应用被动头部运动在啮齿动物头部产生定义的加速度

摘要

本协议描述了一种定制设计的“被动头部运动”系统，该系统再现了啮齿动物头部在以中等速度跑步期间产生的机械加速度。它允许从体育锻炼的有益影响中剖析机械因素/元素。

摘要

运动被广泛认为对各种疾病和身体疾病有效，包括与脑功能障碍有关的疾病和疾病。然而，运动有益效果背后的分子机制知之甚少。许多体育锻炼，特别是那些被归类为有氧运动的锻炼，如慢跑和步行，在足部与地面接触时会产生冲动力。因此，推测机械冲击可能与运动如何导致机体稳态有关。为了在大脑上测试这一假设，开发了一种定制设计的“被动头部运动”（以下简称PHM）系统，该系统可以产生具有受控和定义大小和模式的垂直加速度，并再现机械刺激，这些刺激可能应用于啮齿动物的头部在跑步机以中等速度跑步时，这是一种典型的干预措施，用于测试运动对动物的影响。通过使用该系统，证明PHM概括了小鼠前额叶皮层（PFC）神经元中的血清素（5-羟色胺，以下简称5-HT）受体亚型2A（5-HT_2A）信号传导。这项工作为应用PHM和测量其在啮齿动物头部产生的机械加速度提供了详细的协议。

引言

运动有益于治疗或预防几种身体疾病，包括糖尿病和原发性高血压等生活方式疾病^1。与此相关的是，关于运动对^{大脑功能的积极影响}的证据也已积累2。然而，运动对大脑益处的分子机制仍然主要未阐明。大多数体育活动和锻炼至少在某种程度上会在头部产生机械加速度。虽然各种生理现象是机械调节的，但在大多数情况下，机械负荷的重要性已在肌肉^{骨骼系统中得到}记录3，^4，5。虽然大脑在体育活动中也受到机械力的影响，特别是所谓的冲击运动，但很少研究生理大脑功能的机械调节。由于头部机械加速度的产生在体育锻炼中相对常见，因此推测机械调节可能与运动对大脑功能的益处有关。

5-HT_2A 受体信号传导对于调节神经系统中起作用的各种生化信号中的情绪和行为至关重要.它涉及多种精神疾病⁶，⁷，^8，运动已被证明具有治疗效果。5-HT_2A受体是5-HT₂受体的一个亚型，属于5-羟色胺家族，也是G蛋白偶联....

研究方案

所有动物实验均获得国家残疾人康复中心机构动物护理和使用委员会的批准。8-9周龄雄性Sprague-Dawley大鼠用于测量跑步机跑步和PHM期间头部的加速度。9-10周龄雄性C57BL / 6小鼠用于PFC的行为测试和组织学分析。 这些动物是从商业来源获得的（见 材料表）。

1. 测量跑步机跑步过程中沿 x、y 和 z 轴的加速度大小

1. 用吸入1.5%异氟醚麻醉大鼠。
   注意：在适应实验室环境至少1周后使用大鼠。确保大鼠对后肢脚趾捏没有反应。
2. 使用手术胶带将加速度计（见 材料表）固定在大鼠头顶上。
3. 从麻醉中完全恢复后，将大鼠放入跑步机中（见 材料表），并将跑步机调整到中等速度（20 m / min）¹² （图1A）。
   注意：异氟醚吸入终止后，至少需要20分钟才能确认大鼠从麻醉中完全恢复并开始跑步机实验。确保大鼠对后肢脚趾夹伤有反应，能够行走或奔跑而不会明显踉跄。
4. 按照制造商的说明，使用应用软件测量大鼠跑步机运行期间垂直加速度的大小（参见 材料表）。
   注意：提取 10 个串行波并单独计算沿 3 维轴（x<....

结果

在跑步机以中等速度（20 m / min）跑步期间，大鼠头部垂直加速度的峰值幅度约为1.0× g （图1C）。PHM系统（图1D）的设置是为了在啮齿动物的头部产生1.0 × g 的垂直加速度峰值。

与对照小鼠（每天麻醉而不使用PHM30分钟/天，持续7天）相比，向小鼠施用PHM（2Hz，30分钟/天，持续7天）显着减弱了其HTR（图2<.......

讨论

使用开发的PHM应用系统，我们已经证明其PFC神经元中的5-HT信号传导是机械调节的。由于运动效果的复杂性，很难在健康促进的背景下准确剖析运动的后果。重点是机械方面，以排除可能与运动活动一起或随后发生的代谢事件的参与或贡献，例如能量消耗。这里描述的方法有望在生物医学研究中更广泛地用于探索运动对大脑功能影响的机制。

目前的系统需要麻醉才能使实验动?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
5-hydroxytryptophan (5-HTP)	Sigma-Aldrich	H9772	Serotonin (5-HT) precursor
Brushless motor driver	Oriental motor	BMUD30-A2	Speed changer build-in motor driver
C57BL/6 mice	Oriental yeast company	C57BL/6J	Mice used in this study
Cryostat	Leica	CM33050S	Microtome to cut frozen samples
DC Motor	Oriental motor	BLM230-GFV2	Motor
Donkey anti-goat Alexa Fluor 568	Invitrogen	A-11057	Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey anti-mouse Alexa Fluor 647	Invitrogen	A-31571	Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 488	Invitrogen	A-21206	Secondary antibody used for immunohistochemical staining
Donkey serum	Sigma-Aldrich	S30-100ML	Blocker of non-specific binding of antibodies in immunohistochemical staining
Fluorescence microscope	Keyence	BZ-9000	Fluorescence microscope
Goat polyclonal anti-5-HT2A receptor	Santa Cruz Biotechnology	sc-15073	Primary antibody used for immunohistochemical staining
Isoflurane	Pfizer	v002139	Inhalation anesthetic
KimWipe	NIPPON PAPER CRECIA	S-200	Paper cloth for cleaning surfaces, parts, instruments in labratory
Liquid Blocker	Daido Sangyo	PAP-S	Marker used to make the slide surface water-repellent
Mouse monoclonal anti-NeuN (clone A60)	EMD Millipore (Merck)	MAB377	Primary antibody used for immunohistochemical staining
NinjaScan-Light	Switchscience	SSCI-023641	Accelerometer to measure accelerations
OCT compound	Sakura Finetek	45833	Embedding agent for preparing frozen tissue sections
ProLong Gold Antifade Mountant	Invitrogen	P36934	Mounting medium to prevent flourscence fading
Rabbit polyclonal anti-c-Fos	Santa Cruz Biotechnology	sc-52	Primary antibody used for immunohistochemical staining
Slide box	AS ONE	03-448-1	Opaque box to store slides
Spike2	Cambridge electronic design limited (CED)	N/A	Application software used to analyze acceleration
Sprague-Dawley rats	Japan SLC	Slc:SD	Rats used in this study
Treadmill machine	Muromachi	MK-680	System used in experiments of forced running of rats and mice