קינמטיקה ואת תגובת קרקע חיל קביעת: הפגנה כימות של תנועה היכולות של מבוגרים צעירים, בגיל העמידה, ועל החולדות הגריאטרי

סרטון זה מדגים פרוצדורה למדידת כוחות תגובה של הקרקע וקינמטיקה של הגפיים האחוריות בחולדות בעלות התנהגות חופשית. תחילה, החולדות מאומנות לחצות באופן עקבי מסלול הליכה כדי לקבל תגמול של מזון. לאחר מכן, מוצבים סמנים מחזירי אור בנקודות ציון אנטומיות טופוגרפיות מרכזיות בגפיים האחוריות.

הקלטות וידאו ונתוני כוח תגובה מהקרקע נאספים בזמן שהחיה נעה כדי להשיג תגמול של מזון. המארקרים המחזירי אור עוברים דיגיטציה והנתונים מעובדים רטרוספקטיבית. הבדלים איכותניים וכמותיים ביכולות התנועה נצפים בחולדות ממגוון מודלים של מחלות.

שלום, שמי הוא Aubrey Webb. אני מרצה בכירה בפקולטה לרפואה וטרינרית ובמכון המוח Hotchkiss באוניברסיטת קלגרי בקלגרי, אלברטה, קנדה. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון סולמות דירוג תנועה ומדדי קצה אחרים, הוא ששיטה זו מספקת נתונים כמותיים, אובייקטיביים ורגישים המסייעים להבחין בהבדלים דקים בין קבוצות של חולדות נעות.

שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחומי מדעי המוח והאורתופדיה, כגון השפעותיהם של חומרים תרופתיים פוטנציאליים. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על טיפולים במודלים שונים של מחלות, שכן הסבירות להסקנה שאין השפעה כאשר קיימת כזו היא מוגבלת. באמצעות שימוש בטכניקה זו, מספקת שיטה זו תובנות לגבי תנועת חולדות.

ניתן ליישם זאת גם במערכות אחרות, כגון מודלים שונים של מחלות נוירולוגיות ואורתופדיות במגוון מיני בעלי חיים. באופן כללי, אנשים שאינם בקיאים בשיטה זו עלולים להיתקל בקשיים, כיוון שניתוח ביומכני דורש זמן וסבלנות considerables, וכיוון שנדשעים ידע מתקדם בביומכניקה כדי לפתור בעיות בניתוח הנתונים. מתודולוגיה זו נמצאת בשימוש במינים מרובים מזה מספר עשורים, אך רק לאחרונה היא הפכה לזמינה לשימוש במכרסמים הודות לציוד הזמין מסחרית. השלב הראשון במדידת יכולות התנועה של חולדות הוא אימון כל בעל חיים לחצות מסלול תנועה שטוח וסגור.

עם קבלת החולדות מספק בעלי חיים מתאים, יש להתאים את בעלי החיים לסביבתם החדשה למשך שבוע אחד. במהלך זמן אקלימציה זה, יש להניח מספר דגני Cheerios בכלוב של החולדה.

מגבילים את התזונה היומית של בעלי החיים לדרישות האנרגיה לתחזוקה, זאת כדי למנוע השמנה ולהבטיח מוטיבציה לביצוע המטלה לאחר מכן. מטפלים בכל בעל חיים במשך 10 עד 15 דקות מדי יום במשך שבוע באותו פרק זמן, ומניחים כל בעל חיים במסלול שבו ממוקמים Cheerios בכל אחד מקצותיו. כאשר בעלי החיים יתרגלו לסביבתם, הם יתחילו לאכול את ה-Cheerios.

לאחר שהחיה רגילה לאכול Cheerios בתוך המסלול, יש להעבירה התנייה אופרנטית כדי שתרוץ לאורך המסלול עבור תגמול של מזון. זאת מבצעים על ידי השלכת רבע פתית cheerio לקצהו הנגדי של המסלול שבו נמצא החולדה. ברגע שהחולדה אוכלת את פתית ה-cheerio הזה, מניחים רבע פתית cheerio נוסף בקצה השני של המסלול.

חזור על פעולה זו עד שהחולדה נעה בעקביות לאורך מסלול הריצה במהירות טרוט קבועה כדי לאכול את ה-cheerio ללא גלופ או קפיצות. התניית בעלי החיים למשימה זו עלולה להוביל לדפוסי הליכה של גלופ וקפיצות, שביומכנית קשה יותר לפרש אותם. כעת נראה כיצד לבצע סימון של מיקומי המפרקים.

ניתוח קינמטי של הגפיים אינו מהימן בשל תנוחת הכריעה החמורה וארטיפקט תנועת העור הנובע מהצבת סמני עור על ארבע הגפיים. במקום זאת, יש לבצע ניתוח קינמטי של הגפיים הקדמיות באמצעות צילומי רנטגן סינמטוגרפיים או פלואורוסקופיה. לפיכך, סרטון זה יתאר אך ורק את מיקום סמני המפרקים בגפיים האחוריות.

לאחר הרדמת בעל החיים, גלחו את הגפיים האחוריות ואת הגב עד לגובה רכס הכסל (iliac crests). לאחר מכן, הניחו את בעל החיים במצב שכיבה חיצונית וסדרו את גפיו האחוריות בתנוחה הדומה לעמידה, תוך שימוש בספוג תמיכה קשיח לייצוב. סמנו בעזרת טוש קבוע לא רעיל את החלקים הקרניאליים ביותר של רכס הכסל, את ה-greater trochanter של הפמור, את הבליטה הטיביאלית הלטרלית (lateral tibial protuberance), את מפרק קרסול (tarsal joint), ואת ההיבט הדיסטלי והלטרלי של המטטרסאל החמישי.

נדרש סימון חוזר יומי של נקודות הציון האנטומיות שסומנו קודם לכן, מכיוון שהחולדות יסירו לאט את הסימונים באמצעות התנהגות טיפוח טבעית. כעת נראה כיצד להקליט נתונים. מקמו את נפח הכיול בתוך האזור שנקבע מראש במסלול.

נלכדת פרימה בודדת של נפח הכיול בתוך מסלול הריצה מכל אחת מהמצלמות. לפני תחילת סשן ההקלטה, יש לבחון את התצוגה מכל מצלמה. ודאו ששדה הראייה זהה בכל ארבע המצלמות, ושהוא כולל את פלטת הכוח (force plate) במרכז, ואורך מסלול מספיק ללכידה של שני צעדים.

כל הסימונים המכויילים לאורך כל אחד מהמוטות עוברים דיגיטציה. שלב כיול זה הוא קריטי לפני איסוף הנתונים. אם הכיול לא יבוצע במדויק או לא יתבצע מיד לפני מפגש ההקלטה, כל הנתונים שיתקבלו יהיו לא מדויקים ולא ניתנים לשימוש.

רק לאחר שהושגה רמת שגיאה מספקת בדיגיטציה, התקדמו לאיסוף נתוני לוקומוציה מיד לפני הנחת בעל החיים במסלול הריצה. רשמו את משקלו והדביקו סמני עור קוניים מחזירי אור על סימוני הלבד שנקבעו מראש בנקודות הציון הטופוגרפיות של הגפה האחורית. לאחר הנחת הסמנים על הגפיים האחוריות, התיישבו ליד המחשב והחזיקו בידכם את מסמן האירועים המחובר דרך מערכת המנועים של Vicon.

בעזרת הקובץ המכויל כתבנית, צור מספר קבצים לפני תחילת ההקלטה. בדרך כלל נדרשים בין 25 ל-30 קבצים כדי להבטיח איסוף של מספר מספיק של ריצות, כלומר עמידה בקריטריוני ההכללה, ושל מהירות. לאחר יצירת הקבצים, התחל באיסוף הנתונים.

ראשית, גרמו לחולדה לנוע הלוך ושוב במסלול על ידי השלכת רבעי דגני Cheerios לשני קצות המסלול, תוך תזמון ותיאום מדויקים. סימון האירוע (event marker) מופעל בתחילת התנועה ורגע לפני שהחולדה משלימה בהצלחה מעבר לאורך המסלול. לאחר בחינת תגובת הקרקע הגולמית, עקב הכוח ובדיקה האם הגפיים השמאליות או הימניות פגעו בלוח הכוח, שמרו וסגרו את הקובץ.

יש להקליט מספרים שווים של פגיעות בלוחות הכוח של הגפיים השמאליות והימניות. תהליך הקלטת הנתונים מריצה נתונה חוזר על עצמו עד להקלטת מספר מספיק של ריצות. כעת נראה כיצד לנתח את הנתונים מהריצות; עם השלמת איסוף הנתונים עבור קינמטיקה וכוחות תגובה מהקרקע, יש להעריך את המהירות של כל ריצה מכל בעל חיים באמצעות תוכנת vicon modus, ושני סמנים קבועים יחסית.

לדוגמה, ניתן להשתמש בכנפי ה-ileum כדי להעריך נקודה וירטואלית בין הסמנים. ניתן לחשב את המהירות של נקודה וירטואלית זו בכיוון האופקי; במקרה זה, נכללות רק ריצות שבהן בעל החיים נע במהירות של 60 עד 90 סנטימטר לשנייה. לצורך הניתוח, נדרשים לפחות 10 ריצות.

חמישה הרצות שבהן הגפה השמאלית יוצרת מגע עם פלטפורמת הכוח, וחמישה הרצות שבהן הגפה הימנית יוצרת מגע עם פלטפורמת הכוח. לאחר זיהוי ההרצות הקבילות עבור כל חיה, יש להשלים את הדיגיטציה של שאר סימני העור כדי לפצות על תנועת העור. הערכת מיקום הברך תוך התחשבות בארטיפקט מעל הברך מחושבת באמצעות טריאנגולציה, וזוויות המפרקים של הירך, הברך וה-H.

מהירויות ותאוצות נקבעות, וניתן להעריך גם את זמני הנשיאה והנדנוד. נתוני כוח התגובה מהקרקע שנאספו בו-זמנית מנותחים באמצעות אותה תוכנה, ובאמצעותה ניתן לחשב מגוון משתנים עבור כוחות בכל אחד משלושת הכיוונים האורתוגונליים. נתוני כוח התגובה מהקרקע שנאספו בו-זמנית מנותחים באמצעות אותה תוכנה, ובאמצעותה ניתן לחשב מגוון משתנים עבור כוחות בכל אחד משלושת הכיוונים האורתוגונליים.

כעת נציג מספר תוצאות מייצגות המדגימות את התועלת של צורה זו של ניתוח תנועה. קינמטיקה וכוחות תגובת קרקע נקבעו עבור חולדות Wistar נקבות צעירות, בגיל העמידה ובגיל השלישי. מניתוח זה נמצאו הבדלים תלויי גיל עבור חולדות Wister נקבות.

בפרט, ניתוח של כוחות התגובה מהקרקע מדגים כי לחולדות גריאטריות יש יכולת בלימה מופחתת בארבע הגפיים, וכי הן נוטות להשתמש יותר בגפיים האחוריות לצורך ייצוב צדי בהשוואה לקבוצות החיות האחרות; עם זאת, ניתוח קינמטי לא העלה הבדלים סטטיסטיים בין הקבוצות. הדבר מוכיח כי ניתן להקליט נתונים קינמטיים בקלות מחולדות כמעט בכל גיל. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לשקול את החיה מיד לפני או מיד אחרי איסוף הנתונים, ולכייל את המערכת בקפידה לפני איסוף הנתונים בהתאם להנחיות אלו.

ניתן להשתמש בשיטות אחרות, כגון אלקטרופיזיולוגיה קלינית של בעל חיים שלם, כדי לענות על שאלות נוספות. לדוגמה, האם הממצאים של קינמטיקה וכוח תגובה מהקרקע קשורים לניוורגנרציה או לצורה רחבה יותר של פלסטיות נוירו-אנטומית, למשל, בניוורגנרציה של עצבים פריפריים? לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי אופן איסוף נתוני כוח תגובה מהקרקע ונתונים קינמטיים של הגפיים האחוריות מחולדות בעלות התנהגות חופשית באמצעות ציוד זמין מסחרית.