Summary
Denna studie presenterar en innovativ löphjul baserade djur rörlighet system för att kvantifiera en effektiv motionsaktivitet hos råttor. En råtta vänliga testbädd byggs med hjälp av en fördefinierad adaptiv accelerationskurva, och en hög korrelation mellan det faktiska utövandet hastigheten och infarktvolymen tyder protokollet potential för förebyggande av stroke experiment.
Abstract
Denna studie presenteras ett djurmobilitetssystem, utrustat med en positionerings löphjul (PRW), som ett sätt att kvantifiera effekten av en övning aktivitet för att reducera svårighetsgraden av effekterna av stroke hos råttor. Detta system ger effektivare djur träning än kommersiellt tillgängliga system såsom löpband och motoriserade löphjulen (MRWs). I motsats till en MRW som bara kan uppnå hastigheter under 20 m / min, är råttor tillåts köra på en stabil hastighet av 30 m / min på en rymligare och hög densitet gummi löparbana stöds av ett 15 cm brett akryl hjul med en diameter på 55 cm i detta arbete. Med hjälp av en fördefinierad adaptiv accelerationskurva, systemet inte bara minskar operatörsfel men också tåg råttorna springa ihärdigt tills en angiven ljusstyrkan uppnås. Som ett sätt att utvärdera övningen effektivitet är realtid positionen för en råtta detekteras av fyra par infraröda sensorer utplacerade på löphjul. När enadaptiv accelerationskurva initieras med hjälp av en mikrokontroller, de data som erhållits genom de infraröda sensorerna automatiskt registreras och analyseras i en dator. För jämförelseändamål är tre veckors utbildning genomförs på råttor med användning av ett löpband, en MRW och en PRW. Efter kirurgiskt inducera mitten cerebral artärocklusion (MCAo), har ändrats neurologiska svårighetsgrad poäng (mNSS) och ett lutande plan prov utfördes för att bedöma de neurologiska skador på råttor. PRW är experimentellt validerade som den mest effektiva bland sådana djur mobilitetssystem. Dessutom en övning effektivitet åtgärd utifrån råtta ställning analys visade att det finns en hög negativ korrelation mellan det faktiska utövandet och infarktvolymen, och kan användas för att kvantifiera en råtta utbildning i alla typer av hjärnminskning skada experiment.
Introduction
Strokes existerar kontinuerligt som en finansiell börda för länder globalt, vilket otaliga patienter fysiskt och psykiskt funktionshindrade en, två. Det finns kliniska bevis som tyder på att regelbunden motion kan förbättra nervregeneration och stärka neurala kopplingar 3, 4, och det är också visat att motion kan minska risken att drabbas av ischemisk stroke 5. Med antingen ett löpband eller en löphjul som en övning utbildningssystem, gnagare, såsom råttor, fungerar som en proxy för människor för att testa effektiviteten av övningar i en stor majoritet av kliniska experiment 6 - 8. Ett träningssystem innebär normalt att utbilda en råtta under en viss tidsperiod, under vilken en råtta körs med en viss hastighet. Därför är träningsintensiteten i allmänhet beräknas enligt utövandet hastighet och längd 6-8. Samma metod tillämpas påuppskatta mängden motion som krävs för neurofysiologisk skydd. Men de experimentella övningar ibland visat sig vara ineffektiva, till exempel när en råtta snubblar, faller, eller griper rälsen när de är oförmögna att komma ikapp med löphjul hastighet 9-11. Naturligtvis fall av ineffektiv träning avsevärt minska övningen nytta. Även om det inte finns någon som helst allmänt accepterad metod för närvarande att kvantifiera de effektiva övningar för att minska hjärnskador, nivån på effektiva övningar fortfarande står som en objektiv bedömning för kliniska forskare för att illustrera fördelarna med motion i ämnet neurofysiologi.
Det finns ett antal begränsningar på kommersiellt tillgängliga system för mobilitet djur som används i dagens hjärnskador minskning experiment 12. I ett löpband fall råttor tvungen att köra med hjälp av elektriska stötar, inducera enorm psykologiskstress på djuren och därmed störningar i den slutliga neurofysiologiska testresultaten 8, 13, 14. Löphjul kan kategoriseras i två typer, nämligen frivilligt och påtvingat. Frivilliga löphjulen tillåter råttor köra naturligt, skapa överdriven variabilitet på grund av skillnaderna i råttornas fysiska egenskaper och förmågor 15, medan motoriserade löphjul (MRWs) använder en motor för att vrida ratten, tvingar råttor att köra. Trots också är en form av tvångs utbildning, MRWs ställer mindre psykisk stress på råttor än löpband 13, 16, 17. Emellertid har experiment med användning MRWs rapporterade att råttor avbryter ibland övningen genom att ta tag rälsen på spårvidden och vägrar att köra vid hastigheter över 20 m / min 9. Dessa exempel visar att djur rörlighet som för närvarande finns har en inneboende nackdel som hämmar en effektiv träning. Förobjektiva råtta utbildningssyfte är att utveckla en mycket effektiv träningssystem men med låg interferens därför ses som en angelägen fråga för neurofysiologiska träningsexperiment.
Denna studie presenteras ett mycket effektivt system löphjul för experiment på att minska svårighetsgraden av effekterna av stroke 11. Förutom ett minskat antal störningsfaktorer under en träningsprocessen upptäcker detta system körläge av en råtta med hjälp av infraröda sensorer inbyggda i ratten, varigenom man uppnår en mer tillförlitlig uppskattning av effektiv motionsaktivitet. Den psykologiska stressen som infördes genom traditionella löpband och täta motion avbrott i MRWs både skeva objektivitet resulterande tränings uppskattningar. En positionerings löphjul (PRW) systemet som presenteras i denna studie har utvecklats i ett försök att minimera oönskade störningar samtidigt som en tillförlitlig utbildningsmodell för att kvantifiera effektiv exercise.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Etik Uttalande: De experimentella förfaranden godkändes av djuretik kommittén i södra Taiwan University of Science and Technology Laboratory Animal Center, National Science Council, Kina (Tainan, Taiwan).
1. Konstruera löphjul Struktur
OBS: All akryl bör vara transparent. Tvätta isär hjul med vatten, sedan använda alkohol för att torka av gummibandet och akrylplattor efter varje användning.
- Erhålla en akryl löphjul för att vara 55 cm i diameter och 15 cm i bredd.
OBS: Detta hjul är större än en traditionell löphjul (diameter = 35 cm; bredd = 12 cm) (F igure 1A). - Med användning av en skäranordning, skär en kvarts cirkel mynnar i en sida av löphjul för att fungera som en ingång och en utgång samt för råttor (Figur 1B). Placera ett skikt av hög-friktionsgummi spår på insidan av acrylic hjulet (Figur 1B).
- Placera en järnstång med lager för att ansluta löphjul (Figur 1B). Placera två akryl triangulära spalter på vardera sidan av den löpande hjulet för att fungera som stödramen (Figur 1B).
- Fäst en 1 mm tjock halvcirkelformad, transparent akryl blad till utsidorna av de två triangulära pelare med skruvar. Använd detta blad för att distribuera de infraröda sensorer. Säkerställa att de akrylplattor är ungefär 3 cm från varje sida av löphjul.
2. Distribuera den infraröda sensorer och Definiera ett effektivt utövande Area
OBS: Ta hänsyn till driften hjulstorlek och råttan längd i utformningen av en infraröd-system. En råtta utlöser endast en enda sensor i taget. I detta experiment, råttor är mellan 20 och 23 cm lång.
- Borra ett hål i akryl lakan varje 45 ° (båge intervall = 21 cm), med avståndetmellan två hål är ungefär detsamma som längden av en test råtta. Göra hålen med samma mått som de infraröda sensorerna (Figur 2A).
OBS: För traditionella MRWs, borra ett hål varje 70 ° (båge intervall = 21 cm, Figur 2B). - Under en PRW experiment, hålla råttor vid ett stabilt tillstånd för att köra mellan 0 ° till 135 °.
OBS: Så definiera detta område som den effektiva rastgård, medan utsikt alla andra delar som de ineffektiva övningsområden. För traditionella MRWs definierar den effektiva övningsområde som delen mellan 0 ° till 140 ° (Figur 2B).
3. Att köra löphjul
- Använder en borstlös likströmsmotor och en motordrivanordning för att driva den löpande hjulet.
- Montera en gummi skiva med en diameter på motorns centrumaxel (Figur 1B) 10 cm.
- Använda järnramen och fjädrar för att stödja motorn, anslut gummiskivan frånmotorns centrumaxel till den yttre sidan av löphjul.
OBS: Fjädrarna måste samarbeta med skruvar för att möjliggöra dynamisk motorhöjdjusteringar och för att förhindra gummiskivan från att kopplad till driften spårvidd på grund av lösa fjädrar. - Driva motorn för att driva 10 cm gummi skiva med en diameter med användning av en mikrokontroller, och observera hjulet roterar på grund av friktionen mellan gummiskivan och landningsbanan på hjulet, vilket skapar en motoriserad löphjul plattform.
- Mount fyra infraröda sensorer sekventiellt mellan 0 ° till 135 ° (Figur 2A).
OBS: För traditionella MRWs, montera sensorer mellan 0 ° till 140 ° (Figur 2B). - Ansluta fyra par infraröda sensorer monterade i båda akrylplattor till mikrokontrollers allmänna stift använder en ledarkablar, varigenom en positionerings löphjul systemet.
4. Att bygga en adaptiv Acceleratipå Curve
- Tre dagar före inledningen av officiell tre veckor träning, träna råttor genom att manuellt manövrera löphjul.
OBS: Målet är att göra det möjligt för råttor för att bekanta sig med den rinnande miljö, och är att testa om varje råtta kan uthärda kör på 20 m / min.- Under manuellt manövrerade utbildning, gradvis öka varvtalet tills en råtta är oförmögen att hålla jämna steg. När detta inträffar, minska hastigheten tills råttan återfår en stadig drift takt, och sedan gradvis öka hastigheten igen tills råttan når 20 m / min (streckade linjer i fig 3). Den manuella utbildning omfattar sju råttor att konstruera utbildningskurvor.
- Med hjälp av en numerisk ekvation för att passa mätdata på dag tre av det manuella tester, beräkna accelerationskurvorna närmast manuell träning (kurvan med cirklar, Figur 3). Passade ekvationen 1 till rådata, där C ini = 8, C fin OBS: Denna ekvation anpassar sig till en råtta kroppstillstånd. Därför finns den beräknade kurvan som en adaptiv acceleration-utbildningsmodell.
(1) - Använd ekvation 1 för vecka 1 i formell utbildning.
- För vecka 2 och 3 av utbildningen, justera parametrar i ekvation 1, det vill säga, ändring A 12-22, för att göra det möjligt för hastigheten att nå 30 m / min.
(1) 5. Styrning av Programvaran
OBS: Exklusivt utveckla en kod för mikrokontroller-baserad motordrift och för signalöverföring från de infraröda sensorerna till en dator för efterföljande dataanalys.
- Använd programmeringsspråket C för att skriva ett styrprogram som innehåller ett huvudprogram och två avbrottsservicerutiner för timer imikro 18.
- Se till att huvudprogrammet initierar mikro register och konstruerar en adaptiv accelerationskurva modell i mikro minne.
- Använd avbrottsservicerutinen av timer 0 för att aktivera den adaptiva accelerationskurvan och beräkna hela träningstiden.
- Använda avbrottsservicerutinen av Timer 1 för att extrahera signaldata från de infraröda sensorerna och för att överföra data till datorn.
- Använda huvudprogrammet för att registrera positionen av 0 o för att justera hastigheten på löphjul.
- När den mottagande IR-sensor vid 0 ° utlöses, tolkar det som ett fall incidens, som ackumuleras av huvudprogrammet. I samma ögonblick som förekomsttider hösten incidens träffar tröskeln på 10% av antalet råtta positions upptäckter, deaccelerate den löphjul automatiskt som en säkerhetsåtgärd för utbildade råttor. OBS: Hastigheten of löphjul reduceras tills råttan kan återgå till den säkra zonen (0 ° till 135 °) och upprätthålla en stabil rinnande tillstånd för säkerhetsåtgärd.
6. Använda Positioning löphjul System
- Slå på mikrokontroller och vänta för en operatör att trycka på knappen för att starta varje veckas utbildningsmodell.
- Tryck på "Start" -knappen för att starta utbildningsmodell för vecka 1.
OBS: Motorn accelererar automatiskt baserat på den adaptiva accelerationskurvan tills den når 20 m / min, och stannar automatiskt efter 30 min. - Tryck på "Start" -knappen för att starta utbildningsmodell för vecka 2.
OBS: Motorn accelererar automatiskt baserat på den adaptiva accelerationskurvan tills den når 30 m / min, och stannar automatiskt efter 30 min. - Tryck på "Start" -knappen för att starta utbildningsmodell för vecka tre.
OBS: Motorn automatiskt accelerationtes baserade på den adaptiva accelerationskurvan tills den når 30 m / min, och stannar automatiskt efter 60 minuter.
OBS: Under hela utbildningen, överföra signaldata som mottagits från de infraröda sensorerna till en dator trådlöst.
- Tryck på "Start" -knappen för att starta utbildningsmodell för vecka 1.
- Med hjälp av en dator, analysera lokaliseringsuppgifter för att få en effektiv träning åtgärd för hela övningen processen (
). Se ekvation 2. 
(2)
OBS: EEE, EED och IED representerar ett effektivt utövande åtgärd effektiva och ineffektiva träningsvaraktig respektive.
). Se ekvation 2. 
(2) 7. Utbildning av råttor
- Slumpmässigt dela vuxna Sprague-Dawley i fem grupper (n = 9 för varje grupp): Sham, kontroll, löpband, MRW och PRW grupper.
- Genomföra en tre vecka träning för de tre träningsgrupperna, det vill säga treadmill, MRW och PRW grupper, medan inte för bluff och kontrollgrupperna.
OBS: tre veckor träning för varje övningsgrupp är 20 m / min under 30 min under vecka 1, 30 m / min under 30 min under vecka 2 och 30 m / min under 60 min under vecka 3.
8. Animal och Stroke Modell
- Såsom anges i sek. 7,1, slumpmässigt dela alla inblandade vuxna Sprague-Dawley, som vägde mellan 250-280 g, i 5 grupper.
- Väg alla djur för att säkerställa korrekt läkemedelsdoseringsberäkningar. Söva råttorna med natriumpentobarbital (25 mg / kg, intraperitonealt [ip]) och en blandning innehållande ketamin (4,4 mg / kg, intramuskulärt [im]), atropin (0,02633 mg / kg, [im]) och xylazin (6,77 mg / kg, [im]).
- Utvärdera anestesidjupet genom att övervaka andningsfrekvens (normalt 70-115 andetag / min), rytm, djup andning, slemhinnor färg och regelbunden provning av reflexer, t.ex. tå nypa, svans nypa, ögonlock / ögonfransoch ögonlocks.
- Sätt temperaturgivare i ändtarmen och hålla rektala temperaturer mellan 37 till 37,5 ° C genom att använda separata värmelampor.
- Inducera fokal ischemi, transitorisk arteria cerebri media ocklusion (MCAo) genom att föra in en tråd i den inre halsartären för att täppa till öppningen av den mellersta cerebrala artären via yttre halsartären tillvägagångssätt 19.
- Utför samma rutiner på skenopererade djur, medan inte in en glödtråd i den inre halspulsådern. Bibehålla fokal cerebral ischemi under 1 timme, ta bort tråden, stänger snittet, och sedan lämna 1 cm av nylon sutur utskjutande, som kan dras tillbaka för att tillåta reperfusion.
- Administrera subkutana (se) injektioner av ett analgetikum (buprenorfin (0,05 mg / kg, se)), in i djur för analgesi två gånger om dagen i 3 dagar.
9. Bedömning nervskador
- evaluate neurologiska och motoriska funktioner, respektive, vid neurologiska svårighetsgrad (mNSS) 20 och ett lutande plan prov 21.
OBS: mNSS är en sammansättning av motorn (muskelstatus, onormala rörelser), sensoriska (visuell, taktil och proprioceptiv) och reflextest. Ge en poäng för underlåtenhet att utföra en uppgift. Hastighet neurologisk funktion på en skala från 0 till 18 (normal poäng = 0; maximal underskott poäng = 18). - Utvärdera alla råttorna i termer av spatial förmåga dagen innan och dagligen under en tidsperiod på 7 dagar efter operationen.
- Mäta bakbensgreppstyrka hos råttan med användning av ett lutande plan.
- Placera råttor på den lutande klättringsanordningen på en daglig basis, och acklimatisera råttorna till apparater och provningsvillkoren en vecka före testning.
- Placera varje råtta på apparaten och uppmuntra råttan att klättra plattformen tills den övre av apparaten under acklimatisering period.
- Placera råttan påtoppen av anordningen med huvudet nedåt under testning. Säkerställa att de kroppsaxel hos råttan vistelser längs till ett 20 x 20 cm 2 gummi ribbad yta på det lutande planet börjar vid en vinkel på 25 °.
- Öka vinkeln dynamiskt med hjälp av en kulskruv förbunden med en stegmotor för att bestämma den maximala vinkeln där ett djur kan hålla till planet. Öka vinkeln för den lutande planet gradvis tills musen misslyckades med att hålla på det lutande planet, och sedan detektera en glida ner händelse. Baslinjen graden lutande plan är 25 ° i början.
- Fråga två observatörer (omedvetna om vilken behandling råttorna hade fått), att självständigt granska och göra alla beteendetester, det vill säga medelvärdet av vänster- och högersidiga maximala vinklar.
- Sacri fi ce alla djur på dag 7 efter MCAo. BEGJUTA hjärtan djur under djup anestesi (natrium pentobarbital 100 mg / kg, ip) med koksaltlösning 22 22.
- Dränka de färska hjärnsektioner i två, tre, fem-trifenyltetrazoliumklorid (TTC) vid 37 ° C under 30 min, sedan överföra skivorna till 5% -ig formaldehydlösning för fi xation vid 4 ° C under 24 h. Placera de färgade hjärnan skivor på en plexiglashållare.
- Fotografera TTC-färgade skivor med en kalibrerad skala med hjälp av en CCD-kamera kopplad till en dator laddad med bildbehandlingsprogram. Använder ett halvautomatiskt bildanalyssystem samt för att uppskatta infarktområdet (mm 2) från varje TTC-färgade hjärnan skiva 23.
- Beräkna den totala infarktvolymen för varje skiva genom summering av infarkt inom alla hjärnan skivor. Markera ofärgade området (ischemisk hjärnan) separat på varje sida om 2 mm tjocka skivor, sedan beräkna infarktvolymen och medelvärdet.
- Calcusen den korrigerade infarktvolymen (CIV) som
CIV = {LT (RT- RI)}
d (3)
OBS: Om LT och RT beteckna områden i vänstra och högra halvklot i mm 2, respektive, är RI infarktområdet i mm 2, och d = 2 mm är snittjockleken.
d (3) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Detta avsnitt ägnas åt jämförelser gjordes en vecka efter operationen, på mNSS poäng, lutande plan testresultat och hjärninfarkt volymer bland fem grupper. Figur 4A och 4B presenterar de genomsnittliga mNSS poäng och genomsnittet av lutande plan testresultat, respektive. Den PRW gruppen visas som bäst i termer av mNSS förbättring. De betydande skillnaderna mellan PRW och MRW och mellan löpband och PRW tyder tydligt att PRW skyddar mot stroke mer effektivt än andra djur mobilitetssystem för närvarande är tillgängliga. Lutande plan tester utförs vid betydligt brantare lutning vinklar i alla träningsgrupper än i kontrollgruppen över en tidsperiod på sju dagar efter operationen, vilket tydligt visar fördelarna med motion som ett sätt att minska svårighetsgraden av effekterna av stroke. Bestämt var lutningsvinkeln i PRW gruppen demonstrerade som steeskadedjur bland alla träningsgrupper, och är även jämförbar med den i skengruppen, visar en högre återhämtning än löpband och MRW. Vidare visar figur 4C att efter extraktion av hjärnsnitt efter 7 dagar av neural skadebedömning, inte den PRW grupp endast uppvisade en betydligt mindre infarktvolymen än kontrollgruppen utan även uppvisade den minsta infarktvolymen bland alla träningsgrupper. Det är således tydligt att råttorna tränade med hjälp av en PRW drabbats betydligt mindre mängd hjärninfarkt skada än de som använder kommersiellt tillgängliga utbildningssystemen, kontrollera överlägsenhet PRW när det gäller utbildning hjärnskador minskning.
Denna studie presenterades ett vetenskapligt förhållningssätt för att kvantifiera effektivt utövande aktivitet i utbildning hjärnskador minskning. Under 3 veckors utbildning, det finns en 98% effektiv träning åtgärd PRW, medan endast 68% i MRW (tabell 1). Denna betydande skillnad i det faktiska utövandet takten visar att överlägsenheten av utbildningen mekanismen PRW. Den ineffektiva tränings åtgärd definieras som en - att utöva en effektiv åtgärd och korrelerade med mNSS poäng (Figur 4A), ger en 88% korrelation med mNSS poäng (tabell 1). Dessutom finns det en 85% korrelation mellan det faktiska utövandet åtgärden och lutande plan vinkel (tabell 1), och en 92% korrelation mellan den ineffektiva träningsåtgärden och infarktvolymen (Tabell 1). Speciellt är en effektiv övning åtgärd så hög som 98% korrelerade med en extremt låg infarktvolymen i PRW fallet. En signifikant korrelation därmed påvisats mellan den ineffektiva motion och omfattningen av neurologiska skador.
/54354/54354fig1.jpg "/>
Figur 1: PRW systemet (A) konstruktionsritning av en PRW.. Driften hjulet är 55 cm i diameter och 15 cm i bredd. På den nedre halvan av löphjul, har ett hål borrats var 45 ° för infraröda sensorer avbetalning. (B) Den faktiska bilden av PRW. Ett skikt av hög friktion gummiband är placerad på insidan av akrylhjulet. En kvarts cirkel öppning på en sida av löphjul fungerar som en ingång och en utgång samt för de utbildade djur. En ledstången med lager ansluter löphjul till de triangulära kolumner stödja löphjul. En motor är inställd på utsidan av löphjul spåret och är förbunden med löphjul färdvägen med en 10 cm central-axeln monterade gummiskivan. En mikrostyrenhet driver motorn och därigenom beordrar löphjul. Ett par halvcirkulära, transparenta akrylskivor är fästa vid den triangulära Colu mns och fyra par infraröda sensorer är inbäddade i akryl blad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Utplacering av IR-sensorer (A) Enligt storleken på PRW och kroppen längden av en råtta, var ett par av infraröda sensorer utplacerade varje 45 ° mellan 0 ° och 135 ° (som producerar totalt 8 sensorer). . Mellan 0 ° och 135 °, råttor uppvisade ett tillstånd av normal drift, och därför detta område definierades som den effektiva övningsområdet. (B) I MRW fall var ett par av infraröda sensorer utplacerade var 70 ° mellan 0 ° till 140 °.få = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3:. Konstruktion av en adaptiv acceleration-utbildningsmodell för smidig påskynda motion De streckade linjerna representerar de manuellt angivna accelerationskurvor för utbildning av sju råttor på dag tre, och kan betecknas som en exponentiell funktion. Nonlinear kurvpassning utförs sedan i enlighet därmed. Kurvan med cirklar representerar initiala adaptiva accelerationskurvan för vecka 1, veckan en kurva för kort. Kurvan för vecka 2 och 3 är en justerad version av veckan en kurva med en sluthastighet på 30 m / min (C fin = 30). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4:. Jämförelse på neurologiska skador bedömning bland grupper över en tidsperiod på 7 dagar efter operationen (varje grupp med 9 råttor) (a) Genomsnittlig mNSS poäng (medelvärde ± SD). Det finns en betydande variation bland alla motion och kontrollgrupperna, bevis för att träningen hjärnskador minskning. Den PRW grupp ger den lägsta poängen bland motionsgrupper, visar en överlägsen neuroprotektiv mekanism till andra utbildningssystemen. (B) De genomsnittliga hind-ben testvinklar (medelvärde ± SD). En mycket brantare vinkel demonstreras i PRW än i kontrollgruppen, och visas enligt de brantaste bland alla träningsgrupper. Dessutom fanns det liten skillnad mellan PRW och skengrupperna indicating att PRW regenere råttornas hind-ben grepp till en högre nivå. (C) Jämförelse på infarktvolymen (medelvärde ± SD). PRW förvärvar mycket mindre volym än kontrollgruppen, och rankas lägst bland alla träningsgrupper, validera framträdande effekten av PRW på minskning hjärnskador. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Grupp | Effektiv motion åtgärd% (EEE) | mNSS | Lutande plan vinkel | infarktvolymen |
| 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> |
| Kontrollera | 0 | 100 | 0 | 100 |
| Korrelationskoefficient (R2) med EEE | -0,88 | 0,85 | -0,92 |
Tabell 1: Jämförelse av korrelation mellan faktiska utövandet aktivitet och neurologiska skador Effektiv motion aktivitet jämförelse mellan PRW, MRW och kontrollgrupperna.. De PRW och MRW grupper ger en 98% och en 68% genomsnittlig effektiv träning åtgärd respektive efter en tre veckors utbildning, vilket innebär att PRW erbjuder en större mängd effektiv träning. Det finns en 0,88 korrelation mellan mNSS och ineffektivt motion åtgärd, en 0,85 korrelation mellan det faktiska utövandet åtgärden och lutande plan vinkel, och en 0,92 korrelation mellan den ineffektiva träningsåtgärden och infarktvolymen, respekttivt. I synnerhet, är en effektiv övning på upp till 98% korrelerade med en extremt liten infarktvolymen i PSW. Data i mNSS, lutande plan vinkel, och infarktvolymen normaliseras.
| Fungera | PRW (denna studie) | MRW | löpband |
| träning | Tvingad (lateralt motoriserade) | Tvingad (centralt motoriserade) | Tvingad (elektrisk stöt) |
| Antal samtidigt utbilda djur | Enda | Enda | Mångfald |
| bana struktur | Strukturerad gummirem | Barer | gummirem |
| träningsbar intensitet | Låg-, medel-, hög | Låg-, medel- | Låg-, medel-, hög |
| adaptiv accelerationutbildning | Ja | Nej | Nej |
| Running positionsdetektering | Ja | Nej | Nej |
| retardation träning | Ja | Nej | Nej |
| Effektiv motion bedömning | Ja | Nej | Nej |
Tabell 2:. Jämförelse mellan systemen djur rörlighet PRW kan användas på alla nivåer av träningsintensitet. Kombinera en anpassad hjul med en adaptiv träning kurva, fungerar PRW som ett överlägset alternativ till motsvarigheter. Dessutom är IR-läge detekteringsteknik som används för att kvantifiera en effektiv motionsaktivitet för att minska hjärnskador.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta protokoll beskriver ett mycket effektivt löphjul system för att minska svårighetsgraden av effekterna av stroke hos djur. Som en råtta vänlig testbädd, är denna plattform utformad samt på ett sådant sätt att en stabil löphastighet kan upprätthållas genom råttor under en pågående process med hjälp av en förutbestämd adaptiv accelerationskurva. I typiska utbildningssystemen är förinställda träningshastigheter och varaktig in manuellt. När en övning påbörjas, är ett förinställt varvtal nås inom kort. I detta sammanhang är det mycket troligt att råttor inte kan nå högre hastigheter, vilket gör dem tumla och falla och påverkar stabiliteten i sina körningar i enlighet därmed. De kritiska stegen är 1,1, 4,1 och 4,2, som är de viktigaste funktionerna i PRW i motsats till MRW. Integrationen mellan en rymlig löparbana, såsom beskrivs i steg. 1,1, och en adaptiv acceleration-utbildningsmodell konstruktion, som avses i steg. 4,1 och 4,2, presenteras som en förbättrad version av entypiska MRW. Sådana nyckelfunktioner leda till en minskad infarktvolymen än MRW. Den övergripande utformningen av det presenterade systemet är utformat som en råtta vänlig testbädd för en minskning av ineffektiva motion. Närmare bestämt är 4 par infraröda sensorer användas för att upptäcka i realtid positionen för en råtta, ger ett mått för att kvantifiera en effektiv motionsaktivitet, definierad i steg. 6,6, för jämförelser på korrelation med mNSS poäng, lutande plan vinkel och hjärninfarkt volym. Denna åtgärd kan användas för att kvantifiera någon typ av neurofysiologiska experiment, orealiserade ännu i konventionella utbildningsplattformar. Det är dock mycket troligt att en effektiv träning inte kan upptäckas för en liten råtta på grund av en gles fördelning av IR-sensorer. Dessutom är en stor nackdel i förhållande till ett löpband som bara en enda råtta kan tränas i taget på denna plattform. felsökning Systemet omfattar två delar. Den ena är en noggrann sensorjusteringen för signalöverföring och mottagninggrund av den höga direktivitet av IR, medan den andra är driften hjulet roterande med specificerade varv per minut (rpm). En IR-källa / detektor par måste anpassas till dess att en stark signal kan tas emot av detektorn. Med avseende på löphjul, är 10 cm gummi skiva med en diameter slitna gradvis när hjulet roteras under en lång tidsperiod. Därför en fjäder behöver lossas som ett sätt att kompensera en otillräcklig gummiskivan friktion för normal hjulrotationen. Tabell 2 ger en jämförelse på tvångsmobilitetssystem djur används i hjärnan för att minska skador experiment.
Tester ger betydligt bättre resultat i termer av mNSS poäng, lutningsvinkeln och infarktvolymer i PRW gruppen än i kontrollgruppen (p <0,05). Den PRW gruppen validerades som en som ger den mest mängden effektiv träning bland alla träningsgrupper. I denna studie, när utbildade med den traditionella MRW, råttor are ofta visat sig hålla fast stolpar banan och vägra att köra med en hastighet över 20 m / min, ett avtal med en bit av tidigare arbete 9. Som ett sätt att förbättra råtta utbildning prestanda, är det metalliska banan omgjorda som en hög densitet gummi löparbana i detta arbete. I ett löpband, är psykisk stress oundvikligen åläggs de elektriska stötar drivna råttor, ett olöst problem i ämnet fysiologi i det förflutna. Därför måste ett sätt hittas för att minska tork frekvensen och för att underlätta den psykiska stressen åläggs råttor under träning. På detta sätt kan testresultaten tolkas mer exakt, som ett övertygande sätt att visa utövandet nytta för reduktion hjärnskador. Detta är en stor motivation bakom detta arbete.
Detta arbete framgångsrikt ger ett kvantitativt mått på en effektiv motionsaktivitet korrelerade med infarktvolymen, den mest direkta bevis för stroke skador. Därför effektiv träningi andra typer av djurbaserade tester kan kvalificerad. Som framgår av 6-8, både träningsintensitet och varaktighet är användardefinierade i neurofysiologiska experiment, men inte tar hänsyn till den effektiva mängden av en träning. Effektiv motion aktivitet valideras som en nyckelfaktor för stroke neuroprotektion, med hjälp av denna råtta vänliga och innovativa djur rörlighet systemet.
Man tror att denna plattform kan tillämpas på variabel hastighet utbildning och relaterade frågor i framtiden. Som påpekats i 24, 25, är variabel hastighet utbildning ses som en mer effektiv träning i ämnet träningsfysiologi. Med infraröd läge detekteringsteknik som grund, kan variabel hastighet utbildning exakt utföras på idrottare för en djup undersökning av neurofysiologiska skyddsmekanism.
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).
