Oriental Motor | GFS5G20 | |
| Speedometer | Oriental Motor | OPX-2A | |
| Treadmill | Columbus Instruments | Exer-6M | |
| Infrared transmitter | Seeed Studio | TSAL6200 | |
| Infrared Receiver | Seeed Studio | TSOP382 | |
| Microcontroller | Silicon Labs | C8051F330 | |
| CCD camera | Canon Inc. | EOS 450D | |
| Image processing software | Adobe Systems Incorporated | ADOBE Photoshop CS5 12.0 | |
| Image analysis | Media Cybernetics | Pro Plus 4.50.29 | |
| Sodium pentobarbital | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA P-3761 | |
| Ketamine | Pfizer (Kent, UK) | 1867-66-9 | |
| Atropine | Taiwan Biotech Co., Ltd. (Taoyuan, Taiwan) | A03BA01 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | SIGMA X1126 | |
| Buprenorphine | Sigma-Aldrich (Saint Louis, MO, USA) | B9275 |
References
- Mayo, N. E., Wood-Dauphinee, S., Cote, R., Durcan, L., Carlton, J. Activity, participation, and quality of life 6 months poststroke. Arch Phys Med Rehabil. 83 (8), 1035-1042 (2002).
- Duncan, P. W., Goldstein, L. B., Horner, R. D., Landsman, P. B., Samsa, G. P., Matchar, D. B. Similar motor recovery of upper and lower-extremities after stroke. Stroke. 25 (6), 1181-1188 (1994).
- Raichlen, D. A., Gordon, A. D. Relationship between exercise capacity and brain size in mammals. PLoS One. 6 (6), (2011).
- Trejo, J. L., Carro, E., Torres-Aleman, I. Circulating insulin-like growth factor I mediates exercise-induced increases in the number of new neurons in the adult hippocampus. J Neurosci. 21 (5), 1628-1634 (2001).
- Zhang, F., Wu, Y., Jia, J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance. Neuroscience. 177, 170-176 (2011).
- Wang, R. Y., Yang, Y. R., Yu, S. M. Protective effects of treadmill training on infarction in rats. Brain Res. 922 (1), 140-143 (2001).
- Ding, Y., et al. Exercise pre-conditioning reduces brain damage in ischemic rats that may be associated with regional angiogenesis and cellular overexpression of neurotrophin. Neuroscience. 124 (3), 583-591 (2004).
- Li, J., Luan, X. D., Clark, J. C., Rafols, J. A., Ding, Y. C. Neuroprotection against transient cerebral ischemia by exercise pre-conditioning in rats. Brain Res. 26 (4), 404-408 (2004).
- Leasure, J. L., Jones, M. Forced and voluntary exercise differentially affect brain and behavior. Neuroscience. 156 (3), 456-465 (2008).
- Chen, C. C., et al. A Forced running wheel system with a microcontroller that provides high-intensity exercise training in an animal ischemic stroke model. Braz J Med Biol Res. 47 (10), 858-868 (2014).
- Chen, C. -C., et al. Improved infrared-sensing running wheel systems with an effective exercise activity indicator. PLoS One. 10 (4), (2015).
- Fantegrossi, W. E., Xiao, W. R., Zimmerman, S. M. Novel technology for modulating locomotor activity as an operant response in the mouse: Implications for neuroscience studies involving "exercise" in rodents. J Neurosci Methods. 212 (2), 338-343 (2013).
- Hayes, K., et al. Forced, not voluntary, exercise effectively induces neuroprotection in stroke. Acta Neuropathol. 115 (3), 289-296 (2008).
- Arida, R. M., Scorza, C. A., da Silva, A. V., Scorza, F. A., Cavalheiro, E. A. Differential effects of spontaneous versus forced exercise in rats on the staining of parvalbumin-positive neurons in the hippocampal formation. Neurosci Lett. 364 (3), 135-138 (2004).
- Waters, R. P., et al. Selection for aerobic capacity affects corticosterone, monoamines and wheel-running activity. Physiol Behav. (4-5), 1044-1054 (2008).
- Ke, Z., Yip, S. P., Li, L., Zheng, X. -X., Tong, K. -Y. The effects of voluntary, involuntary, and forced exercises on brain-derived neurotrophic factor and motor function recovery: A rat brain ischemia model. PLoS One. 6 (2), (2011).
- Caton, S. J., et al. Low-carbohydrate high-fat diets in combination with daily exercise in rats: Effects on body weight regulation, body composition and exercise capacity. Physiol Behav. 106 (2), 185-192 (2012).
- C8051F330/1/2/3/4/5 datasheet. , Silicon Laboratories Inc. Available from: https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/C8051F33x.pdf (2006).
- 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).
- Chen, J. L., et al. Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats. Stroke. 32 (4), 1005-1011 (2001).
- Chang, M. -W., Young, M. -S., Lin, M. -T. An inclined plane system with microcontroller to determine limb motor function of laboratory animals. J Neurosci Methods. 168 (1), 186-194 (2008).
- Gartshore, G., Patterson, J., Macrae, I. M. Influence of ischemia and reperfusion on the course of brain tissue swelling and blood-brain barrier permeability in a rodent model of transient focal cerebral ischemia. Exp Neurol. 147 (2), 353-360 (1997).
- Chen, F., et al. Rodent stroke induced by photochemical occlusion of proximal middle cerebral artery: Evolution monitored with MR imaging and histopathology. Eur J Radiol. 63 (1), 68-75 (2007).
- Almenning, I., Rieber-Mohn, A., Lundgren, K. M., Lovvik, T. S., Garnaes, K. K., Moholdt, T. Effects of high intensity interval training and strength training on metabolic, cardiovascular and hormonal outcomes in women with polycystic ovary syndrome: a pilot study. PLoS One. 10 (9), (2015).
- Costigan, S. A., Eather, N., Plotnikoff, R. C., Taaffe, D. R., Lubans, D. R. High-intensity interval training for improving health-related fitness in adolescents: a systematic review and meta-analysis. Br J Sports Med. 49 (19), (2015).
