Summary
Kinematisk gånganalys i sagittalplanet ger mycket exakt information om hur rörelsen utförs. Vi beskriver tillämpningen av dessa tekniker att identifiera gait underskott för möss som utsätts för autoimmuna-medierad demyelinisering. Dessa metoder kan också användas för att karaktärisera gait underskott för andra musmodeller med nedsatt rörelseförmåga.
Abstract
Kinematisk gånganalys i sagittalplanet har ofta använts för att karakterisera motor underskott i multipel skleros (MS). Vi beskriver tillämpningen av dessa tekniker att identifiera gait underskott i en musmodell av MS, som kallas experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Förlamning och motor underskott hos möss som utsätts för EAE bedöms vanligtvis använder en klinisk scoring skala. Denna skala ger dock endast ordningstal data som ger lite information om den exakta arten av de motoriska bristerna. EAE sjukdomens svårighetsgrad har också bedömts av rotarod prestanda, vilket ger ett mått på allmän finmotorik samordning. Däremot genererar kinematisk gånganalys av hind lemmen i sagittalplanet mycket exakt information om hur rörligheten är nedsatt. För att utföra den här proceduren placeras reflekterande punkter på ett bakben att upptäcka gemensam rörelse medan musen går på ett löpband. Rörelse analysprogramvara används för att mäta rörelsen av markörer under promenader. Kinematisk gait parametrar härleds sedan från den resulterande data. Vi visar hur parametrarna gångart kan användas för att kvantifiera nedsatt rörelser i höft, knä och fotled lederna i ek. Dessa tekniker kan användas för att bättre förstå sjukdomsmekanismer och identifiera potentiella behandlingar för MS och andra neurodegenerativa sjukdomar som försämrar rörlighet.
Introduction
Gång är en serie av repetitiva rörelser används för att uppnå locomotion. Gait består av steg cykler, som delas in i två faser: fasen hållning, vilket är när foten rör sig bakåt på marken att driva de kroppen framlänges; och swing fasen, där foten är avstängd på marken och rör sig framåt. Störningar av gångart är hallmark funktioner av många neurodegenerativa sjukdomar, till exempel ryggmärgsskada (SCI), multipel skleros (MS), amyotrofisk lateralskleros (ALS), Parkinsons sjukdom (PD) och stroke; prekliniska djurmodeller av dessa sjukdomar sammanfatta ofta deras respektive gait nedskrivningar1. De grundläggande kontrollmekanismerna för förflyttning i möss har varit intensivt studerade2,3. Dessutom finns det musmodeller av många människors neurologiska4. Gånganalys hos möss är därför en attraktiv metod att mäta flera aspekter av motoriska brister som har kända anatomiska korrelat. Studien av gångart i musmodeller kan ge insikter i neuropatologiska baserna av rörelseapparaten underskott i neurodegenerativa sjukdomar och möjliggöra identifiering av potentiella behandlingar.
Några tekniker som har använts för att mäta rörelser hos gnagare inkluderar visuell inspektion (t.ex., Basso mus skala5 och öppet fält test6) och analys av gångart från den ventrala plan7. Mer nyligen, metoder för att mäta sagittalplanet kinematik av bakbenet rörelser har vunnit popularitet eftersom de innehåller mer information om utförandet av rörelsen och följaktligen är mer känsliga för subtila förändringar i gångarten8, 9 , 10 , 11. kinematisk tekniker som utvecklats för att studera bakbenet rörelse i sagittalplanet medan du går på ett löpband9,12 har studerats i samband med SCI, ALS, traumatiska kortikala skador, stroke, och Huntingtons sjukdom8,9,10,11,13,14,15,16. Dessa tekniker har däremot sett begränsad användning i studien av rörelseapparaten underskott för musmodeller av multipel skleros17.
Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) är den vanligaste musmodellen MS18. De två huvudsakliga metoderna framkalla EAE är via aktiv eller passiv inympning. I aktiva EAE, är möss immuniserats med myelin antigener, orsakar autoreaktiva T cell-medierad neuroinflammation och demyelinisering i ryggmärgen och lillhjärnan. Passiva EAE, däremot, induceras genom att överföra autoreaktiva T celler från en mus med aktiva EAE till en naiv mus19. Som beskrivs på andra ställen, de sjukdomsförlopp och neuropatologi påverkas av det centrala nervsystem (CNS) antigenen och mus Sila20,21,22,23,24 ,25. I EAE experiment injiceras kontroll möss med komplett Freund's adjuvans (CFA) utan myelin antigenet. EAE kännetecknas av stigande förlamning som börjar med svans svaghet och kan potentiellt innebära frambenen, vilket resulterar i ataxi och förlamning20. Vi har nyligen kännetecknas gait förändringar i C57Bl/6 möss utsätts för myelin oligodendrocyte glykoprotein 35-55 (MOG35-55)-inducerad EAE. Dessa studier har visat gånganalys att vara överlägsen än klassiskt beteendeanalys eftersom avvikelser från normal fotled rörelse är starkt korrelerade med graden av vit substans förlust i ländryggen ryggmärgen av EAE möss26. Styrkan i sambandet mellan vit substans förlust och två andra traditionella beteendemässiga åtgärder (kliniska scoring och rotarod) var däremot mycket svagare26.
Här beskriver vi användningen av kinematisk gånganalys att upptäcka rörelse underskott i sagittalplanet EAE möss gå på ett löpband. Fem reflekterande markörer placerades på en bakbenet att identifiera rörelse av höft, knä och fotled lederna i höghastighetståg videoinspelningar. Rörelse analysprogramvara användes för att extrahera kinematiska data om gemensamma utflykter. Nyttan av dessa tekniker för att kvantifiera rörelse underskott för MOG35-55 modellen av EAE diskuteras. Dessa tekniker är också tillämpliga på studiet av gait underskott i andra musmodeller av neurodegenerativa sjukdomar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
detta protokoll överensstämmer med kanadensiska rådet om Animal Care riktlinjer och godkändes av utskottet Dalhousie University på laboratoriedjur.
1. konstruera reflekterande markörer:
- med hjälp av en handhållen hålslagning, hålslag önskat antal små cirklar från en reflekterande papper. Varje djur kräver 5 markörer för en enda inspelning; två stora och tre små markörer.
- Med fina sax, göra ett rakt snitt som sträcker sig från omkretsen till mitten av cirkeln.
- Ta bort papperet stöd av marker att avslöja den självhäftande ytan. Med fin pincett, grepp markören ordentligt och böjer det i sig själv med ditt finger för att bilda en konformad. För att göra en liten markör, curl konen tätt. För att göra en stor markör, curl konen löst.
- Använder en handhållen limpistol, Fyll insidan av den konformade markören med lim samtidigt gripande spetsen på konen med pincett och följer markören till en platt bit kartong. Limmet kommer att hindra markören från att kollapsa och bockning under inspelning för att säkerställa optimal reflektion av ljus. När limmet är torrt (ca 10 min), ta bort markören från kartong med en skalpell ( figur 1A).
2. Förbereda djuret för inspelning
- Anesthetize musen med isofluran gas (2,5%; 2 liter/min O 2) genom att placera musen i en induktion kammare. När musen är medvetslös, placera det i en Kona placeras ovanpå en recirkulerande vatten värme filt. Syftet med anesthetization är att immobilisera musen för markör placering; förfarandet är inte smärtsam. Djup av anestesi behöver därför inte bedömas.
- Gäller ett aktuellt öga smörjmedel för båda ögonen.
- Raka det önska bakbenet som använder elektriska hårklippningsmaskiner. Börja vid vristen och utvidga till ryggraden och botten av revbenen; Se till att ingen päls är kvar som detta kommer att försvåra markör vidhäftning.
Obs: Här, det högra bakbenet spelades; men antingen bakbenet kan användas. - Med en permanent markörpenna, ange platsen för höftbenskammen och höftleden. Höftbenskammen är strax under botten av revbenen och är enkelt påtaglig genom att sammanföra knäna under musen ' s kropp.
Obs: Höftleden kan hittas genom böjning och förlänga benet för att hitta den artikulation punkten mellan bäckenet och lårbenet. - Med fin pincett, greppa den spetsiga ändan av en liten markör och doppa basen i snabbverkande klister, eller ett likvärdigt alternativ. Placera markören på spetsen av den fjärde siffran och hålla på plats för 2-3 s att låta limmet torka. Placera de andra två små markörerna på metatarsofalangealleden och fotled på samma sätt ( figur 1B).
- Placera stora markörer på höftbenskammen och höftleden ( figur 1B) på samma sätt som de små markörerna.
- Ta bort musen från näsan konen och omedelbart överföra till inspelningen rummet i en överföring bur. Placera musen på stationära löpbandet och möjliggör fullständig återhämtning från anestesi.
3. Gång inspelning
- före att inspelning musen ' s gångart, ta en bild av en kalibrering block med kända dimensioner på löpbandet.
Obs: Detta gör att pixlar i videon som ska konverteras till riktiga mätningar. Kameran bör placeras cirka 120 cm från löpbandet.- Position kameran på samma höjd och nivå som löpbandet. Underhålla samma kameraposition för inspelningar efter kalibrering bilden.
- När musen har återhämtat sig helt från anestesi, slå löpbandet till en låg hastighet (5 cm/s) att låta musen börjar att gå. Säkerställa att löpbandet bälte riktning är sådan att markörerna på musen vänd mot kameran.
- Ökning löpbandet hastighet gradvis upp till 20 cm/s, detta är den idealiska hastigheten för en konsekvent gång i de flesta friska möss.
Obs: Men det är perfekt att ha alla möss promenader med samma hastighet, vissa kanske inte konsekvent nå denna hastighet.- Om musen är oförmögen att gå vid 20 cm/s, minska hastigheten vid behov och se till att anteckna detta. Minska hastigheten på löpbandet tills konsekvent steg cykler uppnås.
Obs: Senare dataanalys kan justera för olikheter i hastigheter.
- Om musen är oförmögen att gå vid 20 cm/s, minska hastigheten vid behov och se till att anteckna detta. Minska hastigheten på löpbandet tills konsekvent steg cykler uppnås.
- Börja spela in video när musen går stadigt (dvs, promenader i en konsekvent takt, inte uppfödning eller vävning sida till sida). Fortsätt inspelning tills 8 till 12 på varandra följande steg cykler har registrerats. För varje video, spela in hastigheten på löpbandet och sidan av musen inspelade.
- När inspelningen är klar, Stäng av löpbandet och återgå musen till sin bur. Rengöra löpbandet noggrant mellan inspelningar som dofter kvar av andra möss kan förändra beteendet hos inkommande möss. För att minska stress och hudskador, ta inte bort markörerna; låta mössen att ta bort dem på sina egna.
4. Analys
- bearbeta videoklipp med hjälp av motion analysprogram.
Obs: I vårt experiment, använde vi anpassade skript för bildhantering och statistisk programvara (se Tabell för material) som skrevs av Dr. Nicolas Stifani. Följande steg utförs med hjälp av valda rörelse analys programvara.- Extrahera bildpunktskoordinater av markörer från videor, och med hjälp av kalibrering video, förändra pixelvärdena till centimeter och beräkna de gemensamma vinklarna vid varje bildruta.
- Identifiera början och slutet av varje steg, därigenom få information om steg längd och längden.
- Normalisera steget cykelns duration till 200 normaliserade ramar, sådan att gunga och hållning representeras av 100 ramar, respektive.
- Använda de normaliserade ramarna, beräkna kinematisk parametrar för dataanalys kalkylprogram (se Tabell för material).
- För att upprätta den genomsnittliga vinkeln av ett visst gemensamt ta medelvärdet av alla vinklar i en normaliserad ram som:
Obs: här x representerar vinkelvärdet vid en tanke normaliserade ram och n representerar den normaliserade bildrutenummer. - Att etablera rörelseomfång av ett visst gemensamt för en given mus, subtrahera den minsta vinkeln från den största vinkeln i en uppsättning med normaliserade ramar enligt följande:
Rörelseomfång = vinkel maximal - vinkel minsta.
Obs: Här vinkel maximal och vinkel minsta är de största och minsta vinklar som uppnåtts inom den normaliserade steg cykeln, respektive. - Att etablera RMS skillnaden, först subtrahera genomsnittliga vinkeln på varje experimentella tidpunkt från baslinjen inspelningen. Nästa, torget varje skillnad, ta medelvärdet av alla kvadrerade värdena och kvadratroten medelvärdet. Ekvationen är följande:
Obs: här
representerar den genomsnittliga vinkeln från baslinjen inspelning; y representerar den genomsnittliga vinkeln från varje experimentella tidpunkt; n och representerar antalet normaliserade ramar. Root menar squared (RMS) skillnaden är ett mått som används för att bedöma avvikelse i gång från baslinjen inspelningar.
- För att upprätta den genomsnittliga vinkeln av ett visst gemensamt ta medelvärdet av alla vinklar i en normaliserad ram som:
- Använda vetenskapliga grafritande och statistik-program för att analysera och presentera data (se Tabell för material).
representerar den genomsnittliga vinkeln från baslinjen inspelning; y representerar den genomsnittliga vinkeln från varje experimentella tidpunkt; n och representerar antalet normaliserade ramar. Root menar squared (RMS) skillnaden är ett mått som används för att bedöma avvikelse i gång från baslinjen inspelningar.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 är en schematisk representation av det förfarande som används för kinematisk gånganalys. Första, reflekterande markörer är gjort och placeras på en mus vid 5 anatomiska poäng. Gait registreras sedan när musen går på ett löpband. Rörelse analysprogramvara används för att extrahera kinematiska data för efterföljande analys.
Figur 2A -C representerar steg cykeln av en kontroll CFA mus för höft, knä och fotled gemensamma vinklar inspelade vid tre på varandra följande inspelning sessioner fördelade en veckas mellanrum. Överlappningen mellan vågformer visar minsta avvikelse i steg cykler från sessioner 1-3. Figur 2D -F representerar steg cykeln av en andra kontroll CFA mus som visas större vandrande variabilitet från inspelning sessioner 1-3. Även om de steg cyklerna flyttas längs y-axeln, förblir form av vågformerna konsekvent mellan inspelningar. Denna nivå av variabilitet är typiska för mus promenader.
Figur 3A -C representerar steg cykeln av en mus med EAE inspelade på tre på varandra följande inspelningarna. Det finns minimala förändringar i gång från först till den andra inspelning-sessionen, men av den tredje sessionen, gånganalys har varit djupt förändrade på alla tre leder. För höften uppstod en betydande förenkling provcykeln steg, som anger en betydande förlust av rörlighet. Knäet har blivit mer böjd och mindre möjlighet att utöka och stödja djurets kropp vikt. Rörelser på fotleden var också väsentligt. Foten dorsalflexion och plantarflexion fördröjs under swing (vit panel) och hållning (gröna panelen) fas, respektive. Dessa underskott är ett tecken på muskelsvaghet vid denna gemensamma eftersom djuret är nedsatt i dess förmåga att både höja dess fot under fasen swing och driva kroppen framåt under fasen hållning.
Följande data presenteras i figur 4 var publiceras från Fiander o.a. (2017) 26 med tillstånd. Data analyserades med enkelriktad upprepade mätningar ANOVA med Holm-Sidak flera jämförelser test för att jämföra alla tidpunkter till baslinjen26. Det genomsnittliga vinkel (figur 4A och figur 4 d), utbudet av rörelse (figur 4B och figur 4E) och RMS skillnaden (figur 4 c och figur 4F) beräknades vid varje tidpunkt att kvantifiera gångart underskott (n = 8 per grupp). I det nuvarande EAE experimentet var uppkomsten av klinisk score DPI 14, vilket är efter den andra veckan av inspelning. CFA möss visade ingen förändring i genomsnittlig knä vinkel (figur 4A) eller knä RMS skillnaden (figur 4 c), men uppvisade en liten ökning knä rörelseomfång [F(2,7) = 5,871, p = 0.0083], på både DPI 16 och 30 i förhållande till baslinjen ( Figur 4B). Denna lilla förändring kan avspegla smärta som härrör från CFA injektionen. I motsats till CFA djuren, det fanns stora förändringar på knäet gemensamma för EAE djur för den genomsnittliga vinkeln [F(6,7) = 11,08, p < 0,0001] (figur 4 d), rörelseomfång [F(6,7) = 14,42, p < 0,0001] (figur 4E) och RMS skillnaden (figur 4F). Den genomsnittliga vinkeln minskade avsevärt, vilket indikerar att EAE möss hade knäna mer böjd under promenader. Detta kan vara tecken på muskelsvaghet, eftersom djuren inte kunde utöka sin knäleder för att stödja sin kroppsvikt. Rörelseomfång minskade också, återigen sannolikt på grund av en oförmåga hos djuren att förlänga knäleden. Den betydande ökningen i knä RMS skillnad indikerar att förflyttningar av knäleden i EAE möss var väsentligen skiljer sig från deras baslinjen inspelning.
Data i figur 5 analyserades med enkelriktad upprepade mätningar ANOVA med den Holm-Sidak flera jämförelser test som jämförde gait parametervärden på klinisk score 0,5 - 3,5 till de upptäcks vid en klinisk score = 0. Correlational analyser utfördes också använda Spearman rho (ρ). Den genomsnittliga knä vinkel (figur 5A), rörelseomfång (figur 5B), och RMS skillnaden (figur 5 c) var starkt korrelerade med klinisk score (p < 0,001). Dessa korrelationer mellan gemensamma rörelser och klassiska kliniska scoring styrkt giltigheten av kinematisk gånganalys att bedöma motoriska underskott för EAE möss. Knäet utbud av rörelse (figur 5A) och RMS skillnaden (figur 5 c) minskade avsevärt med början i en klinisk värdering av 2.0 (p< 0,05). Dessa fynd tyder på att nedsatt knä rörelser inte bidrar till motor underskott upptäckts av klinisk score lägre än 2.0. Knäet genomsnittliga vinkel (figur 5B) var minskade dock början på en klinisk värdering av 1.0 (p< 0,05). Detta tyder på att genomsnittlig vinkel för knä rörelse, är de mest känsliga av de tre åtgärderna.
Figur 1 : Schematisk för kinematisk gait inspelning med möss. När reflekterande markörer är gjort, är de placerade på höftbenskammen, höftleden, fotled, metatarsofalangealleden och spetsen på den fjärde siffran. Gait registreras av en höghastighetskamera när musen går på ett löpband. Rörelse analysprogramvara används för att extrahera gait parametrar för efterföljande analys. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Exempel på steg cykeln vågformer i två kontroll möss som fått CFA
De vita och gröna bakgrunderna representerar den swing och hållning fasen, respektive. För mus 1 överlappar den höften (A), knä (B) och fotled (C) steg cykeln vågformer varandra över 3 på varandra följande inspelning sessioner fördelade en veckas mellanrum. För musen 2 cykel den höften (D), knä (E) och fotled (F) steg vågformer avvika något från varandra på grund av det inneboende variabilitet i walking beteende. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Steg cykeln vågformer i möss med EAE. De vita och gröna bakgrunderna representerar swing och hållning fas, respektive, för tre på varandra följande inspelning sessioner fördelade en vecka ifrån varandra. (C) vågformer är 3rd inspelningen, HipHop (A), knä (B) och fotled kraftigt förändrats på grund av EAE sjukdomsprogression. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Genomsnittliga vinkel, rörelseomfång, och root mean squared används för att analysera kinematiska data. Genomsnittliga vinkel, rörelseomfång, och RMS skillnader beräknades för att kvantifiera motor underskott i EAE möss. Den genomsnittliga knä vinkeln (A), utbud av rörelse (B) och RMS (C) för CFA möss varit relativt konstant. Möss med EAE visade nedsatt knä genomsnittliga vinkel (D), rörelseomfång (E), och RMS (F). Data är uttryckt som medelvärde ± standardavvikelse; p< 0,05, ** p< 0,01, *** p< 0,001, skillnad från dag post immunisering (DPI) -2; # p < 0,05, skillnad från peak underskott. Omtryckt från referens 26 med tillåtelse från ursprungliga utgivare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Genomsnittliga knä vinkel, rörelseomfång och RMS skillnaden korrelerar med kliniska Poäng
Korrelation analysen utfördes mellan tre kinematisk åtgärder av knä rörelser och kliniska poäng att jämföra de två metoderna. Den genomsnittliga knä vinkel (A), rörelseomfång (B), och RMS skillnaden (C) var starkt korrelerade med klinisk score. Intervallet knä rörelse och RMS skillnaden minskat början på en klinisk värdering av 2.0, medan genomsnittliga knä vinkel sänktes tidigare till en klinisk värdering av 1.0. Data är uttryckt som medelvärde ± standardavvikelse; p< 0,05 skillnad från kliniska Poäng 0,0. För Spearman rho (ρ), *** p< 0,001. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I möss med EAE, de två vanligaste metoderna att mäta motoriska brister är kliniska scoring och falla latens från en rotarod27,28. Dessa tekniker har flera begränsningar. Även bekvämt och utbredda, begränsas kliniska scoring av framställning endast ordinal nivå data, vilket innebär att omfattningen av skillnaderna mellan klinisk score inte är kända. Kliniska scoring lider också av att inte kunna ge exakt information om vilken typ av motor underskotten. Rotarod testet förbättrar på vissa begränsningar av kliniska scoring, men endast mäter allmän finmotorik samordning och mäter inte specifika aspekter av promenader.
Som jämförelse ger kinematisk gånganalys känsliga åtgärder om specifika aspekter av förflyttning, inklusive utbudet av rörelse och genomsnittliga vinklar på olika lederna. Subtila brister i höft- och gemensamma rörelser för MOG35-55 EAE möss har avslöjats vid DPI9, cirka 5-9 dagar före uppkomsten av kliniska symtom eller rotarod underskott26. Dessa underskott kvarstod trots en fullständig remission av kliniska tecken och observerades i avsaknad av rotarod underskott26. Ännu viktigare, nedsatt fotled rörelser mätt som RMS skillnaden korrelerar mycket väl med vit substans förlust i ryggmärgen26.
Flera metodiska punkter förtjänar särskilt omnämnande: 1) exakt och konsekvent placering av gemensamma markörer är avgörande - de höftleden och höftbenskammen noggrant måste identifieras genom palpitation; (2) det är nödvändigt att få inspelningar från 8-12 steg cykler. Dessa steg cykler i genomsnitt producerar en representativ genomsnittlig steg cykel som kan analyseras vidare; (3) optimala ljusförhållanden måste fastställas så att markörerna är tydligt synliga i inspelningarna. Om markörer inte belyses ordentligt, kan detta göra digitalisering videor en mödosam process som många rörelse analysprogram kommer att kunna spåra de markörer, vilket kräver manuell spårning.
En ytterligare begränsning av denna teknik är att det är arbetskrävande. Till exempel för att registrera och analysera data från en grupp av 10 möss, uppskattar vi att den totala processen tar cirka 7,0-9,0 timmar (h). Att göra 50 markörer (5 per mus) tar ca 2,0 h. kan inspelning mus promenader beteende göras antingen ensamt eller i ett par. Arbeta ensam, tar det ca 25 min per mus, medan arbetar i ett par tar cirka 10 min per mus; Därför kan inspelning 10 möss ta från 1,5 h (par) till 4.0 h (solo). Slutligen, dataanalys och diagram ta cirka 3,5 timmar. Även om denna teknik är arbetsintensivt, anser vi att de potentiella insikterna om sjukdomsmekanismer som erbjuds av kinematisk gånganalys motiverar denna investering. Att ha bra beteende korrelerar av sjukdom patologi är användbart eftersom seriella mätningar kan tas från en levande mus icke-invasivt. Med tanke på den nära perfekt korrelationen mellan ankeln kinematik och ländryggen ryggmärgen vit substans förlust26, denna metod kan användas för att fastställa den temporal profilen av demyelinisering och remyelination i EAE möss under loppet av ett experiment, så att återvinning ska bedömas.
Gånganalys kompliceras av allvarlig förlamning som begränsar rörligheten för bakbenen. Dock även allvarligt förlamad möss (kliniska Poäng > 3.0) kan ofta att ambulate i viss utsträckning. I dessa fall frambenen används att dra djuret framåt, och vissa bakbenet rörelse uppstår som kan mätas med kinematisk gånganalys. Även i dessa svåra fall är det fortfarande möjligt att mäta återvinning av bakbenet funktion över tid. Endast i mycket allvarliga fall (20% av djur med kliniska noter > 3,5 på peak sjukdom, DPI 16-23) har vi kunnat få användbar inspelningar av bakbenet rörelse. Ändå, dessa djur brukar återfå vissa bakbenet funktion av DPI 30, möjliggör meningsfull inspelningar för att erhållas vid denna tidpunkt.
En framtida tillämpning av denna teknik koppling kinematiska data med samtidiga elektromyografisk inspelningar av bakbenet under förflyttning. Denna teknik har gjorts i musmodeller av ALS och SCI och kan användas för att belysa förhållandet mellan muskelaktivitet, innervation och gångart. Denna teknik kan också kombineras med mer riktade modeller av MS och demyelinisering som kan producera mer diskreta gait underskott, inklusive fokal EAE modeller29,30 eller cuprizone-inducerad demyelinisering31.
Teknikerna vi har beskrivit för mätning av gemensamma rörelser i EAE möss kan också tillämpas på andra sjukdomar som försämrar gångart. Tydliga förändringar i gångart har rapporterats för musmodeller av PD, SCI, ALS och stroke8,9,10,11,13,14. Till exempel kännetecknas gnagare modeller av PD av minskad steglängd och hastighet, vilket resulterar i förhöjda kadens att upprätthålla walking hastighet32. Kinematisk gånganalys ger därför kraftfulla beteendemässiga verktyg för att belysa sjukdomsmekanismer och identifiera potentiella behandlingar med dessa modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi skulle vilja erkänna Sid Chedrawe för hans teknisk hjälp med filmning. Detta arbete stöds av finansiering från MS Society of Canada (EGID 2983).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera | Nikon | Nikon D750 | Used to film the video |
| Reflective tape | B&L Engineering | MKR-Tape-2 | |
| Fine scissors | Fine Science Tools | 15023-10 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | |
| Glue gun | Craftsmart | E231647 | |
| scalpel handle #4 | Roboz | R5-9884 | |
| Scalpel Blade No.10 | Feather | 2020-12 | |
| C57BL/6 mice | Charles River Laboratories | ||
| Anesthetic machine | EZ Anesthesia | EZ-AF9000 Auto Flow System | |
| Recirculating water heating blanket | Androit | HTP-1500 | |
| topical eye lubricant | Refresh | DIN00210889 | |
| Shaver | Oster | 78997-010 | |
| High speed camera | Fastec | Fastec IL3-100 | |
| High power light | Smith Victor Corporation | Model 700 SG (600 Watt quartz light, 120 Volts) | |
| Light Stand | Promaster | LS1 | |
| Treadmill | Custom built at the Zoological Institute, University of Cologne | ||
| Microsoft Excel 2016 | Microsoft | Version 2016 | |
| KinemaJ | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with ImageJ | |
| KinemaR | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with Rstudio | |
| Vicon Motus | Vicon Motus | Version 9.00 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | Version 6.00 |
References
- Giladi, N., Horak, F. B., Hausdorff, J. M. Classification of gait disturbances: distinguishing between continuous and episodic changes. Mov Disord. 28 (11), 1469-1473 (2013).
- Kiehn, O. Decoding the organization of spinal circuits that control locomotion. Nat Rev Neurosci. 17 (4), 224-238 (2016).
- Akay, T., Tourtellotte, W. G., Arber, S., Jessell, T. M. Degradation of mouse locomotor pattern in the absence of proprioceptive sensory feedback. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (47), 16877-16882 (2014).
- Hafezparast, M., Ahmad-Annuar, A., Wood, N. W., Tabrizi, S. J., Fisher, E. M. Mouse models for neurological disease. Lancet Neurol. 1 (4), 215-224 (2002).
- Basso, D. M., et al. Basso Mouse Scale for locomotion detects differences in recovery after spinal cord injury in five common mouse strains. J Neurotrauma. 23 (5), 635-659 (2006).
- Tatem, K. S., et al. Behavioral and locomotor measurements using an open field activity monitoring system for skeletal muscle diseases. J Vis Exp. (91), e51785 (2014).
- Hetze, S., Romer, C., Teufelhart, C., Meisel, A., Engel, O. Gait analysis as a method for assessing neurological outcome in a mouse model of stroke. J Neurosci Methods. 206 (1), 7-14 (2012).
- Preisig, D. F., et al. High-speed video gait analysis reveals early and characteristic locomotor phenotypes in mouse models of neurodegenerative movement disorders. Behav Brain Res. 311, 340-353 (2016).
- Leblond, H., L'Esperance, M., Orsal, D., Rossignol, S. Treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. J Neurosci. 23 (36), 11411-11419 (2003).
- Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Exp Neurol. 230 (2), 280-290 (2011).
- Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nat Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
- Pearson, K. G., Acharya, H., Fouad, K. A new electrode configuration for recording electromyographic activity in behaving mice. J Neurosci Methods. 148 (1), 36-42 (2005).
- Balkaya, M., Krober, J. M., Rex, A., Endres, M. Assessing post-stroke behavior in mouse models of focal ischemia. J Cereb Blood Flow Metab. 33 (3), 330-338 (2013).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. J Neurophysiol. 111 (3), 694-703 (2014).
- Taylor, T. N., Greene, J. G., Miller, G. W. Behavioral phenotyping of mouse models of Parkinson's disease. Behav Brain Res. 211 (1), 1-10 (2010).
- Chen, K., et al. Differential Histopathological and Behavioral Outcomes Eight Weeks after Rat Spinal Cord Injury by Contusion, Dislocation, and Distraction Mechanisms. J Neurotrauma. 33 (18), 1667-1684 (2016).
- de Bruin, N. M., et al. Multiple rodent models and behavioral measures reveal unexpected responses to FTY720 and DMF in experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 300, 160-174 (2016).
- Steinman, L., Zamvil, S. S. How to successfully apply animal studies in experimental allergic encephalomyelitis to research on multiple sclerosis. Ann Neurol. 60 (1), 12-21 (2006).
- Emerson, M. R., Gallagher, R. J., Marquis, J. G., LeVine, S. M. Enhancing the ability of experimental autoimmune encephalomyelitis to serve as a more rigorous model of multiple sclerosis through refinement of the experimental design. Comp Med. 59 (2), 112-128 (2009).
- Bittner, S., Afzali, A. M., Wiendl, H., Meuth, S. G. Myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG35-55) induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in C57BL/6 mice. J Vis Exp. (86), (2014).
- Beeton, C., Garcia, A., Chandy, K. G. Induction and clinical scoring of chronic-relapsing experimental autoimmune encephalomyelitis. J Vis Exp. (5), e224 (2007).
- Barthelmes, J., et al. Induction of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis in Mice and Evaluation of the Disease-dependent Distribution of Immune Cells in Various Tissues. J Vis Exp. (111), (2016).
- Shaw, M. K., Zhao, X. Q., Tse, H. Y. Overcoming unresponsiveness in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) resistant mouse strains by adoptive transfer and antigenic challenge. J Vis Exp. (62), e3778 (2012).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Passive induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1952-1960 (2006).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Active induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1810-1819 (2006).
- Fiander, M. D., Stifani, N., Nichols, M., Akay, T., Robertson, G. S. Kinematic gait parameters are highly sensitive measures of motor deficits and spinal cord injury in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 317, 95-108 (2017).
- Jones, M. V., et al. Behavioral and pathological outcomes in MOG 35-55 experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmunol. 199 (1-2), 83-93 (2008).
- van den Berg, R., Laman, J. D., van Meurs, M., Hintzen, R. Q., Hoogenraad, C. C. Rotarod motor performance and advanced spinal cord lesion image analysis refine assessment of neurodegeneration in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neurosci Methods. 262, 66-76 (2016).
- Sasaki, M., Lankford, K. L., Brown, R. J., Ruddle, N. H., Kocsis, J. D. Focal experimental autoimmune encephalomyelitis in the Lewis rat induced by immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein and intraspinal injection of vascular endothelial growth factor. Glia. 58 (13), 1523-1531 (2010).
- Merkler, D., Ernsting, T., Kerschensteiner, M., Bruck, W., Stadelmann, C. A new focal EAE model of cortical demyelination: multiple sclerosis-like lesions with rapid resolution of inflammation and extensive remyelination. Brain. 129 (Pt 8), 1972-1983 (2006).
- Franco-Pons, N., Torrente, M., Colomina, M. T., Vilella, E. Behavioral deficits in the cuprizone-induced murine model of demyelination/remyelination. Toxicol Lett. 169 (3), 205-213 (2007).
- Goldberg, N. R., Hampton, T., McCue, S., Kale, A., Meshul, C. K. Profiling changes in gait dynamics resulting from progressive 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced nigrostriatal lesioning. J Neurosci Res. 89 (10), 1698-1706 (2011).
