Kinematik und Ground Reaction Force Bestimmung: Eine Demonstration Quantifizierung Bewegungsapparat Fähigkeiten der jungen Erwachsenen im mittleren Alter, und Geriatrische Rats

Dieses Video demonstriert ein Verfahren zur Messung der Bodenreaktionskräfte und der Hintergliedmaßen-Kinematik bei frei verhaltenden Ratten. Zunächst werden die Ratten trainiert, regelmäßig eine Laufbahn für eine Futterbelohnung zu durchlaufen. Anschließend werden reflektierende Marker an wichtigen topographischen anatomischen Landmarken der Hintergliedmaßen platziert.

Während das Tier sich zur Belohnung mit Futter fortbewegt, werden Videoaufnahmen und Daten der Bodenreaktionskräfte erfasst. Die reflektierenden Marker werden digitalisiert und die Daten anschließend retrospektiv verarbeitet. Bei Ratten verschiedener Krankheitsmodelle zeigen sich qualitative und quantitative Unterschiede in den motorischen Fähigkeiten.

Hallo, mein Name ist Aubrey Webb. Ich bin Assistenzprofessorin an der Fakultät für Veterinärmedizin und am Hotchkiss Brain Institute der University of Calgary in Calgary, Alberta, Kanada. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Bewegungsbeurteilungsskalen und anderen Endpunktmessungen besteht darin, dass sie empfindliche, objektive, quantitative Daten liefert, um subtile Unterschiede zwischen Gruppen von laufenden Ratten zu unterscheiden.

Diese Methode kann dabei helfen, zentrale Fragen im Bereich der Neurowissenschaften und Orthopädie zu beantworten, beispielsweise welche Wirkungen ein potenzieller therapeutischer Ansatz hat. Die Bedeutung dieser Technik reicht über verschiedene Krankheitsmodelle hinweg, da die Wahrscheinlichkeit, einen vorhandenen Effekt nicht nachzuweisen, begrenzt ist. Mithilfe dieser Technik liefert die Methode Einblicke in die Fortbewegung von Ratten.

Sie kann auch auf andere Systeme angewendet werden, wie beispielsweise verschiedene Modelle neurologischer und orthopädischer Erkrankungen bei einer Vielzahl von Tierarten. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da die biomechanische Analyse viel Zeit und Geduld erfordert und fortgeschrittene Kenntnisse der Biomechanik notwendig sind, um Probleme bei der Datenanalyse zu beheben. Diese Methodik wird bereits seit mehreren Jahrzehnten bei mehreren Tierarten eingesetzt, doch erst kürzlich wurde sie aufgrund kommerziell verfügbarer Ausrüstung auch für Nagetiere zugänglich. Der erste Schritt zur Messung der lokomotorischen Fähigkeiten von Ratten besteht darin, jedes Tier darauf zu trainieren, eine flache, eingehüllte Laufbahn zu überqueren.

Nach Erhalt der Ratten von einer geeigneten Tierlieferfirma sollten die Tiere an ihre neue Umgebung gewöhnt werden, und zwar für eine Woche. Während dieser Eingewöhnungszeit mehrere Cheerios in den Rattenkäfig geben.

Täglich werden die Tiere auf ihre Erhaltungsenergiebedarfe beschränkt, um Fettleibigkeit zu vermeiden und die Motivation sicherzustellen, die Aufgabe anschließend durchzuführen. Jedes Tier täglich über einen Zeitraum von 10 bis 15 Minuten für eine Woche lang zur gleichen Tageszeit anfassen und jedes Tier in die Laufbahn setzen, wobei Cheerios an beiden Enden platziert werden. Wenn die Tiere sich mit ihrer Umgebung vertraut gemacht haben, beginnen sie, die Cheerios zu fressen.

Sobald das Tier daran gewöhnt ist, Cheerios in der Bahn zu fressen, muss es operant konditioniert werden, die gesamte Länge der Bahn für eine Futterbelohnung zu durchlaufen. Dies wird erreicht, indem ein Viertel eines Cheerios an das gegenüberliegende Ende der Bahn geworfen wird, wo sich die Ratte befindet. Sobald die Ratte dieses Cheerios gefressen hat, wird ein weiteres Viertel eines Cheerios am anderen Ende der Bahn platziert.

Wiederholen Sie dies, bis die Ratte sich konstant mit einem gleichmäßigen Trabtempo entlang der Bahn bewegt, um das Cheerio zu fressen, ohne zu galoppieren oder zu springen. Eine Konditionierung der Tiere an diese Aufgabe kann zu Galopp- und Sprungbewegungen führen, die biomechanisch schwieriger zu interpretieren sind. Nun zeigen wir, wie man die Gelenkpositionierung durchführt. Markierung vier.

Die kinematische Analyse der Gliedmaßen ist aufgrund der stark gebeugten Haltung und der daraus resultierenden Bewegungsartefakte der Haut unzuverlässig, die entstehen, wenn Hautmarker an den vier Gliedmaßen angebracht werden. Stattdessen müssen die Kinematik der Vordergliedmaßen mittels Röntgen-Zeitlupenaufnahmen oder Durchleuchtung erfasst werden. Daher beschreibt dieses Video ausschließlich die Platzierung der Gelenkpositions-Marker am Hinterbein.

Nachdem das Tier anästhesiert wurde, rasieren Sie die Hintergliedmaßen und den Rücken bis zur Höhe der Darmbeinkämme. Anschließend legen Sie das Tier in äußere Rückenlage und bringen Sie die Hintergliedmaßen mithilfe einer festen Polsterschaumstoffunterlage in eine annähernd stehende Position, um es zu stützen, und markieren Sie es mit einem ungiftigen, permanenten Markierstift. Die am kranialsten gelegenen Abschnitte der Darmbeinkämme, der große Trochanter des Femurs, der laterale Tibiavorsprung, das Tarsalgelenk sowie das distale und laterale Ende des fünften Mittelfußknochens.

Die tägliche erneute Markierung der zuvor gekennzeichneten anatomischen Landmarken ist erforderlich, da Ratten die Markierungen durch ihr natürliches Pflegeverhalten nach und nach entfernen. Nun sehen wir uns an, wie Daten aufgezeichnet werden. Platzieren Sie das Kalibrierungsvolumen innerhalb des vorbestimmten Bereichs der Laufbahn.

Ein einzelner Frame des Kalibrierungsvolumens innerhalb der Laufbahn wird von jeder der Kameras aufgenommen. Vor dem Start einer Aufnahmesitzung überprüfen Sie die Ansicht jeder Kamera. Stellen Sie sicher, dass das Sichtfeld bei allen vier Kameras identisch ist und die Kraftmessplatte in der Mitte sowie eine ausreichende Länge der Laufbahn umfasst, um zwei Schritte zu erfassen.

Alle kalibrierten Markierungen entlang der Länge jedes der Pollen werden digital erfasst. Dieser Kalibrierungsschritt ist vor dem Datensammeln entscheidend. Wenn die Kalibrierung nicht genau durchgeführt wird oder nicht unmittelbar vor einer Aufnahmesitzung erfolgt, sind alle resultierenden Daten ungenau und unbrauchbar.

Erst wenn ein zufriedenstellender Fehler bei der Digitalisierung erreicht ist, fahren Sie unmittelbar vor dem Platzieren des Tieres auf der Laufbahn mit der Erfassung der Bewegungsdaten fort. Notieren Sie das Gewicht und befestigen Sie konische reflektierende Hautmarker an den zuvor auf den topographischen Landmarken der Hintergliedmaßen angebrachten Filzmarkierungen. Sobald die Marker an den Hintergliedmaßen angebracht sind, setzen Sie sich an den Computer und halten den über das Vicon-Motorsystem verbundenen Ereignismarker bereit.

Die Verwendung der kalibrierten Datei als Vorlage ermöglicht die Erstellung mehrerer Dateien vor der Aufnahme. Typischerweise sind 25 bis 30 Dateien erforderlich, um sicherzustellen, dass ausreichend viele Durchläufe, gemäß den Einchlusskriterien, sowie die Geschwindigkeit erfasst werden. Sobald die Dateien erstellt sind, beginnen Sie mit der Datensammlung.

Befördern Sie zunächst die Ratte dazu, innerhalb der Bahn hin und her zu laufen, indem Sie jeweils ein Viertel eines Cheerios an beiden Enden der Bahn mit sorgfältiger Koordination und zum richtigen Zeitpunkt werfen. Der Ereignismarkierer wird beim Start und unmittelbar vor dem erfolgreichen Durchlauf der Ratte entlang der Bahn ausgelöst. Nach Untersuchung der rohen Bodenreaktionskraftkurve und nach Aufzeichnung, ob die linken oder rechten Gliedmaßen die Kraftmessplatte berührt haben, speichern Sie die Datei und schließen Sie sie.

Gleiche Anzahlen von Kraftplatten-Aktivierungen der linken und rechten Gliedmaßen sollten aufgezeichnet werden. Der Vorgang der Datenaufnahme von einem bestimmten Durchlauf wird wiederholt, bis ausreichend viele Durchläufe erfasst wurden. Nun zeigen wir, wie die Daten der Durchläufe nach Abschluss der Datensammlung für die Kinematik und die Bodenreaktionskräfte analysiert werden: Jeder Durchlauf von jedem Tier muss mithilfe der Vicon Modus-Software anhand zweier relativ fester Marker hinsichtlich der Geschwindigkeit bewertet werden.

Beispielsweise können die Flügel des Ileums verwendet werden, um einen virtuellen Punkt zwischen den Markern zu bewerten. Dabei kann die Geschwindigkeit dieses virtuellen Punktes in horizontaler Richtung berechnet werden; es werden nur Durchläufe einbezogen, bei denen sich das Tier mit 60 bis 90 Zentimetern pro Sekunde bewegt. Für die Analyse sind mindestens 10 Durchläufe erforderlich.

Fünf Durchläufe, bei denen das linke Gliedmaßenende mit der Kraftmessplatte in Kontakt kommt, und fünf Durchläufe, bei denen das rechte Gliedmaßenende mit der Kraftmessplatte in Kontakt kommt. Sobald die akzeptablen Durchläufe für jedes Tier identifiziert sind, muss die Digitalisierung der verbleibenden Hautmarker abgeschlossen werden, um Hautbewegungen auszugleichen. Der Artefakt über der Kniegelenkschätzung der Knieposition wird mithilfe der Triangulation sowie der Hüft-, Knie- und H-Gelenkwinkel berechnet.

Es werden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bestimmt, außerdem können Stand- und Schwungphasenzeiten ausgewertet werden. Die gleichzeitig erfassten Daten der Bodenreaktionskräfte werden mit derselben Software analysiert, wobei eine Vielzahl von Variablen für die Kräfte in jeder der drei orthogonalen Richtungen berechnet werden kann. Die gleichzeitig erfassten Daten der Bodenreaktionskräfte werden mithilfe derselben Software ausgewertet, sodass verschiedene Variablen für die Kräfte in jeder der drei orthogonalen Richtungen berechnet werden können.

Nun zeigen wir einige repräsentative Ergebnisse, die die Nützlichkeit dieser Form der Bewegungsanalyse veranschaulichen. Kinematik und Bodenreaktionskräfte wurden für junge, mittelalte und ältere weibliche Wistar-Ratten bestimmt. Aus dieser Analyse ergaben sich altersbedingte Unterschiede bei weiblichen Wistar-Ratten.

Insbesondere zeigt die Analyse der Bodenreaktionskräfte, dass ältere Ratten eine verminderte Bremsfähigkeit aller vier Gliedmaßen aufweisen und im Vergleich zu den anderen Tiergruppen dazu neigen, ihre Hintergliedmaßen stärker für die seitliche Stabilisierung zu nutzen; die kinematische Analyse ergab jedoch keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen. Obwohl gezeigt wurde, dass Kinematik praktisch bei Ratten jeglichen Alters problemlos aufgezeichnet werden kann, ist es wichtig, die Tiere unmittelbar vor oder unmittelbar nach der Datenaufnahme zu wiegen und das System vor der Datensammlung sorgfältig gemäß diesem Verfahren zu kalibrieren.

Andere Methoden wie die klinische Elektrophysiologie am gesamten Tier können verwendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten. Zum Beispiel: Hängen die Ergebnisse zu Kinematik und Bodenreaktionskräften mit der neuralen Regeneration oder einer anderen umfassenderen Form der neuroanatomischen Plastizität zusammen, beispielsweise bei der Regeneration peripherer Nerven? Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Daten zu Bodenreaktionskräften und zur Hintergliedmaßen-Kinematik von frei verhaltenden Ratten mithilfe handelsüblicher Geräte erhebt.