Kinematica en Ground Reaction Force Vaststelling: een demonstratie kwantificeren Locomotorische Vaardigheden van de Young Adult, van middelbare leeftijd, en geriatrische ratten

Deze video demonstreert een procedure om grondreactiekrachten en de kinematica van de achterledematen bij vrij bewegende ratten te meten. Ratten worden eerst getraind om consistent over een loopbaan te lopen voor een voedbeloning. Vervolgens worden reflecterende markers geplaatst op belangrijke topografische anatomische kenmerken van de achterledematen.

Video-opnamen en gegevens over de grondreactiekracht worden verzameld terwijl het dier zich voortbeweegt naar de voedselbeloning. De reflecterende markers worden gedigitaliseerd en de gegevens worden retrospectief verwerkt. Kwalitatieve en kwantitatieve verschillen in de locomotorische vermogens worden waargenomen bij ratten van diverse ziekte-modellen.

Hallo, mijn naam is Aubrey Webb. Ik ben assistent-professor bij de Faculteit Veterinaire Geneeskunde en bij het Hotchkiss Brain Institute aan de Universiteit van Calgary in Calgary, Alberta, Canada. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals locomotieve beoordelingsschalen en andere eindpuntmetingen, is dat deze techniek gevoelige, objectieve en kwantitatieve gegevens levert die helpen om subtiele verschillen tussen groepen voortbewegende ratten te onderscheiden.

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van cruciale vragen in de neurowetenschappen en de orthopedie, zoals wat de effecten zijn van een potentieel therapeuticum. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot therapie voor diverse ziektemodellen, aangezien de kans dat er onterecht wordt geconcludeerd dat er geen effect is terwijl dit wel het geval is, beperkt is. Door gebruik te maken van deze techniek biedt deze methode inzicht in de locomotie van ratten.

Het kan ook worden toegepast op andere systemen, zoals diverse modellen van neurologische en orthopedische ziekten bij verschillende diersoorten. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite ondervinden omdat biomechanische analyse aanzienlijk veel tijd en geduld vereist, en omdat geavanceerde kennis van biomechanica nodig is om problemen bij de data-analyse op te lossen. Deze methodologie wordt al meerdere decennia bij verschillende soorten gebruikt, hoewel deze pas onlangs beschikbaar is gekomen voor gebruik bij knaagdieren dankzij commercieel verkrijgbare apparatuur. De eerste stap bij het meten van de locomotorische vermogens van ratten is om elk dier te trainen om een vlakke, ommuurde loopbaan over te steken.

Nadat de ratten van een geschikte dierleverancier zijn ontvangen, moeten de dieren aan hun nieuwe omgeving worden geacclimatiseerd gedurende één week. Plaats tijdens deze acclimatisatieperiode enkele Cheerios in de kooi van de rat.

Dieren worden dagelijks voedingsbeperkt tot hun onderhoudsenergiebehoefte om obesitas te voorkomen en om ervoor te zorgen dat ze daarna gemotiveerd zijn om de taak uit te voeren. Hanteer elk dier gedurende een week dagelijks 10 tot 15 minuten tijdens hetzelfde tijdvak; plaats elk dier in de looppiste met Cheerios aan beide uiteinden. Wanneer de dieren gewend zijn aan hun omgeving, zullen ze de Cheerios gaan eten.

Zodra het dier gewend is aan het eten van Cheerios binnen de gang, moet het via operante conditionering worden getraind om de volledige lengte van de gang af te leggen voor een voedbeloning. Dit wordt bereikt door een kwart Cheerio naar het uiteinde van de gang te werpen dat tegenovergesteld is aan de positie van de rat. Zodra de rat dit stukje Cheerio heeft opgegeten, wordt er opnieuw een kwart Cheerio aan het andere uiteinde van de gang geplaatst.

Herhaal dit totdat de rat consistent met een constante drafsnelheid over de loopbrug beweegt om de cheerio te eten, zonder te galوperen of te springen. Wanneer dieren voor deze taak worden geconditioneerd, kan dit leiden tot galoperende en springende gangen, die biomechanisch gezien moeilijker te interpreteren zijn. Laten we nu kijken naar de wijze waarop de markering van gewrichtsposities wordt uitgevoerd.

Kinematische analyse van de ledematen is onbetrouwbaar vanwege de sterk gehurkte houding en de daaropvolgende artefacten door huidverschuiving die ontstaan bij het plaatsen van huidmarkers op de vier ledematen. In plaats daarvan moet de kinematica van de voorpoten worden bepaald met behulp van röntgen-cinematografie of fluoroscopie. Daarom zal deze video uitsluitend de plaatsing van markers voor de positie van de gewrichten van de achterpoten beschrijven.

Zodra het dier is geanestheseerd, scheert u de achterpoten en de rug tot aan het niveau van de crista iliaca. Plaats het dier vervolgens in externe rugligging en breng de achterpoten in een benaderende staande positie met behulp van stevig pakschuim ter ondersteuning. Markeer met een niet-toxische permanente marker de meest craniale delen van de crista iliaca, het trochanter major van het femur, de tuberositas tibiae, het tarsale gewricht en het distale en laterale aspect van het vijfde metatarsaal.

Dagelijkse markering van de eerder aangegeven anatomische referentiepunten is noodzakelijk, aangezien ratten de markeringen langzaam zullen verwijderen door natuurlijk verzorgingsgedrag. Laten we nu bekijken hoe de gegevens moeten worden geregistreerd. Plaats het kalibratievolume binnen het vooraf bepaalde gebied van de loopbaan.

Van elke camera wordt een enkel frame van het kalibratievolume binnen de baan vastgelegd. Controleer voor het starten van een opnamesessie het beeld van elke camera. Zorg ervoor dat het gezichtsveld voor alle vier de camera's gelijk is, en dat dit de krachtplaat in het midden en een baanlengte bevat die voldoende is om twee passen vast te leggen.

Alle gekalibreerde markeringen langs de lengte van elke pool worden gedigitaliseerd. Deze kalibratiestap is essentieel voorafgaand aan het verzamelen van gegevens. Indien de kalibratie niet nauwkeurig wordt uitgevoerd of niet direct voorafgaand aan een opnamesessie plaatsvindt, zullen alle resulterende gegevens onjuist en onbruikbaar zijn.

Pas wanneer een bevredigende foutmarge bij de digitalisering is bereikt, kan worden overgegaan tot het verzamelen van locomotiegegevens vlak voordat het dier op de loopbaan wordt geplaatst. Noteer het gewicht en plak conische reflecterende huidmarkers op de vooraf bepaalde viltmarkeringen op de topografische referentiepunten van het achterbeen. Zodra de markers op de achterbenen zijn geplaatst, neemt u plaats bij de computer met de eventmarker van het Vicon-motorsysteem binnen handbereik.

Gebruik het gekalibreerde bestand als sjabloon om meerdere bestanden aan te maken vóór de opname. Gewoonlijk zijn 25 tot 30 bestanden nodig om te garanderen dat er voldoende runs, oftewel de inclusiecriteria, en snelheden worden verzameld. Zodra de bestanden zijn aangemaakt, kan men beginnen met het verzamelen van gegevens.

Klok vervolgens de rat om in de loopbaan heen en weer te bewegen door met zorgvuldige coördinatie en timing kwartjes Cheerios naar beide uiteinden van de loopbaan te gooien. De gebeurtenismarkering wordt geactiveerd bij aanvang en vlak voordat de rat succesvol een passage door de loopbaan voltooit. Nadat de ruwe grondreactie en de krachtmeting zijn onderzocht en is genoteerd of de linker- of rechterledematen de krachtplaat hebben geraakt, wordt het bestand opgeslagen en gesloten.

Er moet worden vastgesteld dat er een gelijk aantal raakvlakken op de krachtplaat is voor zowel de linker- als de rechterledematen. Het proces van het vastleggen van de gegevens van een specifieke run wordt herhaald totdat er voldoende runs zijn geregistreerd. Laten we nu bekijken hoe de gegevens van de runs geanalyseerd moeten worden; zodra de gegevensverzameling voor kinematica en grondreactiekrachten is voltooid, moet elke run van elk dier worden geëvalueerd op snelheid met behulp van vicon modus-software en twee relatief vaste markers.

Bijvoorbeeld kunnen de vleugels van het ileum worden gebruikt om een virtueel punt tussen de markers te evalueren. De snelheid van dit virtuele punt in de horizontale richting kan op deze manier worden berekend, waarbij alleen runs worden opgenomen waarin het dier beweegt met een snelheid van 60 tot 90 centimeter per seconde. Voor de analyse zijn minimaal 10 runs vereist.

Vijf runs waarbij het linkerlid contact maakt met het krachtplatform, en vijf runs waarbij het rechterlid contact maakt met het krachtplatform. Zodra de acceptabele runs voor elk dier zijn geïdentificeerd, moet de digitalisering van de overige huidmarkers worden voltooid om te compenseren voor huidbeweging. De schatting van de kniepositie ter compensatie van artefacten over de knie wordt berekend met behulp van triangulatie en de gewrichtshoeken van de heup, knie en H.

Snelheden en versnellingen worden bepaald en stand- en zwaaitijden kunnen eveneens worden geëvalueerd. De gelijktijdig verzamelde gegevens van de grondreactiekracht worden met dezelfde software geanalyseerd, waarbij verschillende variabelen voor krachten in elk van de drie orthogonale richtingen kunnen worden berekend. De gelijktijdig verzamelde gegevens van de grondreactiekracht worden met dezelfde software geanalyseerd, waarbij verschillende variabelen voor krachten in elk van de drie orthogonale richtingen kunnen worden berekend.

Nu tonen we enkele representatieve resultaten om het nut van deze vorm van locomotorische analyse aan te tonen. De kinematica en grondreactiekrachten werden bepaald voor jonge, middelbare en geriatrische vrouwelijke Wistar-ratten. Uit deze analyse zijn leeftijdsgebonden verschillen vastgesteld voor vrouwelijke Wistar-ratten.

In het bijzonder laat de analyse van de grondreactiekracht zien dat geriatrische ratten een verminderd remvermogen van de vier ledematen hebben en hun achterpoten vaker gebruiken voor laterale stabilisatie in vergelijking met de andere diergroepen; kinematische analyse onthulde echter geen statistische verschillen tussen de groepen. Dit demonstreert dat kinematica eenvoudig kan worden geregistreerd bij ratten van vrijwel elke leeftijd. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om het dier direct voorafgaand aan of direct na het verzamelen van de gegevens te wegen en om het systeem zorgvuldig te kalibreren vóór de gegevensverzameling volgens deze procedure.

Andere methoden, zoals klinische elektrofysiologie van het hele dier, kunnen worden gebruikt om aanvullende vragen te beantwoorden. Bijvoorbeeld: zijn de bevindingen over de kinematica en de grondreactiekracht gerelateerd aan neurale regeneratie of aan een andere, bredere vorm van neuroanatomische plasticiteit, zoals bij regeneratie van perifere zenuwen? Na het bekijken van deze video heeft u een goed inzicht in hoe u grondreactiekracht- en kinematische gegevens van de achterpoten kunt verzamelen bij vrij bewegende ratten met behulp van commercieel beschikbare apparatuur.