运动学与地面反作用力测定：量化青年、中年和老年大鼠运动能力的示范实验

本视频演示了一种用于测量自由活动大鼠地面反作用力和后肢运动学参数的方法。首先训练大鼠以使其能够持续穿过跑道以获取食物奖励。随后，在后肢的关键解剖位置上放置反光标记点。

在动物为获取食物奖励而运动时，同步采集视频记录和地面反作用力数据。随后对反射标记点进行数字化处理，并对数据进行回顾性分析。在多种疾病模型的大鼠中，可观察到运动能力的定性与定量差异。

您好，我叫 Aubrey Webb。我是加拿大阿尔伯塔省卡尔加里市卡尔加里大学兽医学院以及霍奇基斯脑研究所的助理教授。与现有的运动能力评分量表及其他终点检测方法相比，该技术的主要优势在于能够提供敏感、客观且定量的数据，有助于区分不同组别运动大鼠之间细微的差异。

该方法有助于解答神经科学和骨科领域的一些关键问题，例如潜在治疗手段的效果如何。该技术的应用前景广泛，可拓展至多种疾病模型的治疗研究，因为该技术能有效降低在实际存在效应时错误判断为无效应的可能性。通过使用该技术，本方法可深入揭示大鼠的运动行为特征。

该方法也可应用于其他系统，例如多种动物物种的神经系统和骨科疾病的各种模型。通常，初次接触该方法的研究者会遇到困难，因为生物力学分析需要大量时间和耐心，且数据分析的故障排查需要具备生物力学方面的高级知识。该方法已在多个物种中使用了数十年，但直到最近才因商业化设备的出现而可用于啮齿类动物。测量大鼠运动能力的第一步是训练每只动物穿过一条平坦表面的封闭跑道。

从合适的动物供应商处接收大鼠后，应让动物在其新环境中适应一周时间。在此适应期间，将若干片 Cheerios 放入大鼠笼中。

每天将动物的食物摄入量限制在其维持能量需求的水平，以防止肥胖，并确保其后续执行任务时具有足够的动机。在一周内，每天于同一时间段内对每只动物进行10至15分钟的手动操作训练，将每只动物放入跑道中，跑道两端放置Cheerios麦圈。当动物熟悉其环境后，便会开始食用Cheerios麦圈。

当动物能够在跑道内舒适地进食Cheerios麦圈后，必须通过操作性条件反射训练使其跑过整个跑道以获得食物奖励。具体方法是将四分之一片Cheerios麦圈抛到大鼠所在位置的跑道另一端。一旦大鼠吃掉这片麦圈，立即在跑道的另一端再放置四分之一片麦圈。

重复此过程，直到大鼠能够以稳定的慢跑速度沿跑道行进，并在不出现奔跑或跳跃步态的情况下取食麦圈。若对动物的训练不当，可能导致其出现奔跑或跳跃步态，这些步态在生物力学上更难以解释。现在我们来看如何进行关节位置标记四。

由于四肢严重屈曲的姿势以及在四肢皮肤上放置标记物所导致的皮肤运动伪影，肢体运动学分析并不可靠。因此，前肢的运动学必须通过X射线电影摄影或透视技术来实现。本视频将仅描述后肢关节位置标记物的放置方法。

动物麻醉后，剃除后肢及背部至髂嵴水平的毛发。然后将动物置于外侧卧位，并使用坚固的泡沫包装材料将其后肢固定于近似站立的位置，再用无毒永久性记号笔标记以下解剖部位：髂嵴最前端、股骨大转子、胫骨外侧隆起、跗关节，以及第五跖骨的远端和外侧部位。

由于大鼠会通过自然的梳理行为逐渐去除标记，因此需要每天重新标示先前标记的解剖学标志点。现在让我们学习如何记录数据。将校准体积放置在跑道路段的预定区域内。

从每个摄像机捕获跑道内校准体积的单帧图像。在开始录制之前，检查每个摄像机的视野，确保四个摄像机的视野相同，并且均包含位于中央的测力台以及足够长的跑道，以完整捕捉两个步态周期。

必须对每根标杆长度方向上的所有校准刻度进行数字化处理。此校准步骤在采集数据之前至关重要。如果校准未准确执行，或未在录制会话前立即进行，则所有获得的数据都将不准确且无法使用。

只有在完成令人满意的数字化误差校正后，才立即在将动物放入跑道前采集其运动数据。记录动物的体重，并将圆锥形反光皮肤标记物粘附于后肢解剖标志点上预先标记的绒布位置。一旦标记物被放置在后肢上，立即坐到计算机前，并准备好通过Vicon运动系统连接的事件标记器。

使用校准文件作为模板，在记录前生成多个文件。通常需要 25 到 30 个文件，以确保收集到足够数量的符合纳入标准的运行次数和速度数据。文件创建完成后，开始采集数据。

首先，通过在跑道两端小心协调并把握时机投掷四分之一片的Cheerios麦片，诱导大鼠在跑道内穿梭。在大鼠开始移动时以及其成功完成一次跑道通过之前，触发事件标记。观察粗略的地面反作用力轨迹，并记录左肢或右肢是否接触测力台后，保存并关闭文件。

应记录相同数量的左肢和右肢测力台接触次数。重复记录单次试验的数据，直至获得足够数量的试验数据。现在我们来看一下，在完成运动学和地面反作用力的数据采集后，如何分析这些试验数据：需要使用Vicon Modus软件，通过两个相对固定的标记点，对每只动物的每次试验进行速度评估。

例如，可以利用回肠的翼部来评估标记物之间的虚拟点。通过这种方法，可计算该虚拟点在水平方向上的速度，仅包含动物移动速度在每秒60至90厘米范围内的运行数据。进行分析时，至少需要10次运行数据。

五次运行中左肢接触测力台，五次运行中右肢接触测力台。一旦确定每只动物的合格运行数据，必须完成其余皮肤标记点的数字化，以补偿皮肤移动的影响。通过三角测量法计算膝关节位置的估计伪影，该计算基于髋关节、膝关节和H关节的角度。

可以确定速度和加速度，同时也能评估支撑相和摆动相的时间。使用相同的软件分析同步采集的地面反作用力数据，可计算三个正交方向上力的多种变量。同步采集的地面反作用力数据通过相同软件进行分析，可计算出三个相互垂直方向上力的多种变量。

现在我们将展示一些代表性结果，以说明这种运动分析方法的实用性。已测定年轻、中年和老年雌性维斯特大鼠的运动学参数和地面反作用力。通过该分析，发现了雌性维斯特大鼠随年龄变化的差异。

特别是，地面反作用力分析表明，老年大鼠的四肢制动能力下降，并且与其它动物组相比，更倾向于使用后肢进行侧向稳定；而运动学分析未显示出各组之间存在统计学差异。尽管如此，该方法表明，几乎可以从任何年龄段的大鼠中成功记录运动学数据。在尝试执行此操作时，重要的是在采集数据前或采集数据后立即对动物进行称重，并在数据采集前严格按照本方案仔细校准系统。

其他方法，如整体动物临床电生理学，也可用于回答更多问题。例如，运动学和地面反作用力的发现是否与神经再生相关，或与更广泛的神经解剖可塑性有关，例如在外周神经再生过程中？观看本视频后，您应能充分了解如何使用市售设备从自由活动的大鼠中采集地面反作用力及后肢运动学数据。