Кинематика и наземные силы реакции Определение: Демонстрация Количественная опорно-двигательного способностей молодых взрослых, среднего возраста, и пожилые Крысы

В данном видео демонстрируется процедура измерения сил реакции опоры и кинематики задних конечностей у крыс в условиях свободного поведения. Сначала крыс приучают последовательно пересекать беговую дорожку для получения пищевого вознаграждения. Затем на ключевые анатомические ориентиры задней конечности наносятся светоотражающие маркеры.

Видеозапись и данные о силе реакции опоры собираются во время перемещения животного за пищевым вознаграждением. Отражающие маркеры оцифровываются, а полученные данные обрабатываются ретроспективно. Качественные и количественные различия в локомоторных способностях наблюдаются у крыс различных моделей заболеваний.

Здравствуйте, меня зовут Обри Вебб. Я доцент факультета ветеринарной медицины и Института мозга Хотчкисса Университета Калгари в Калгари, Альберта, Канада. Главное преимущество данной методики перед существующими методами, такими как шкалы оценки локомоторной активности и другие конечные показатели, заключается в том, что она позволяет получить чувствительные, объективные и количественные данные, которые помогают выявить тонкие различия в локомоторной активности между группами крыс.

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области нейробиологии и ортопедии, например, каковы эффекты потенциального терапевтического средства. Значимость данной методики распространяется на терапию различных моделей заболеваний, поскольку вероятность ошибочного вывода об отсутствии эффекта при его наличии ограничена. Таким образом, применение данной методики позволяет получить представление о локомоции крыс.

Данный метод также может быть применен к другим системам, таким как различные модели неврологических и ортопедических заболеваний у разных видов животных. Как правило, новички в этом методе сталкиваются с трудностями, поскольку биомеханический анализ требует значительного времени и терпения, а для устранения ошибок при анализе данных необходимы глубокие знания в области биомеханики. Данная методология использовалась для различных видов животных на протяжении нескольких десятилетий, однако только недавно она стала доступна для применения на грызунах благодаря появлению коммерчески доступного оборудования. Первым шагом в измерении локомоторных способностей крыс является обучение каждого животного пересечению плоской поверхности закрытой беговой дорожки.

После получения крыс от соответствующего поставщика животных их следует подвергнуть акклиматизации в новых условиях в течение одной недели. В период акклиматизации положите в клетку к крысам несколько колечек Cheerios.

Животных ежедневно ограничивают в питании до уровня их поддерживающей энергетической потребности, чтобы предотвратить ожирение и обеспечить мотивацию к последующему выполнению задания. В течение одной недели ежедневно в одно и то же время в течение 10–15 минут взаимодействуйте с каждым животным, помещая его в беговую дорожку с колечками Cheerios, расположенными на обоих концах. Когда животные привыкнут к окружающей обстановке, они начнут поедать Cheerios.

Как только животное привыкнет поедать Cheerios внутри беговой дорожки, его необходимо обучить посредством оперантного кондиционирования пробегать всю длину дорожки для получения пищевого вознаграждения. Это достигается путем бросания четверти колечка Cheerios в противоположный от крысы конец дорожки. Как только крыса съест этот кусочек, положите еще одну четверть колечка Cheerios в другой конец дорожки.

Повторяйте эту процедуру до тех пор, пока крыса не начнет стабильно передвигаться по дорожке с постоянной скоростью рыси, чтобы съесть колечко Cheerios, не переходя на галоп или прыжки. Недостаточное приучение животных к этой задаче может привести к возникновению аллюров галопа и прыжков, которые с биомеханической точки зрения интерпретировать сложнее. Теперь давайте разберем, как проводить маркировку четырех суставов.

Кинематический анализ конечностей ненадежен из-за сильно приземистой позы и последующего артефакта смещения кожи, возникающего при размещении кожных маркеров на четырех конечностях. Вместо этого кинематику передних конечностей необходимо оценивать с помощью рентгенокинематографии или флюороскопии. Таким образом, в данном видео будет описано только размещение маркеров положения суставов задних конечностей.

После того как животное будет подвергнуто анестезии, выбрейте шерсть на задних конечностях и спине до уровня гребней подвздошных костей. Затем поместите животное в положение на спине, зафиксировав задние конечности в положении, имитирующем стойку, используя плотный упаковочный пенопласт для поддержки. С помощью нетоксичного перманентного маркера отметьте следующие точки: наиболее краниальные части гребней подвздошных костей, большой вертел бедренной кости, латеральный выступ большеберцовой кости, голеностопный сустав, а также дистальный и латеральный края пятой плюсневой кости.

Требуется ежедневно обновлять разметку ранее отмеченных анатомических ориентиров, так как крысы постепенно удаляют маркеры в процессе естественного груминга. Теперь рассмотрим, как регистрировать данные. Поместите калибровочный объем в пределах заранее определенной области беговой дорожки.

С каждой камеры делается одиночный снимок калибровочного объема в пределах беговой дорожки. Перед началом сессии записи проверьте изображение с каждой камеры. Убедитесь, что поле зрения одинаково для всех четырех камер и что в него попадает силовая платформа в центре, а также участок дорожки достаточной длины для фиксации двух шагов.

Все калиброванные метки по всей длине каждого шеста оцифровываются. Этот этап калибровки является критически важным перед сбором данных. Если калибровка выполнена неточно или не была проведена непосредственно перед сеансом записи, все полученные данные будут неточными и непригодными для использования.

Только после достижения удовлетворительной точности оцифровки переходите к сбору данных о локомоции непосредственно перед помещением животного в беговую дорожку. Зафиксируйте его вес и приклейте конические светоотражающие маркеры на кожу в заранее отмеченных фетром топографических точках задних конечностей. После размещения маркеров на задних конечностях сядьте за компьютер и приготовьте маркер событий, подключенный через систему Vicon.

Используя калибровочный файл в качестве шаблона, создайте несколько файлов перед началом записи. Как правило, требуется от 25 до 30 файлов, чтобы гарантировать сбор достаточного количества прогонов, соответствующих критериям включения, и данных о скорости. После создания файлов приступите к сбору данных.

Сначала побудите крысу перемещаться по дорожке, бросая кусочки хлопьев Cheerios (по четверти части) на оба конца дорожки, соблюдая при этом точную координацию и время. Маркер события срабатывает в момент начала движения и непосредственно перед тем, как крыса успешно завершит проход по дорожке. После анализа необработанной кривой силы реакции опоры и фиксации того, какой конечностью (левой или правой) животное коснулось силовой платформы, сохраните и закройте файл.

Следует зафиксировать равное количество касаний силовой платформы левой и правой конечностями. Процесс записи данных для каждого забега повторяется до тех пор, пока не будет набрано достаточное количество повторений. Теперь рассмотрим, как анализировать данные забегов: по завершении сбора данных о кинематике и силах реакции опоры необходимо оценить скорость каждого забега для каждого животного с помощью программного обеспечения Vicon Modus, используя два относительно фиксированных маркера.

Например, крылья подвздошной кости могут быть использованы для оценки виртуальной точки между маркерами. При этом можно рассчитать скорость данной виртуальной точки в горизонтальном направлении; в анализ включаются только те забеги, при которых животное перемещалось со скоростью от 60 до 90 сантиметров в секунду. Для анализа необходимо минимум 10 забегов.

Пять подходов, в которых левая конечность касается силовой платформы, и пять подходов, в которых правая конечность касается силовой платформы. После определения приемлемых подходов для каждого животного необходимо завершить оцифровку оставшихся кожных маркеров для компенсации смещения кожи. Оценка положения колена с учетом артефактов над коленным суставом рассчитывается с использованием триангуляции, а также углов в тазобедренном, коленном и H-суставах.

Определяются значения скорости и ускорения, а также оцениваются время опоры и время переноса. Одновременно собранные данные о силе реакции опоры анализируются с помощью того же программного обеспечения, что позволяет рассчитать ряд переменных для сил в каждом из трех ортогональных направлений. Одновременно собранные данные о силе реакции опоры анализируются с помощью того же программного обеспечения, что позволяет рассчитать ряд переменных для сил в каждом из трех ортогональных направлений.

Теперь мы представим несколько репрезентативных результатов, демонстрирующих полезность данного вида анализа локомоции. Кинематика и силы реакции опоры были определены для молодых, взрослых и старых самок крыс линии Wistar. В ходе данного анализа были выявлены возрастные различия у самок крыс линии Wistar.

В частности, анализ силы реакции опоры показывает, что у крыс гериатрического возраста снижена способность к торможению четырьмя конечностями и они склонны больше использовать задние конечности для латеральной стабилизации по сравнению с другими группами животных, в то время как кинематический анализ не выявил никаких статистически значимых различий между группами. Это демонстрирует, что кинематические показатели можно легко зарегистрировать практически у крыс любого возраста. При выполнении данной процедуры важно взвесить животное непосредственно до или сразу после сбора данных, а также тщательно откалибровать систему перед началом сбора данных в соответствии с данной инструкцией.

Для ответов на дополнительные вопросы могут быть использованы другие методы, такие как клиническая электрофизиология всего животного. Например, связаны ли результаты анализа кинематики и силы реакции опоры с регенерацией нейронов или с какой-то иной более широкой формой нейроанатомической пластичности, например, при регенерации периферических нервов? После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как собирать данные о силе реакции опоры и кинематике задних конечностей свободно перемещающихся крыс с использованием коммерчески доступного оборудования.