운동학 및 그라운드 반력 결정 : 젊은 성인, 중년과 노인 쥐의 데모 Quantifying 운전하는 능력

본 영상은 자유롭게 행동하는 쥐의 지면 반력과 뒷다리 운동학을 측정하는 절차를 보여줍니다. 우선 쥐가 먹이 보상을 받기 위해 일관되게 런웨이를 가로지르도록 훈련시킵니다. 그 후 뒷다리의 주요 지형학적 해부학적 지점에 반사 마커를 부착합니다.

동물이 먹이 보상을 향해 이동하는 동안 비디오 녹화와 지면 반력 데이터가 수집됩니다. 반사 마커를 디지털화하여 데이터를 사후 분석합니다. 다양한 질환 모델 쥐에서 운동 능력의 정성적 및 정량적 차이가 관찰됩니다.

안녕하세요, 제 이름은 Aubrey Webb입니다. 저는 캐나다 앨버타주 캘거리의 캘거리 대학교 수의과대학 및 Hotchkiss 뇌 연구소의 조교수입니다. 운동 능력 평가 척도나 기타 종점 측정법과 같은 기존 방법들에 비해 이 기술이 갖는 주요 장점은, 보행 쥐 그룹 간의 미세한 차이를 구별하는 데 도움이 되는 민감하고 객관적이며 정량적인 데이터를 제공한다는 점입니다.

이 방법은 잠재적 치료제의 효과가 무엇인지와 같이 신경과학 및 정형외과 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 실제 효과가 있음에도 효과가 없다고 주장하게 될 가능성이 낮기 때문에, 이 기술의 응용 범위는 다양한 질환 모델의 치료법으로 확대됩니다. 또한, 이 기술을 사용함으로써 이 방법은 쥐의 운동 능력에 대한 통찰을 제공합니다.

또한 이 방법은 다양한 동물 종의 여러 신경계 및 정형외과적 질환 모델과 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 일반적으로 이 방법이 처음인 연구자는 생체역학 분석에 상당한 시간과 인내심이 필요하기 때문에 어려움을 겪을 수 있으며, 데이터 분석의 문제를 해결하기 위해서는 생체역학에 대한 심도 있는 지식이 필요합니다. 이 방법론은 수십 년 동안 여러 종에서 사용되어 왔으나, 상용 장비의 보급으로 인해 최근에야 설치류에 적용할 수 있게 되었습니다. 쥐의 운동 능력을 측정하는 첫 번째 단계는 각 동물이 평평한 표면의 폐쇄형 통로를 가로지르도록 훈련시키는 것입니다.

적절한 동물 공급업체로부터 쥐를 인도받은 후, 동물들을 새로운 환경에 적응시켜야 합니다. 적응 기간은 1주일입니다. 이 적응 기간 동안 쥐의 케이지에 치리오스(Cheerios) 시리얼을 여러 개 넣어 둡니다.

비만을 방지하고 이후 과제 수행에 대한 동기를 부여하기 위해, 동물들의 일일 식이를 유지 에너지 요구량으로 제한합니다. 일주일 동안 매일 같은 시간대에 각 동물을 10~15분간 핸들링하며, 양 끝에 Cheerios를 배치한 런웨이에 각 동물을 넣습니다. 동물들이 환경에 익숙해지면 Cheerios를 먹기 시작할 것입니다.

동물이 활주로 내에서 치리오(Cheerios)를 먹는 것에 익숙해지면, 먹이 보상을 위해 활주로 전체 길이를 달리도록 조작적 조건형성을 시켜야 합니다. 이는 쥐가 위치한 곳의 반대편 활주로 끝으로 치리오 1/4 조각을 던져줌으로써 수행합니다. 쥐가 이 치리오 조각을 먹으면, 활주로의 다른 쪽 끝에 다시 치리오 1/4 조각을 놓습니다.

쥐가 질주하거나 도약하지 않고 일정한 트로팅(trotting) 속도로 런웨이를 따라 이동하여 시리얼을 먹을 때까지 이 과정을 반복하십시오. 이 작업에 동물들을 과도하게 조건화하면 질주 및 도약 보행이 나타날 수 있으며, 이는 생체역학적으로 해석하기 더 어렵습니다. 이제 관절 위치 표시법 4단계를 어떻게 수행하는지 살펴보겠습니다.

네 사지에 피부 마커를 부착할 때 발생하는 심한 웅크린 자세와 그에 따른 피부 움직임 아티팩트로 인해 사지 운동학 분석의 신뢰도가 떨어집니다. 대신, 전지의 운동학은 X선 시네마토그래피 또는 투시 촬영을 통해 구현해야 합니다. 따라서 이 영상에서는 후지 관절 위치 마커 부착 방법만을 설명하겠습니다.

동물에게 마취를 실시한 후, 뒷다리와 등의 장골능 높이까지 털을 깎아냅니다. 그 다음 동물을 외부 앙와위(external recumbent)로 배치하고, 독성이 없는 영구 마커를 사용하여 지지해 줄 단단한 패킹 폼을 이용해 뒷다리를 대략적인 기립 자세로 고정합니다. 장골능의 가장 머리쪽 부분, 대퇴골의 대전자, 경골의 외측 결절, 족근관절, 그리고 제5 중족골의 원위 및 외측 부분을 표시합니다.

쥐가 자연스러운 그루밍 행동을 통해 마커를 서서히 제거하므로, 이전에 표시한 해부학적 지표를 매일 다시 강조해 주어야 합니다. 이제 데이터를 기록하는 방법을 살펴보겠습니다. 런웨이의 미리 지정된 구역 내에 캘리브레이션 볼륨을 배치하십시오.

각 카메라에서 런웨이 내 보정 볼륨의 단일 프레임을 캡처합니다. 녹화 세션을 시작하기 전에 각 카메라의 뷰를 확인하십시오. 네 대의 카메라 모두 시야가 동일한지, 그리고 중앙의 포스 플레이트와 두 걸음을 포착하기에 충분한 길이의 런웨이가 포함되어 있는지 확인하십시오.

각 폴의 길이를 따라 표시된 모든 교정 마크를 디지털화합니다. 이 교정 단계는 데이터 수집 전에 매우 중요합니다. 교정이 정확하게 수행되지 않거나 기록 세션 직전에 이루어지지 않으면, 결과로 도출되는 모든 데이터는 부정확하며 사용할 수 없게 됩니다.

디지타이징에서 만족스러운 오차 범위가 달성되었을 때만, 동물을 런웨이에 배치하기 직전에 운동 데이터를 수집하는 단계로 진행하십시오. 동물의 체중을 기록하고 뒷다리의 지형적 랜드마크에 미리 표시해 둔 펠트 표시 위에 원추형 반사 피부 마커를 부착하십시오. 뒷다리에 마커를 부착한 후, 컴퓨터 앞에 앉아 Vicon 모터 시스템에 연결된 이벤트 마커를 준비하십시오.

보정된 파일을 템플릿으로 사용하여 기록 전 여러 개의 파일을 생성합니다. 일반적으로 포함 기준과 속도를 포함하여 충분한 횟수의 실행 데이터가 수집되도록 25~30개의 파일이 필요합니다. 파일 생성이 완료되면 데이터 수집을 시작합니다.

먼저, 세심한 조정과 타이밍에 맞춰 런웨이 양 끝에 Cheerios 조각 4개를 던져 쥐가 런웨이 내에서 왕복하도록 유도합니다. 이벤트 마커는 쥐가 왕복을 시작할 때와 런웨이를 성공적으로 통과하기 직전에 트리거됩니다. 가공되지 않은 지면 반발력의 힘 추적(force tracing) 결과를 검토하고, 왼쪽 또는 오른쪽 사지가 힘판(force plate)에 닿았는지 기록한 후 파일을 저장하고 닫습니다.

좌우 사지의 포스 플레이트 접촉 횟수가 동일하게 기록되어야 합니다. 주어진 회차의 데이터를 기록하는 과정은 충분한 횟수의 회차가 기록될 때까지 반복합니다. 이제 운동학 및 지면 반력에 대한 데이터 수집을 완료한 후, 해당 회차의 데이터를 분석하는 방법을 살펴보겠습니다. 모든 동물의 각 회차는 vicon modus 소프트웨어와 두 개의 상대적으로 고정된 마커를 사용하여 속도를 평가해야 합니다.

예를 들어, 회장의 날개(wings of the ileum)를 사용하여 마커 사이의 가상 지점을 평가할 수 있습니다. 이를 통해 해당 가상 지점의 수평 방향 속도를 계산할 수 있으며, 동물이 60~90 cm/s 사이로 이동하는 회차만 분석에 포함합니다. 분석을 위해서는 최소 10회의 회차가 필요합니다.

왼쪽 다리가 힘 측정 플랫폼에 접촉하는 실험 5회와 오른쪽 다리가 힘 측정 플랫폼에 접촉하는 실험 5회를 수행합니다. 각 동물에 대해 적합한 실험 회차가 확인되면, 피부 움직임을 보정하기 위해 나머지 피부 마커의 디지털화 작업을 완료해야 합니다. 무릎 위치의 아티팩트 추정치는 삼각측량법과 고관절, 무릎 및 H 관절 각도를 사용하여 계산합니다.

속도와 가속도를 측정하며, 입각기 및 유각 시간 또한 평가할 수 있습니다. 동시에 수집된 지면 반력 데이터를 동일한 소프트웨어를 사용하여 분석함으로써 세 가지 직교 방향 각각에 대한 다양한 힘 변수들을 계산할 수 있습니다. 동시에 수집된 지면 반력 데이터를 동일한 소프트웨어를 사용하여 분석함으로써 세 가지 직교 방향 각각에 대한 다양한 힘 변수들을 계산할 수 있습니다.

이제 이러한 형태의 운동 분석의 유용성을 보여주는 몇 가지 대표적인 결과를 제시하겠습니다. 젊은, 중년 및 노령의 암컷 Wistar 쥐를 대상으로 운동학 및 지면 반력(ground reaction forces)을 측정하였습니다. 이 분석을 통해 암컷 Wistar 쥐의 연령별 차이를 확인하였습니다.

특히, 지면 반력 분석 결과 고령 쥐는 다른 동물 그룹에 비해 네 다리의 제동 능력이 감소했으며, 측면 안정화를 위해 뒷다리를 더 사용하는 경향이 있는 것으로 나타났으나, 운동학적 분석에서는 각 그룹 간에 통계적 차이가 발견되지 않았습니다. 이는 거의 모든 연령대의 쥐에서 운동학적 데이터를 용이하게 기록할 수 있음을 보여줍니다. 본 절차를 수행할 때는 데이터 수집 직전 또는 직후에 동물의 체중을 측정하고, 데이터 수집 전 시스템을 주의 깊게 교정하는 것이 중요합니다.

전신 동물 임상 전기생리학과 같은 다른 방법들을 사용하여 추가적인 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 운동학 및 지면 반력 결과가 신경 재생과 관련이 있는지, 아니면 말초 신경 재생과 같은 더 광범위한 형태의 신경 해부학적 가소성과 관련이 있는지 확인할 수 있습니다. 이 영상을 시청하고 나면, 시판되는 장비를 사용하여 자유롭게 행동하는 쥐로부터 지면 반력 및 뒷다리 운동학 데이터를 수집하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.