Summary
Denne undersøgelse præsenterer en innovativ løbehjul-baserede dyr mobilitet system til at kvantificere en effektiv udøvelse aktivitet i rotter. En rotte-venlig testbænk er bygget ved hjælp af en foruddefineret adaptiv accelerationskurve, og en høj korrelation mellem den faktiske udøvelse sats og infarkt volumen antyder protokollens potentiale for forebyggelse slagtilfælde eksperimenter.
Abstract
Denne undersøgelse viser et dyr mobilitet, som er udstyret med en positionering løbehjul (PRW), som en måde at kvantificere virkningen af en øvelse aktivitet for at reducere sværhedsgraden af virkningerne af slagtilfælde hos rotter. Dette system giver en mere effektiv dyr træning end kommercielt tilgængelige systemer såsom løbebånd og motoriserede løbende hjul (MRWs). I modsætning til en MRW der kun kan opnå hastigheder under 20 m / min, rotter tilladelse til at køre på et stabilt hastighed på 30 m / min på en mere rummelige og high-density gummi løbebane understøttet af en 15 cm bred akryl hjul med en diameter på 55 cm i dette arbejde. Hjælp af en foruddefineret adaptiv accelerationskurve, systemet ikke kun reducerer operatørfejl men også tog rotterne til at køre vedvarende indtil en bestemt intensitet nås. Som en måde at evaluere udøvelsen effektivitet, er tidstro positionen af en rotte detekteres af fire par infrarøde sensorer indsat på løbehjul. Når enadaptive accelerationskurve initieres ved hjælp af en microcontroller, de data, der opnås ved de infrarøde sensorer automatisk registreres og analyseres i en computer. Til sammenligning er 3 uger træning udført på rotter ved hjælp af et løbebånd, en MRW og en PRW. Efter kirurgisk induktion mellem-cerebral arterieokklusion (MCAo), blev modificeret neurologiske hårdhed regnskabs (mNSS) og et skråt plan test udført for at vurdere de neurologiske skader til rotterne. PRW er eksperimentelt valideret som den mest effektive blandt sådanne dyr mobilitetssystemer. Endvidere en øvelse effektivitet foranstaltning, baseret på rotte position analyse viste, at der er en høj negativ korrelation mellem den faktiske udøvelse og infarktvolumen, og kan anvendes til at kvantificere en rotte træning i enhver form for hjerne eksperimenter reduktion skader.
Introduction
Eksisterer Strokes kontinuerligt som en økonomisk byrde til lande globalt, efterlader utallige patienter fysisk og psykisk handicappede 1, 2. Der er klinisk tyder på, at regelmæssig motion kan forbedre nerve regenerering og styrke neurale forbindelser 3, 4, og det er også vist, at motion kan mindske risikoen for at lide iskæmisk slagtilfælde 5. Med enten et løbebånd eller en kørende hjul som en øvelse uddannelsessystem, gnavere, såsom rotter, tjener som en proxy for mennesker for at teste effektiviteten af øvelser i langt de fleste af de kliniske forsøg 6 - 8. Et uddannelsessystem, der normalt involverer uddannelse en rotte i en vis periode, hvorunder en rotte kører med en bestemt hastighed. Derfor er træningsintensiteten generelt beregnes efter øvelsen hastighed og varighed 6 - 8. Den samme fremgangsmåde anvendes påestimere mængden af motion er nødvendig for neurofysiologisk beskyttelse. Imidlertid er de eksperimentelle øvelser til tider vist sig at være ineffektive, såsom når en rotte snubler, falder, eller griber skinnerne, når de ikke er i stand til at hamle op med den løbehjul hastighed 9-11. Det er overflødigt at sige, hændelser af ineffektiv øvelse reducere øvelsen fordel. Selv om der ikke er nogen alment accepteret tilgang i øjeblikket at kvantificere de effektive øvelser til at reducere hjerneskader, niveauet af effektive øvelser står stadig som en objektiv vurdering til kliniske forskere til at illustrere fordelene ved motion i disciplinen neurofysiologi.
Der findes en række begrænsninger på kommercielt tilgængelige mobilitetssystemer dyr, der anvendes i dagens hjerneskade reduktion eksperimenter 12. I et løbebånd tilfælde rotterne tvunget til at løbe ved hjælp af elektriske stød, inducere enorme psykologiskestress på dyrene og derved interferens i det endelige neurofysiologiske testresultater 8, 13, 14. Bende hjul kan kategoriseres i to typer, nemlig frivillige og tvungne. Frivillige kører hjul tillader rotter at køre naturligt, at skabe overdreven variabilitet på grund af forskellene i rotternes fysiske træk og evner 15, mens motoriserede løbehjul (MRWs) ansætte en motor til at dreje hjulet, tvinger rotter til at køre. Trods også er en form for tvungen uddannelse, MRWs pålægger mindre psykisk stress på rotter end løbebånd 13, 16, 17. Imidlertid har forsøg med MRWs rapporterede, at rotter tider afbryde øvelsen ved at tage fat skinnerne på hjulet spor og nægter at køre med hastigheder på over 20 m / min 9. Disse eksempler viser, at dyr mobilitetssystemer øjeblikket er til rådighed har en iboende ulempe, at hæmmer effektiv motion. Tilobjektive uddannelse rotte formål er at udvikle en meget effektiv træning system, men med lav interferens derfor ses som et presserende problem for neurofysiologiske motion eksperimenter.
Denne undersøgelse præsenterer en meget effektiv løbehjul for eksperimenter på at reducere sværhedsgraden af virkningerne af slaget 11. Ud over et reduceret antal interferens faktorer under en træning proces, opdager dette system kørende positionen af en rotte ved hjælp infrarøde sensorer indlejret i hjulet, hvorved der opnås en mere pålideligt skøn over effektiv udøvelse aktivitet. Den psykologiske stress pålagt af traditionelle løbebånd og de hyppige motion afbrydelser i MRWs både forvrænge objektivitet af de resulterende motion skøn. En positionering løbehjul (PRW) system, der præsenteres i denne undersøgelse er udviklet i et forsøg på at minimere uønsket interferens samtidig give en pålidelig træning model til kvantificering effektiv exercise.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Etik Statement: De eksperimentelle procedurer blev godkendt af dyreetik udvalg Southern Taiwan University of Science and Technology Laboratory Animal Center, National Science Rådet, Kina (Tainan, Taiwan).
1. Konstruere Running Wheel Struktur
BEMÆRK: Alle akryl bør være gennemsigtig. Vask afmonterede hjul med vand, derefter bruge alkohol til at tørre gummi spor og acrylplader efter hver brug.
- Opnå en akryl løbehjul til at være 55 cm i diameter og 15 cm i bredden.
BEMÆRK: Dette hjul er større end en traditionel løbehjul (diameter = 35 cm; width = 12 cm) (F igur 1A). - Ved hjælp af en fræser, skæres en kvart cirkel åbning i den ene side af løbehjulet til at fungere som en indgang og en udgang samt for rotter (figur 1B). Læg et lag af høj friktion gummi spor på indersiden af acrylic hjul (figur 1B).
- Placer en jernstang med lejer til at forbinde kørende hjul (figur 1B). Placer to akryl trekantede søjler på hver side af løbehjulet til at fungere som støtterammen (figur 1B).
- Vedhæft en 1 mm tyk halvrunde, gennemsigtige akryl plader til de eksterne sider af de to trekantede søjler med skruer. Brug dette ark til at implementere de infrarøde sensorer. Sikre, at acrylplader er ca 3 cm fra hver side af løbehjulet.
2. Implementering af infrarøde sensorer og definere en effektiv udøvelse Area
BEMÆRK: Tag højde for kørende hjulstørrelse og rotte længde i design af et infrarødt system. En rotte kun udløser en enkelt sensor på et tidspunkt. I dette forsøg rotter er mellem 20 og 23 cm lang.
- Bore et hul i acrylplader hver 45 ° (bue interval = 21 cm), med afstandenmellem to huller er stort set svarer til længden af en test rotte. Gøre hullerne samme størrelse som de infrarøde sensorer (figur 2A).
BEMÆRK: For de traditionelle MRWs, bore et hul hver 70 ° (bue interval = 21 cm, figur 2B). - Under en PRW eksperiment, vedligeholde rotterne med en konstant tilstand af løber mellem 0 ° til 135 °.
BEMÆRK: Således definere dette område som en effektiv udøvelse området, mens betragtning alle de andre sektioner, som de ineffektive øvelsesområder. For traditionelle MRWs, definere en effektiv udøvelse område som delen mellem 0 ° til 140 ° (figur 2B).
3. Kørsel med Running Wheel
- Brug en børsteløs jævnstrømsmotor og en motor driver til at drive løbehjulet.
- Montere en 10 cm gummi diameter disk på motorens centrale akse (figur 1B).
- Brug af jernramme og fjedre til at støtte motoren, tilslutte gummi disk framotorens centrale akse til den ydre side af løbehjul.
BEMÆRK: Fjedrene skal samarbejde med skruerne for at tillade dynamisk motor højdejusteringer og for at forhindre gummi disk bliver afbrudt til løbehjul styr på grund af løse fjedre. - Drive motor til at drive 10 cm gummi diameter disk med en microcontroller, og observere hjulet roterer på grund af friktionen mellem gummiskiven og landingsbanen af hjulet, hvilket skaber en motoriseret løbehjul platform.
- Mount fire infrarøde sensorer sekventielt mellem 0 ° til 135 ° (figur 2A).
BEMÆRK: For de traditionelle MRWs, montere sensorer mellem 0 ° til 140 ° (figur 2B). - Tilslut fire par infrarøde sensorer monteret i begge acrylplader til microcontroller generelle stifter bruger enkelte leder kabler, hvorved der dannes en positionering løbehjul system.
4. Konstruktion af en Adaptive Acceleratipå Curve
- Tre dage før påbegyndelsen af officielle tre uger træning, træne rotter ved manuelt at betjene kørende hjul.
BEMÆRK: Målet er at give rotterne at blive fortrolig med den kørende miljø, og er at teste, om hver rotte kan tåle at køre på 20 m / min.- Under den manuelt betjente træning, gradvist accelerere hastigheden, indtil en rotte kan ikke holde trit. Når dette sker, sænke hastigheden, indtil rotten ny har nået en stabil løbehastighed, og derefter gradvist øge hastigheden igen indtil rotten når 20 m / min (stiplede linier i figur 3). Den manuelle uddannelse indebærer syv rotter til at konstruere uddannelsen kurver.
- Ved hjælp af en numerisk ligning til at passe de målte data på Dag 3 i den manuelle test, beregne acceleration kurver nærmest manuel uddannelse (kurven med cirkler, figur 3). Fit ligning 1 til rådata, hvor C ini = 8, C fin BEMÆRK: Denne ligning tilpasser sig en rotte krop tilstand. Derfor henvises til den beregnede kurve som en adaptiv acceleration-uddannelse model.
(1) - Brug ligning 1 til uge 1 af den formelle uddannelse.
- For uge 2 og 3 i uddannelse, justere parametrene for ligning 1, dvs., ændre A fra 12 til 22, for at tillade hastigheden for at nå 30 m / min.
(1) 5. Styring af Softwaren
BEMÆRK: Udelukkende udvikle en kode til microcontroller-baserede motordrift og til signaltransmission fra de infrarøde sensorer til en computer til efterfølgende analyse af data.
- Brug C programmeringssprog til at skrive en software styreprogram, der indeholder et hovedprogram og to interrupt service rutiner for timeren imikrocontrolleren 18.
- Sørg for, at de vigtigste program initialiserer microcontroller register og konstruerer en adaptiv accelerationskurve model i microcontroller hukommelse.
- Brug interrupt service rutine Timer 0 for at aktivere den adaptive accelerationskurven og beregne hele uddannelsen varighed.
- Brug interrupt service rutine med Timer 1 at udtrække signalet data fra de infrarøde sensorer og overføre dataene til computeren.
- Brug hovedprogrammet for at registrere positionen af 0 o for at justere hastigheden på løbehjul.
- Når den modtagende IR-sensor ved 0 ° udløses, fortolke det som et fald incidens, der akkumuleres af hovedprogrammet. I det øjeblik Forekomsten tider af efteråret forekomster hits tærsklen på 10% af antallet af rotte position detektioner de, deaccelerate driften hjulet automatisk som en sikkerhedsforanstaltning for uddannede rotter. BEMÆRK: Hastigheden of kører hjul reduceres indtil rotten kan vende tilbage til en sikker zone (0 o til 135 o) og opretholde en stabil kører tilstand for sikkerhedsforanstaltning.
6. Betjening af Positioning Running Wheel System
- Tænd for microcontroller og vente på en operatør til at trykke på knappen for at starte hver uges træning model.
- Tryk på knappen "Start" for at starte uddannelse model for uge 1.
BEMÆRK: Motoren accelererer automatisk baseret på den adaptive accelerationskurven indtil den når 20 m / min, og automatisk stopper efter 30 min. - Tryk på knappen "Start" for at starte uddannelse model for Uge 2.
BEMÆRK: Motoren accelererer automatisk baseret på den adaptive accelerationskurven indtil den når 30 m / min, og automatisk stopper efter 30 min. - Tryk på knappen "Start" for at starte uddannelse model for Uge 3.
BEMÆRK: Motoren automatisk god accelerationtes på grundlag af den adaptive accelerationskurven indtil den når 30 m / min, og automatisk stopper efter 60 min.
BEMÆRK: Gennem hele uddannelsesforløbet, overføre signalet, der modtages fra de infrarøde sensorer til en computer trådløst.
- Tryk på knappen "Start" for at starte uddannelse model for uge 1.
- Ved hjælp af en computer, analysere lokaliseringsdata for at opnå en effektiv udøvelse foranstaltning for hele øvelsen processen (
). Se ligning 2. 
(2)
BEMÆRK: EEE, europæiske demokratifond og IED repræsenterer en effektiv udøvelse foranstaltning, de effektive og ineffektive motion varigheder hhv.
). Se ligning 2. 
(2) 7. Uddannelse af rotter
- Tilfældigt opdele voksne Sprague-Dawley rotter i fem grupper (n = 9 for hver gruppe): de falske, kontrol, løbebånd, MRW og PRW grupper.
- Gennemføre en 3 ugers træning for de tre motion grupper, dvs. steadmill, MRW og PRW grupper mens ikke for humbug og kontrolgrupperne.
BEMÆRK: 3 ugers træningsperiode for hver øvelse gruppe er 20 m / min i 30 min i uge 1, 30 m / min i 30 min i uge 2 og 30 m / min i 60 min i uge 3.
8. Animal og Stroke Model
- Som anført i Sec. 7.1, opdele tilfældigt alle involverede voksne Sprague-Dawley-hanrotter, der vejer mellem 250-280 g, i 5 grupper.
- Afvej alle dyrene for at sikre nøjagtige dosering narkotika beregninger. Bedøver rotterne med natriumpentobarbital (25 mg / kg, intraperitonealt [ip]) og en blanding indeholdende ketamin (4,4 mg / kg, intramuskulært [im]), atropin (0,02633 mg / kg, [im]) og xylazin (6,77 mg / kg, [im]).
- Vurdere bedøvelse dybde ved at overvåge vejrtrækning (normale 70-115 vejrtrækninger / min), rytme, dybde respiration, slimhinder farve og regelmæssig afprøvning af reflekser, f.eks tå knivspids, hale knivspids, øjenlåg / øjenvipperog palpebral.
- Indsæt temperatursonder i rektum, og opretholde de rektale temperaturer mellem 37 til 37,5 ° C ved anvendelse af separate varmelamper.
- Inducere fokal iskæmi, forbigående mellem-cerebral arterieokklusion (MCAo) ved at indsætte et filament ind i den indre carotidarterie for at okkludere åbningen af den midterste cerebrale arterie via ydre carotidarterie tilgang 19.
- Udfør samme operationelle procedurer på skinopererede dyr, mens ikke indsætte en glødetråd i det indre halspulsåre. Oprethold fokal cerebral iskæmi i 1 time, fjerne glødetråden, lukke snittet, og derefter forlade 1 cm af nylon sutur udstående, der kunne trækkes tilbage for at tillade reperfusion.
- Administrere subkutan (sc) injektioner af et analgetikum (buprenorphin (0,05 mg / kg, sc)), i dyrene for analgesi to gange om dagen i 3 dage.
9. Vurdering Neural Skader
- evalUate neurologiske og motoriske funktioner henholdsvis ved neurologisk sværhedsgrad score (mNSS) 20 og et skråt plan test 21.
BEMÆRK: mNSS er sammensat af motoren (muskel status, unormal bevægelse), sensorisk (visuel, taktile og proprioceptive) og refleks test. Giv et point for manglende udføre en opgave. Bedøm neurologiske funktion på en skala fra 0-18 (normal score = 0; maksimal score underskud = 18). - Vurdere alle rotterne i form af adfærdsmæssige ydeevne dagen før og dagligt over et tidsrum på 7 dage efter operationen.
- Mål bagbenet gribestyrke af rotte under anvendelse af et skråt plan.
- Placer rotter på den skrå klatring apparater på daglig basis, og akklimatisere rotterne til apparater samt testforhold 1 uge før test.
- Placer hver rotte på apparatet og tilskynde rotten til at forcere platformen, indtil toppen af apparatet under akklimatiseringsperioden.
- Placer rotte påtoppen af apparatet med hovedet nedad under testen. Sørg for, at kroppens akse af rotte ophold langs til en 20 x 20 cm 2 gummi ribbede overflade på den skrå plan starter ved en vinkel på 25 °.
- Øge vinklen dynamisk med en kugleskrue forbundet med en stepmotor til at bestemme den maksimale vinkel, hvor et dyr kunne holde til planet. Øge vinklen på skrå plan gradvist, indtil musen undladt at holde på det skrå plan, og derefter detektere en glidende ned-begivenhed. Den baseline grad af skråplan er 25 ° i starten.
- Spørg to observatører (uvidende om, hvad behandlingen rotterne havde fået), til selvstændigt at undersøge og score alle de adfærdsmæssige tests, dvs. gennemsnittet af de venstre og højre side maksimale vinkler.
- Sacri fi ce alle dyrene på dag 7 efter MCAo. Perfundere hjerter dyr under dyb anæstesi (natrium pentobarbital 100 mg / kg, ip) med saltvand 22 22.
- Nedsænkes de friske hjernesektioner i 2, 3, 5-triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) ved 37 ° C i 30 minutter, derefter overføre skiverne til 5% formaldehydopløsning til fi xation ved 4 ° C i 24 timer. Placer de farvede hjernen skiver på en plexiglas holder.
- Fotografere TTC-farvede skiver med en kalibreret skala under anvendelse af et CCD-kamera koblet til en personlig computer fyldt med billedbehandlings-software. Brug en halvautomatiseret billedanalysesystem samt at estimere infarktområdet (mm2) fra hver TTC-farvede hjerne skive 23.
- Beregn den totale infarktvolumen for hver skive ved summation af infarkt områder af alle hjerneskiver. Markér ufarvede område (iskæmisk hjernen) separat på hver side af 2 mm tykke skiver, derefter beregne infarkt volumen og middelværdien.
- beregsent den korrigerede infarkt volumen (CIV) som
CIV = {LT (RT- RI)}
d (3)
BEMÆRK: Hvor LT og RT betegner områder af venstre og højre hjernehalvdel i mm 2, henholdsvis RI er infarktområdet i mm 2, og d = 2 mm er skive tykkelse.
d (3) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dette afsnit er helliget sammenligninger, foretaget 1 uge efter operationen, på mNSS scores, hældning plane testresultater og hjerne infarktvolumener blandt fem grupper. 4A og 4B præsentere de gennemsnitlige mNSS scoringer og gennemsnittet af hældning fly testresultater, hhv. Den PRW-gruppen vises som den bedste i form af mNSS forbedring. De væsentlige forskelle mellem PRW og MRW og mellem løbebånd og PRW klart tyder på, at PRW beskytter mod slagtilfælde mere effektivt end andre dyr mobilitetssystemer øjeblikket er til rådighed. Skråplan tests udføres ved betydeligt stejlere hældning vinkler i alle de øvelse grupper end i kontrolgruppen i løbet af et tidsrum på syv dage efter operationen, klart viser fordelene ved motion som et middel til at reducere sværhedsgraden af virkningerne af slagtilfælde. Især blev hældningsvinklen i PRW gruppen demonstreret som rinskadedyr blandt alle de motion grupper, og er endda sammenlignelig med i fingeret gruppen, der viser en højere grad af nyttiggørelse end løbebånd og MRW. Endvidere Figur 4C viser, at efter udvinding hjernen sektioner følgende 7 dage neural skadesvurdering, den PRW-gruppen ikke kun udstillet en betydeligt mindre infarkt volumen end kontrolgruppen, men også udstillet den mindste infarkt volumen blandt alle øvelse grupper. Den er derfor tydeligt, at rotterne trænet ved hjælp af en PRW lidt betydeligt mindre mængde af hjernens infarkt skader end dem, anvendelse af kommercielt tilgængelige uddannelsessystemer, kontrollere overlegenhed PRW for uddannelse reduktion hjerneskade.
Denne undersøgelse præsenteret en videnskabelig tilgang til kvantificering effektiv udøvelse aktivitet i uddannelse reduktion hjerneskade. I løbet af 3 ugers træning, er der en 98% effektiv udøvelse foranstaltning PRW, hvorimod kun 68% i MRW (tabel 1). Denne betydelige forskel i effektiv udøvelse sats viser, at overlegenhed PRW træning mekanisme. Den ineffektive motion foranstaltning, defineret som en - den faktiske udøvelse foranstaltning og korreleret med mNSS score (figur 4A), giver en 88% korrelation med mNSS score (tabel 1). Derudover findes der en 85% korrelation mellem den faktiske udøvelse foranstaltning og hældning plane vinkel (tabel 1), og en 92% korrelation mellem ineffektiv øvelse foranstaltning og infarkt volumen (Tabel 1). Især er en effektiv udøvelse foranstaltning så højt som 98% korreleret med en ekstrem infarkt volumen i PRW sagen lav. En signifikant korrelation dermed påvist mellem den ineffektive motion og omfanget af neurologiske skader.
/54354/54354fig1.jpg "/>
Figur 1: PRW-system (A) Design tegning af en PRW.. Løbehjulet er 55 cm i diameter og 15 cm i bredden. På den nederste halvdel af løbehjul, har et hul er boret hver 45 ° til infrarøde sensorer rate. (B) Faktisk billede af PRW. Et lag af høj friktion gummi spor er anbragt på indersiden af den acryliske hjulet. En fjerdedel-cirkel åbning på den ene side af løbehjulet fungerer som en indgang og en udgang samt for de trænede dyr. En jernstang med lejer forbinder løbehjul til de trekantede søjler, støtter løbehjul. En motor er indstillet på ydersiden af løbehjul sporet og er forbundet til løbehjul kurs med en 10 cm central-akse-monteret gummi disk. En mikrocontroller driver motoren og derved kommandoer løbehjulet. Et par halvcirkelformede, transparente acrylplader er fæstnet til den trekantede colu mns og fire par infrarøde sensorer er indlejret i acrylplader. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Implementering af infrarøde sensorer (A) i overensstemmelse med størrelsen af PRW og kropslængde på en rotte, blev et par af infrarøde sensorer indsat hver 45 ° mellem 0 ° og 135 ° (producerer i alt 8 sensorer). . Mellem 0 ° og 135 °, rotter udviste en tilstand af normal drift, og derfor dette område blev defineret som den faktiske udøvelse området. (B) I MRW tilfælde blev et par af infrarøde sensorer indsat hver 70 ° mellem 0 ° til 140 °.få = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3:. Konstruktion af en adaptiv acceleration-uddannelse model for jævn hastighed-up øvelse De stiplede linjer repræsenterer de manuelt angivne acceleration kurver til uddannelse af syv rotter på dag 3, og kan karakteriseres som en eksponentiel funktion. Nonlinear kurvetilpasning udføres derefter i overensstemmelse hermed. Kurven med cirkler repræsenterer den indledende adaptive acceleration kurven for uge 1, the Week 1 kurve for korte. Kurven for uger 2 og 3 er en justeret udgave af Uge 1 kurve med en endelig hastighed til 30 m / min (C fin = 30). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4:. Sammenligning af neurologiske skader vurdering blandt grupper over et tidsrum på 7 dage efter operationen (hver gruppe med 9 rotter) (A) Gennemsnitlige mNSS scoringer (middelværdi ± SD). Der eksisterer en betydelig variation blandt al motion og kontrolgrupperne, dokumentation for, at nedsættelsen af træningen hjerneskade. Den PRW-gruppen giver den laveste score blandt øvelse grupper, viser en overlegen nervebeskyttende mekanisme til de andre uddannelsessystemer. (B) De gennemsnitlige bagben test vinkler (gennemsnit ± SD). En meget stejlere vinkel demonstreres i PRW end i kontrolgruppen, og demonstreres som de stejleste blandt alle øvelse grupper. Derudover var der lille forskel mellem PRW og sham-grupper, indicating at PRW regenereret rotters bagben greb til et højere niveau. (C) Sammenligning på infarktvolumen (middelværdi ± SD). PRW erhverver meget mindre volumen end kontrolgruppen, og rangerer den laveste blandt alle øvelse grupper, validering af fremtrædende effekt af PRW på reduktion hjerneskade. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Gruppe | Effektiv træning foranstaltning% (EEE) | mNSS | Skrå plan vinkel | infarktvolumen |
| 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> |
| Kontrol | 0 | 100 | 0 | 100 |
| Korrelationskoefficient (R 2) med EEE | -0,88 | 0,85 | -0,92 |
Tabel 1: Sammenligning på sammenhængen mellem effektiv udøvelse aktivitet og neurologiske skader Effektiv øvelse aktivitet sammenligning blandt PRW, MRW og kontrolgrupperne.. De PRW og MRW grupper giver en 98% og en 68% gennemsnitlig effektiv udøvelse foranstaltning henholdsvis efter en 3 ugers træning, hvilket betyder, at PRW giver en større mængde effektiv træning. Der findes en 0,88 korrelation mellem mNSS og ineffektiv øvelse foranstaltning, en 0,85 korrelation mellem den faktiske udøvelse foranstaltning og den skråplan vinkel, og en 0,92 korrelation mellem ineffektiv øvelse foranstaltning og infarkt volumen, respektholdsvis. Især er en effektiv øvelse på op til 98% korreleret med en ekstremt lille infarkt volumen PSW. Dataene i mNSS, hælder plane vinkel, og infarktvolumener er normaliseret.
| Fungere | PRW (denne undersøgelse) | MRW | Løbebånd |
| træning | Tvungen (sideværts motoriseret) | Tvungen (Centralt motoriseret) | Tvungen (elektrisk stød) |
| Antal samtidigt uddannelse dyr | Enkelt | Enkelt | Pluralisme |
| Runway struktur | Textured gummi bælte | Bars | gummibånd |
| træne intensitet | Lav, mellemliggende, høj | Lav, mellemliggende | Lav, mellemliggende, høj |
| Adaptive accelerationuddannelse | Ja | Ingen | Ingen |
| Køreposition detektion | Ja | Ingen | Ingen |
| deceleration træning | Ja | Ingen | Ingen |
| Effektiv motion vurdering | Ja | Ingen | Ingen |
Tabel 2:. Sammenligning mellem dyr mobilitetssystemer PRW kan bruges på ethvert niveau af træningsintensitet. Ved at kombinere en skræddersyet hjul med en adaptiv træning kurve, PRW fungerer som en overlegen alternativ til modparter. Desuden er infrarød position afsløring teknik ansat til at kvantificere en effektiv udøvelse aktivitet for reduktion hjerneskade.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokol beskriver en meget effektiv løbehjul system til at reducere sværhedsgraden af virkningerne af slagtilfælde hos dyr. Som en rotte med børn testbed, er denne platform udformet såvel på en sådan måde, at en stabil hastighed kan opretholdes ved rotter gennem en kørende proces ved hjælp af en forudbestemt adaptive accelerationskurve. I typiske uddannelsessystemer, er forudindstillede uddannelse hastigheder og varigheder indstilles manuelt. Når en øvelse påbegyndes, er en forudindstillet hastighed nået meget kort tid. I denne sammenhæng er det meget sandsynligt, at rotter ikke kan nå højere hastigheder, hvilket gør dem tumle og falder og påvirker stabiliteten i deres kører i overensstemmelse hermed. De kritiske trin er, 1.1, 4.1 og 4.2, som er de vigtigste funktioner i PRW i modsætning til MRW. Integrationen mellem en rummelig løbebane, som beskrevet i trin. 1.1, og en adaptiv acceleration-uddannelse model byggeri, der er nævnt i trin. 4.1 og 4.2, præsenteres som en forbedret version af entypisk MRW. Sådanne centrale funktioner føre til en reduceret infarkt volumen end MRW. Den overordnede udformning af det præsenterede system er designet som en rotte med børn testbed for en reduktion i ineffektiv øvelse. Mere specifikt er 4 par infrarøde sensorer indsat for at detektere den tidstro position fra en rotte, der giver en foranstaltning til at kvantificere en effektiv udøvelse aktivitet, defineret i trin. 6.6, for sammenligninger på korrelation med mNSS scoringer, skrå plane vinkel og hjerne infarkt volumen. Denne foranstaltning kan anvendes til at kvantificere enhver form for neurofysiologiske eksperimenter, endnu urealiserede i konventionelle uddannelse platforme. Men det er meget sandsynligt, at der ikke kan påvises en effektiv øvelse for en lille rotte på grund af en sparsom fordeling af IR-sensorer. Desuden er en væsentlig ulempe i forhold til en trædemølle er, at kun en enkelt rotte kan trænes ad gangen på denne platform. Det fejlfinding system indebærer to dele. Den ene er en nøjagtig sensor justering for signal transmission og modtagelsegrund af den høje retningsvirkning IR, mens den anden er løbehjulet roterer ved bestemte omdrejninger per minut (rpm). En IR kilde / detektor parret skal tilpasses, indtil et stærkt signal kan modtages af detektoren. Med hensyn til løbehjul, er 10 cm gummi diameter disk slidt gradvist, når hjulet drejes i lang tid. Derfor, for at en fjeder behov løsnes som en måde at kompensere en utilstrækkelig gummi disk friktion for normal hjul rotation. Tabel 2 giver en sammenligning af de tvungne mobilitetssystemer dyr, der anvendes i hjernen eksperimenter reduktion skader.
Tests giver betydeligt bedre resultater i forhold til de mNSS scoringer, hældning vinkel og infarktvolumener i PRW-gruppen end i kontrolgruppen (p <0,05). Den PRW gruppen blev valideret som den, der giver de mest mængden af effektiv træning blandt alle øvelse grupper. I denne undersøgelse, når trænet ved hjælp af den traditionelle MRW, rotter are hyppigt at holde på søjler af landingsbanen og nægter at køre med en hastighed over 20 m / min, en aftale med et stykke forudgående arbejde 9. Som en måde at forbedre uddannelsen rotte ydeevne, er den metalliske landingsbanen redesignet som en high-density gummi løbebane i dette arbejde. I et løbebånd, er psykologisk stress uundgåeligt pålægges de elektriske stød-drevne rotter, et uløst problem i disciplinen fysiologi i fortiden. Derfor skal en måde der findes for at reducere tumble frekvens og at lette psykologisk stress pålagt rotter under træning. På denne måde kan testresultater tolkes mere nøjagtigt, som en overbevisende måde at demonstrere udøvelsen fordel for reduktion hjerneskade. Dette er en stor motivation bag dette arbejde.
Dette arbejde med succes giver et kvantitativt mål for en effektiv udøvelse aktivitet korreleret med infarkt volumen, den mest direkte bevis på skader slagtilfælde. Derfor effektiv udøvelsei andre typer af dyre-baserede test kan være kvalificeret i overensstemmelse hermed. Som fremlagt i 6 - 8, både motion intensitet og varighed er bruger-specificeret i neurofysiologiske forsøg, men ikke under hensyntagen til den effektive mængde af en øvelse træning. Effektiv træning aktivitet valideres som en nøglefaktor for slagtilfælde neurobeskyttelse, ved hjælp af denne rotte-venlige og innovativt dyr mobilitet system.
Det menes, at denne platform kan anvendes til variabel træning hastighed og spørgsmål i fremtiden. Som påpeget i 24, 25, er variabel hastighed uddannelse ses som en mere effektiv træning i disciplinen motion fysiologi. Brug infrarød position afsløring teknik som grundlag, kan variable hastighed træning præcist udført på atleter for en dyb undersøgelse af neurofysiologisk beskyttelsesmekanisme.
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).
