Summary
Данное исследование представляет собой инновационный ходовое колесо на основе системы подвижности животных для количественной оценки эффективной тренировки активности у крыс. Крыса дружественный Подопытный построен, используя предопределенный адаптивную кривую ускорения, а также высокая степень корреляции между эффективной скоростью физической нагрузки и объема инфаркта предполагает потенциал Протокола для экспериментов по профилактике инсульта.
Abstract
Данное исследование представляет собой систему подвижности животных, оснащенный позиционирования ходовое колесо (PRW), как способ количественной оценки эффективности физической активности для снижения тяжести последствий инсульта у крыс. Эта система обеспечивает более эффективное обучение животных упражнения, чем коммерчески доступных систем, таких как беговые дорожки и моторизованных ходовых колес (МРО). В отличие от MRW, который может достичь скорости менее 20 м / мин, крысы разрешено работать на стабильной скорости 30 м / мин на более просторные и высокой плотности каучука беговой дорожки, поддерживаемой шириной 15 см акрилового колеса с диаметр 55 см в этой работе. Используя предопределенную адаптивную кривую ускорения, система не только снижает возможность ошибки оператора, но и обучает крыс бегать настойчиво до заданной интенсивности пока не будет достигнута. В качестве способа оценки эффективности тренировок, в режиме реального времени положение крысы обнаруживается четырьмя парами инфракрасных датчиков, развернутых на ходовое колесо. После того,Адаптивная кривая ускорения инициируется с использованием микроконтроллера, то данные, полученные с помощью инфракрасных датчиков, автоматически регистрируют и анализируют на компьютере. Для сравнения, 3 недели обучение проводится на крысах с использованием беговая дорожка, MRW и PRW. После того, как хирургическим путем индукции окклюзия средней мозговой артерии (МСАО), были проведены модифицированные неврологической оценки степени тяжести (mNSS) и тест на наклонной плоскости для оценки неврологического повреждения у крыс. PRW Экспериментально подтверждено, как наиболее эффективным среди таких систем подвижности животных. Кроме того, эффективность упражнений мера, основанная на анализе положения крыс, показали, что существует высокая отрицательная корреляция между эффективной реализации и объема инфаркта, и могут быть использованы для количественной оценки обучения крысы в любом типе экспериментов по снижению повреждения головного мозга.
Introduction
Непрерывно существуют Strokes в качестве финансового бремени для стран всего мира, в результате чего огромное количество пациентов физически и умственно отсталых детей 1, 2. Существует клинические данные позволяют предположить , что регулярные физические упражнения могут улучшить регенерацию нерва и укрепить нервные связи 3, 4, и это также показано , что физические упражнения могут снизить риск заболевания ишемических инсультов 5. При любом беговой дорожке или ходовое колесо в качестве упражнения системы обучения, грызунов, таких как крысы, служить в качестве прокси - сервера для людей для проверки эффективности упражнений в подавляющем большинстве клинических экспериментов 6 - 8. Система тренировки обычно включает в себя обучение крысу в течение определенного периода времени, в течение которого крыса работает на определенной скорости. Таким образом, интенсивность тренировки , как правило , рассчитывается в зависимости от скорости и продолжительности упражнений 6 - 8. Такой же подход применяется коценить количество упражнений, необходимое для нейрофизиологических защиты. Однако экспериментальные упражнения иногда оказывается неэффективным, например, когда крыса спотыкается, падает, или захватывает рельсы , когда они не в состоянии догнать беговой скорости колеса 9 - 11. Само собой разумеется, случаи неэффективного упражнения значительно снижают пользу физических упражнений. Несмотря на то, что нет какой-либо общепризнанной подход в настоящее время для количественного определения эффективных упражнений для уменьшения повреждения головного мозга, уровень эффективных упражнений по-прежнему выступает в качестве объективной оценки для клинических исследований, чтобы проиллюстрировать преимущества упражнения в дисциплине нейрофизиологии.
Там существует ряд ограничений на коммерчески доступных систем мобильности животных , используемых в современных экспериментах по снижению повреждения головного мозга 12. В случае, беговая дорожка, крысы вынуждены работать с помощью электрошока, вызывая тяжелейшие психологическиестресс на животных и , таким образом , вмешательство в конечном нейрофизиологических результатов испытаний 8, 13, 14. Запуск колеса можно разделить на два типа, а именно: добровольные и принудительные. Добровольные ходовые колеса позволяют крыс бегать , естественно, создавая чрезмерную изменчивость из - за различий в физических качеств и способностей 15 крыс, в то время как моторизованные ходовые колеса (МРО) используют мотор для того чтобы повернуть колесо, заставляя крыс бегать. Несмотря также является формой принудительного обучения, МРО накладывает меньше психологического стресса на крыс , чем беговые дорожки 13, 16, 17. Тем не менее, эксперименты с использованием МРО сообщили , что крысы , иногда прерывать упражнение, захватывая рельсы на колее и отказываясь работать на скоростях , превышающих 20 м / мин 9. Эти примеры показывают, что системы подвижности животных, доступных в настоящее время имеют неотъемлемое недостаток, что препятствует эффективной тренировки. Дляобъективные цели обучения крысы, разработка высокоэффективной системы подготовки, но с низким уровнем помех поэтому рассматривается как актуальный вопрос для нейрофизиологических экспериментов физических упражнений.
Данное исследование представляет собой высокоэффективную систему ходовое колесо для экспериментов по снижению тяжести последствий инсульта 11. В дополнение к уменьшению числа факторов помех во время процесса обучения, эта система обнаруживает рабочее положение крысы с использованием инфракрасных датчиков, встроенных в колеса, обеспечивая тем самым более надежную оценку эффективной реализации деятельности. Психологический стресс накладывается традиционными беговыми дорожками и частые упражнения перерывы в МРО как искажают объективность получаемых оценок физических упражнений. Система позиционирования ходовое колесо (PRW), представленные в данном исследовании разработана в попытке свести к минимуму нежелательные помехи, обеспечивая при этом надежную модель обучения для количественной оценки эффективного ехеrcise.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Заявление по этике: Экспериментальные процедуры были одобрены этическим комитетом животных Южного тайваньского университета науки и технологии лабораторного центра животноводства, Национального научного совета Китайской Республики (Тайнань, Тайвань).
1. Построение структуры ходовое колесо
Примечание: Все акриловые должны быть прозрачными. Промыть разобранном колесо с водой, а затем использовать спирт для того чтобы протереть резиновую дорожку и акриловые листы после каждого использования.
- Получают акриловый ходовое колесо, чтобы быть 55 см в диаметре и 15 см в ширину.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это колесо больше , чем традиционное ходовое колесо (диаметр = 35 см, ширина = 12 см) (F igure 1А). - Используя резак, вырезать отверстие в четверть круга в одну сторону ходовое колесо , чтобы действовать как вход и выход, а для крыс (рис 1B). Поместите слой с высоким коэффициентом трения резиновой дорожки на внутренней стороне ACRилова колеса (рис 1B).
- Поместите железный стержень с подшипниками для подключения ходовое колесо (рисунок 1В). Поместите два акриловых треугольной колонны по обе стороны от ходовое колесо , чтобы действовать в качестве опорной рамы (Фиг.1В).
- Приложить толщиной 1 мм полукруглый, прозрачный акриловый лист на внешних сторонах двух треугольных колонн с помощью винтов. Используйте этот лист для развертывания инфракрасных датчиков. Убедитесь, что акриловые листы примерно 3 см от каждой стороны ходовое колесо.
2. Развертывание инфракрасных датчиков и определение эффективного для занятий спортом
Примечание: Примите во внимание размер ходовое колесо и длину крысы в разработке инфракрасной системы. Крысу срабатывает только одного датчика за один раз. В этом эксперименте у крыс длиной от 20 до 23 см.
- Просверлите отверстие в акриловых листов каждые 45 ° (дуги интервал = 21 см), с расстояниеммежду двумя отверстиями быть примерно равно длине теста на крысах. Сделайте отверстия того же размера, что и инфракрасные датчики (рис 2А).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для традиционных МРО, просверлить отверстие каждые 70 ° (интервал дуги = 21 см, рис 2В). - Во время эксперимента PRW, поддерживать крыс при устойчивом состоянии работать в диапазоне от 0 ° до 135 °.
Примечание: Таким образом, определить эту область в качестве эффективной площади упражнения, в то время зрения все остальные разделы, как неэффективные областей упражнений. Для традиционных МРО, определить эффективную зону тренировки в качестве части от 0 ° до 140 ° (рис 2В).
3. Вождение ходовое колесо
- Используйте бесщеточный двигатель постоянного тока и привод двигателя для приведения в ходовое колесо.
- Установите диаметр резиновый диск 10 см на центральной оси двигателя (рис 1В).
- Используя железный каркас и пружины, чтобы поддержать двигатель, подключить резиновый диск изцентральная ось вращения двигателя на внешней стороне ходовое колесо.
Примечание: Пружины должны сотрудничать с винтами, чтобы обеспечить регулировку высоты динамического двигателя и предотвратить резиновый диск отсоединение на беговой дорожке колеса из-за свободных пружин. - Эксплуатировать двигатель для привода диаметр резиновый диск 10 см с помощью микроконтроллера, и наблюдать колесо вращается за счет трения между резиновым диском и взлетно-посадочной полосы колеса, создавая моторизованный ходовое колесо платформы.
- Крепление четыре инфракрасных датчиков последовательно между 0 ° до 135 ° (фиг.2А).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для традиционных МРО, крепление датчиков в диапазоне от 0 ° до 140 ° (рис 2В). - Подключение четыре пары инфракрасных датчиков, установленных в обоих акриловых листов к общим штифтами микроконтроллера с использованием одножильных кабелей, тем самым формируя систему позиционирования ходовое колесо.
4. Построение адаптивной Acceleratiна кривой
- За три дня до начала официальной 3-х недельного обучения упражнения, тренировки крыс вручную в действие ходовое колесо.
Примечание: Цель состоит в том, чтобы позволить крысы, чтобы ознакомиться с управлением окружающей средой, и, чтобы проверить, может ли каждая крыса выдержать пробег в 20 м / мин.- Во время ручного обучения, постепенно ускорить скорость движения до тех пор, пока крыса не в состоянии идти в ногу. Когда это происходит, уменьшите скорость до тех пор , пока крысы вновь обретает устойчивый темп бега, а затем постепенно увеличивать скорость снова до тех пор , крыса не достигнет 20 м / мин (пунктирные линии на рисунке 3). Учебное пособие включает в себя семь крыс построить тренировочные кривые.
- Используя численное уравнение , чтобы соответствовать измеренные данные на 3 -й день ручного тестирования, вычисления ускорения кривых можно ближе к ручного обучения (кривая с кругами, рисунок 3). Fit Уравнение 1 к необработанным данным, где C INI = 8, C плавника ПРИМЕЧАНИЕ: Это уравнение адаптируется к условию тела крысы. Поэтому обратитесь к расчетной кривой в качестве адаптивной модели ускорения-обучения.
(1) - Используйте уравнение 1 для 1-й недели формального обучения.
- В течение нескольких недель 2 и 3 тренинга, настроить параметры уравнения 1, то есть, изменить от 12 до 22, чтобы обеспечить скорость достигнет 30 м / мин.
(1) 5. Управление программой Software
Примечание: Исключительно разработать код для микроконтроллера на основе работы двигателя и для передачи сигналов от инфракрасных датчиков к компьютеру для последующего анализа данных.
- С помощью языка программирования C, чтобы написать программу управления программное обеспечение, содержащее одну основную программу и две процедуры прерывания обслуживания для таймера вмикроконтроллер 18.
- Убедитесь в том, что основная программа инициализирует регистр микроконтроллера и строит модель адаптивной кривой ускорения в памяти микроконтроллера.
- Использование прерывания обслуживания рутина таймера 0, чтобы активировать адаптивный кривую ускорения и вычислить всю продолжительность обучения.
- Использование прерывания обслуживания рутина таймера 1 для извлечения данных сигналов от инфракрасных датчиков и передавать данные на компьютер.
- Используйте основную программу , чтобы записать положение 0 O для регулировки скорости бега колеса.
- После того как датчик приема ИК при 0 ° срабатывает, интерпретировать его как падения заболеваемости, который накапливается основной программой. В тот момент, встречаемости времен падения числа случаев попадает 10% порог числа обнаружений позиции крысы, deaccelerate запущенную колесо автоматически в качестве меры безопасности для обученных крыс. Примечание: Скорость ое ходовое колесо уменьшается до тех пор , крыса не может вернуться в безопасную зону (0 о до 135 о) и поддерживать стабильное состояние выполнения для меры безопасности.
6. Эксплуатация ходовой системы позиционирования колеса
- Включите микроконтроллер и ждать оператора нажать на кнопку, чтобы начать модель обучения каждой недели.
- Нажмите кнопку "Пуск", чтобы начать модель обучения для Недели 1.
Примечание: Двигатель автоматически ускоряется на основании адаптивной кривой ускорения до тех пор, пока не достигнет 20 м / мин, и автоматически останавливается через 30 мин. - Нажмите кнопку "Пуск", чтобы начать модель обучения для 2-й неделе.
Примечание: Двигатель автоматически ускоряется на основании адаптивной кривой ускорения до тех пор, пока не достигнет 30 м / мин, и автоматически останавливается через 30 мин. - Нажмите кнопку "Пуск", чтобы начать модель обучения для Недели 3.
ПРИМЕЧАНИЕ: Двигатель автоматически AcceleraTES, основанные на адаптивном кривой ускорения до тех пор, пока не достигнет 30 м / мин, и автоматически останавливается через 60 мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: На протяжении всего процесса подготовки, передачи данных сигнала, принимаемого от инфракрасных датчиков к компьютеру без проводов.
- Нажмите кнопку "Пуск", чтобы начать модель обучения для Недели 1.
- С помощью компьютера, анализировать данные о местоположении, чтобы получить эффективную меру упражнений для всего процесса тренировки (
). См Уравнение 2. 
(2)
Примечание: EEE, ПЕД и СВУ представляют собой эффективное осуществление мер, эффективные и неэффективные продолжительности упражнений, соответственно.
). См Уравнение 2. 
(2) 7. Обучение Rats
- Случайным образом разделить взрослых самцов крыс Sprague-Dawley крыс на пять групп (п = 9 для каждой группы): на бутафорских, контроль, беговой дорожке, МРО и Prw групп.
- Проведение обучения упражнения 3 недели для трех групп упражнений, т.е. трeadmill, MRW и Prw группы, в то время как не для притворства и контрольных групп.
Примечание: 3 недели упражнений тренировки для каждой группы упражнений составляет 20 м / мин в течение 30 мин в течение Недели 1, 30 м / мин в течение 30 мин в течение Недели 2 и 30 м / мин в течение 60 мин в течение 3-я неделя.
8. Животное и ход поршня Модель
- Как указано в п. 7.1, случайным образом разделить всех вовлеченных взрослых самцов крыс Sprague-Dawley крыс весом от 250-280 г, на 5 групп.
- Взвешивание всех животных, чтобы обеспечить точные расчеты дозы препарата. Обезболить крыс с помощью пентобарбитала натрия (25 мг / кг, внутрибрюшинно [IP]), и смесь, содержащую кетамином (4,4 мг / кг, внутримышечно [им]), атропин (0,02633 мг / кг, [им]) и ксилазина (6,77 мг / кг, [им]).
- Оценка глубины анестезии путем мониторинга частоты дыхания (нормальный 70-115 вдохов / мин), ритм, глубина дыхания, слизистых цвета мембраны и регулярное тестирование рефлексов, например , ног пинч, хвост щепотку, веко / наращивание ресници глазная.
- Вставьте температурный датчик в прямую кишку, и поддерживать ректальные температуры в диапазоне от 37 до 37,5 ° C с использованием отдельных нагревательных ламп.
- Индуцируют фокальной ишемии, переходные окклюзия средней мозговой артерии (МСАО), вставляя нити во внутреннюю сонную артерию , чтобы закупоривать отверстие средней мозговой артерии с помощью подход 19 артерии внешней сонной.
- Выполните те же оперативные процедуры о ложнооперированными животных, а не вставить нить во внутреннюю сонную артерию. Поддерживать очаговой ишемии головного мозга в течение 1 часа, удалите нить, закройте надрез, а затем оставить 1 см нейлоновой нити, выступающую которые могут быть сняты, чтобы позволить реперфузии.
- Администрирование подкожной (SC) инъекции обезболивающего средства (бупренорфин (0,05 мг / кг, подкожно)), в животных для анальгезии два раза в день в течение 3-х дней.
9. Оценка Neural повреждения
- Evalхать неврологические и моторные функции, соответственно, неврологического балла тяжести (mNSS) 20 и испытания наклонной плоскости 21.
Примечание: mNSS представляет собой совокупность двигателя (состояние мышц, неправильное движение), сенсорных (зрительных, тактильных и проприоцептивной) и рефлекторных тестов. Дайте одно очко за невыполнение задания. Оценить неврологическое функции по шкале 0-18 (нормальный балл = 0; максимальное количество баллов = 18 дефицит). - Оценка всех крыс с точки зрения поведенческой производительности за день до и ежедневно в течение промежутка времени 7 дней после операции.
- Измерьте заднюю конечность силы сцепления крысы с помощью наклонной плоскости.
- Поместите крыс на наклонную альпинистской аппарата на ежедневной основе, и акклиматизации крыс к устройству и условиям тестирования, за 1 неделю до тестирования.
- Поместите каждую крысу на аппарат и поощрять крыса, чтобы подняться на платформу, пока в верхней части аппарата в течение периода акклиматизации.
- Поместите крысу вв верхней части аппарата с головкой вниз во время тестирования. Убедитесь в том, что ось тела обследуемого пребывания крыс вдоль до 20 х 20 см 2 резиновой ребристой поверхностью на на наклонной плоскости , начиная под углом 25 °.
- Увеличение угла динамически используя шариковый винт, соединенный с шаговым двигателем, чтобы определить максимальный угол, при котором животное может удерживать до плоскости. Увеличение угла наклона наклонной плоскости постепенно, пока мышь не удалось удержать на наклонной плоскости, а затем обнаружить сползания событие. Базовая степень наклонной плоскости составляет 25 ° в начале.
- Попросите двух наблюдателей (не подозревая о том, что лечение крыс было дано), чтобы самостоятельно изучить и забивать все поведенческие тесты, то есть среднее значение из левой и правой боковых максимальных углов.
- Жертвоприношения у всех животных на 7-й день после МСАО. Заливать сердца животных при глубокой анестезии (фенобарбиталом натрия 100 мг / кг, внутрибрюшинно) с физиологическим раствором 22 22 ткани.
- Погрузите свежие срезы головного мозга в 2, 3, 5-трифенилтетразолинхлорида хлорид (ТТС) при 37 ° С в течение 30 мин, а затем перенести ломтики до 5% раствором формальдегида для фи xation при температуре 4 ° С в течение 24 ч. Поместите окрашенные срезы мозга на держателе плексигласа.
- Фотографирование ТТС-окрашивали срезы с калиброванной шкалой с использованием ПЗС-камеры, связанный с персональным компьютером, загруженного с программным обеспечением для обработки изображений. Используйте полуавтоматическую систему анализа изображений , а также для оценки инфарктом площадь (мм 2) от каждого TTC-окрашенного среза мозга 23.
- Рассчитать общий объем инфаркта для каждого среза путем суммирования инфарктом площадей всех срезах мозга. Отметьте неокрашенными область (ишемический мозг) отдельно на каждой стороне ломтики толщиной 2 мм, а затем рассчитать объем инфаркта и среднее значение.
- рассчиты ваютсяпоздно скорректированный объем инфаркта (CIV), как
CIV = {ЛТ (RT- RI)}
d (3)
ПРИМЕЧАНИЕ: Где LT и RT обозначены области левого и правого полушарий в мм 2, соответственно, RI является инфаркту площадь в мм 2, и d = 2 мм толщина среза.
d (3) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Этот раздел посвящен сравнения, сделанные через 1 неделю после операции, на объем инфаркта партитур mNSS, результаты испытаний наклонной плоскости и мозга между пятью группами. Рисунок 4A и 4B представлены средние оценки mNSS и среднее значение результатов наклонной плоскости испытаний, соответственно. Группа PRW выступает как лучший с точки зрения улучшения mNSS. Существенные различия между PRW и MRW и между беговой дорожке и PRW ясно свидетельствуют о том, что PRW защищает от инсульта более эффективно, чем другие системы мобильности животных в настоящее время. Наклонная плоскость испытания проводят при значительно более крутых углов наклона во всех группах упражнений, чем в контрольной группе в течение промежутка времени семь дней после операции, ясно демонстрируя преимущества физических упражнений как средство снижения тяжести последствий инсульта. В частности, угол наклона в группе PRW была продемонстрирована как металвредителей среди всех групп упражнений, и даже сопоставима с таковой в группе мнимого, показывая более высокий уровень восстановления, чем беговая дорожка и MRW. Кроме того, на рисунке 4C показывает , что после извлечения срезы головного мозга следующие 7 дней оценки повреждения нервной, группа PRW не только демонстрировали значительно меньший объем инфаркта , чем в контрольной группе , но также показали наименьший объем инфаркта среди всех групп упражнений. Он, следовательно, ясно показали, что крысы, обученные с помощью PRW пострадали значительно меньше количества повреждений мозга инфаркта, чем те, с использованием коммерчески доступных систем обучения, проверки превосходство PRW в отношении подготовки мозга снижения ущерба.
В данном исследовании представлен научный подход для количественной оценки эффективного осуществления деятельности в процессе обучения мозга снижения повреждения. В течение 3-х недель тренировок, есть 98% эффективное осуществление мера в PRW, в то время как только 68% в MRW (Таблица 1). Это существенное различие в эффективной скорости упражнений показывает, что превосходство механизма тренировочного PRW. Неэффективное осуществление мера, определяется как 1 - эффективная мера упражнений и коррелируют с mNSS оценка (фиг.4А), дает 88% корреляцию со счетом mNSS (таблица 1). Кроме того, существует 85% корреляции между эффективной мерой физической нагрузки и угла наклонной плоскости (таблица 1), а также 92% корреляции между неэффективной мерой физической нагрузки и объема инфаркта (таблица 1) а. В частности, эффективное осуществление мера достигает 98% коррелирует с крайне малого объема с инфарктом в случае PRW. Значительная корреляция поэтому продемонстрирована между неэффективного упражнений и степень неврологического повреждения.
/54354/54354fig1.jpg "/>
Рисунок 1: Система PRW (A) Дизайн рисунок PRW.. Ходовое колесо 55 см в диаметре и 15 см в ширину. На нижней половине ходовое колесо, отверстие было просверлено каждые 45 ° для инфракрасных датчиков партии. (B) Фактическая картина PRW. Слой с высоким коэффициентом трения резиновой дорожки расположена на внутренней стороне акрилового колеса. Отверстие четверть окружности на одной стороне ходовое колесо действует как вход и выход, а для обученных животных. Железный стержень с подшипниками соединяет ходовое колесо к треугольным колонн, поддерживающих ходовое колесо. Двигатель устанавливается на внешней стороне беговой дорожки и колеса соединяется с беговой колею на 10 см центральной оси смонтированной резиновым диском. Микроконтроллер работает двигатель, и, таким образом, дает команду ходовое колесо. Пару полукруглых, прозрачные акриловые листы прикреплены к треугольному colu МНБ и четыре пары инфракрасных датчиков встроены в акриловых листов. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Развертывание инфракрасных датчиков (А) В соответствии с размером PRW и длины тела крысы, пару инфракрасных датчиков были размещены через каждые 45 ° между 0 ° и 135 ° (производя в общей сложности 8 датчиков). , При температуре от 0 ° до 135 °, крысы демонстрировали состояние нормальной работы, и, следовательно, эта область была определена как эффективная площадь упражнений. (В) В случае МРО, пара инфракрасных датчиков были развернуты через каждые 70 ° от 0 ° до 140 °.получить = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рис . 3: Построение адаптивной модели ускорения-тренинг для плавной скорости вверх упражнений пунктирные линии представляют вручную заданные кривые ускорения для подготовки семи крыс на 3 -й день, и можно охарактеризовать как экспоненциальную функцию. Нелинейная аппроксимация кривой затем выполняется соответствующим образом. Кривая с кругами представляет собой начальную адаптивную кривую ускорения для Недели 1, неделя 1 кривая для краткости. Кривая для Недели 2 и 3 представляет собой скорректированный вариант кривой Неделя 1 с конечной скоростью до 30 м / мин (C плавника = 30). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рис . 4: Сравнение по неврологической оценке ущерба между группами за время пролета через 7 дней после операции ( в каждой группе с 9 крыс) (А) Средние показатели mNSS (среднее ± SD). Там существует значительное различие среди всех упражнений и контрольных групп, доказательства того, что сокращение преимущества физических упражнений повреждения головного мозга. Группа PRW обеспечивает самый низкий балл среди групп упражнений, демонстрируя превосходную нейропротекторное механизм для других систем обучения. (B) Средние углы испытания задних ног (среднее ± стандартное отклонение). Намного более крутой угол демонстрируется в PRW, чем в контрольной группе, и демонстрируется, как самый крутой среди всех групп упражнений. Кроме того, было небольшое различие между PRW и мнимых групп, индикацинг задних ног захват, который регенерируется Prw крыс на более высокий уровень. (C) Сравнение по объему инфаркта (среднее ± SD). PRW приобретает гораздо меньший объем , чем в контрольной группе, и занимает самый низкий показатель среди всех групп упражнений, проверка видную эффект PRW на снижение повреждения мозга. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| группа | Эффективная мера упражнений% (EEE) | mNSS | Наклонный угол плоскости | объем Инфаркт |
| 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> |
| контроль | 0 | 100 | 0 | 100 |
| Коэффициент корреляции (R 2) с EEE | -0,88 | 0,85 | -0,92 |
Таблица 1: Сравнение по корреляции между эффективной активности к физической нагрузке и неврологическим расстройствам сравнение Эффективное осуществление деятельности среди PRW, MRW и контрольных групп.. Группы Prw и MRW дают 98% и 68% средний показатель в эффективное упражнение, соответственно, после 3-х недельного обучения, а это означает, что PRW обеспечивает большее количество эффективного обучения. Там существует целый 0,88 корреляция между mNSS и неэффективной мерой упражнений, 0,85 корреляции между эффективной мерой физической нагрузки и угла наклона плоскости, и 0,92 корреляции между неэффективной мерой физической нагрузки и объема инфаркта, уважениераторов. В частности, эффективная ставка упражнений до 98% коррелирует с чрезвычайно малым объемом инфаркта в PSW. Данные mNSS, угол наклона плоскости, а объемы инфаркта нормализуются.
| функция | PRW (это исследование) | MRW | бегущая дорожка |
| тренировочное упражнение | Принудительный (в боковом направлении моторизованные) | Принудительный (централизованно моторизованные) | Принудительный (поражение электрическим током) |
| Количество одновременно учебных животных | Один | Один | Множество |
| структура Взлетно-посадочная полоса | Текстурированная резиновая лента | брусья | резиновый ремень |
| Обучаемая интенсивность | Низкий, средний, высокий | Низкий, средний | Низкий, средний, высокий |
| Адаптивная ускорениеобучение | да | Нет | Нет |
| Запуск детектирования положения | да | Нет | Нет |
| обучение торможением | да | Нет | Нет |
| Эффективная оценка упражнения | да | Нет | Нет |
Таблица 2:. Сравнение между системами подвижности животного PRW могут быть использованы на любом уровне интенсивности тренировок. Сочетание настроенную колесо с адаптивной кривой подготовки, PRW служит превосходной альтернативой аналогам. Кроме того, инфракрасная технология определения положения используется для количественного определения эффективной тренировки активности для снижения повреждения головного мозга.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот протокол описывает высокоэффективную систему ходовое колесо для уменьшения тяжести последствий инсульта у животных. В качестве крысиного дружественный испытательный стенд, эта платформа разработана, а таким образом, что стабильная скорость движения может поддерживаться крыс на протяжении всего процесса работы при помощи заранее определенной адаптивной кривой ускорения. В типичных системах обучения, заданные скорости обучения и продолжительность устанавливаются вручную. После того, как упражнение начинается, заданной скорости достигается очень скоро. В связи с этим, весьма вероятно, что крысы не могут достичь более высоких скоростей, что делает их падать и падать, и влияя на стабильность своих опытов соответственно. Критические шаги, 1.1, 4.1 и 4.2, которые являются ключевыми особенностями в PRW в отличие от MRW. Интеграция между просторной беговой дорожки, как было описано в шаге. 1.1 и адаптивная конструкция ускорения-модель обучения, упомянутые в пункте. 4.1 и 4.2, представлен как улучшенный вариантТипичная MRW. Такие ключевые особенности приводят к снижению объема инфаркта, чем MRW. Общий дизайн представленной системы выполнен в виде крысы дружественный для тестового стенда сокращения неэффективного осуществления. Более конкретно, 4 пары инфракрасных датчиков развернуты для определения положения в реальном времени крысы, обеспечивая меру для количественной оценки эффективной тренировки активности, определенных на этапе. 6.6, для сравнения по корреляции с баллами mNSS, угол наклона плоскости и объема мозга инфаркта. Эта мера может быть использована для количественного определения любого типа нейрофизиологических экспериментов, нереализованные еще в обычных учебных платформ. Тем не менее, весьма вероятно, что эффективное осуществление не может быть обнаружена за небольшую крысу из-за разреженного распределения ИК-датчиков. Кроме того, главный недостаток по отношению к беговой дорожке является то, что только одна крыса может обучаться одновременно на этой платформе. Поиск и устранение неисправностей система состоит из двух частей. Одним из них является точной настройки датчика для приема и передачи сигналовиз-за высокой направленности ИК, в то время как другая является ходовое колесо вращается со скоростью заданных оборотов в минуту (RPM). Пары источник ИК / детектор должны быть выровнены, пока сильный сигнал не может быть получен с помощью детектора. Что касается ходовое колесо, диаметр резиновый диск 10 см изношена постепенно при вращении колеса в течение длительного периода времени. Поэтому весной необходимо быть ослаблены как способ компенсировать недостаточную фрикционного диска резиновый для нормального вращения колеса. В таблице 2 приведено сравнение по форсированному систем подвижности животных , используемых в экспериментах по снижению повреждения головного мозга.
Тесты дают значительно лучшие результаты, с точки зрения оценки mNSS, угла наклона и объем инфаркта в группе PRW, чем в контрольной группе (р <0,05). Группа PRW была утверждена в качестве единицы, предоставляющей наибольшее количество эффективной подготовки упражнений среди всех групп упражнений. В этом исследовании, когда обучение с использованием традиционных MRW, крысы аре часто встречаются держаться на прутья взлетно - посадочной полосы и отказываются работать на скорости за 20 м / мин, соглашение с частью предшествующей работы 9. В качестве способа повышения производительности обучения крыс, металлический ВПП преобразован в высокой плотности резины беговой дорожки в этой работе. В беговой дорожке, психологический стресс неизбежно накладывается на электрошоковые управляемых крысах, нерешенной проблемой в дисциплине физиологии в прошлом. Следовательно, должен быть найден способ, чтобы уменьшить частоту сушильная и ослабить психологический стресс, наложенный на крыс во время тренировки. Таким образом, результаты испытаний могут быть истолкованы более точно, как убедительным способом, чтобы продемонстрировать упражнение пользу уменьшения повреждения мозга. Это основная мотивация этой работы.
Эта работа успешно обеспечивает количественную меру эффективной физической активности коррелирует с объемом инфаркта, самым прямым доказательством повреждения инсульта. Таким образом, эффективное осуществлениев других видах испытаний на животных на основе могут быть квалифицированы соответственно. Как представлено в 6 - 8, как интенсивность упражнений и продолжительность указанных пользователем в нейрофизиологических экспериментах, но не принимая во внимание эффективное количество учений. Эффективная деятельность упражнений проверяется как ключевой фактор к инсульту нейропротекции, с помощью этой системы мобильности крысы дружественный и инновационный животных.
Считается, что эта платформа может быть применена к переменной скорости обучения и связанных с ними проблем в будущем. Как было отмечено в 24, 25, переменная скорость обучения рассматривается в качестве более эффективного обучения в дисциплине физиологии упражнений. С помощью инфракрасной техники детектирования положения в качестве основы, переменная скорость обучения может быть точно проведено на спортсменов для глубокого исследования в нейрофизиологических механизм защиты.
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).
