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Proporcionamos un protocolo para la evaluación del comportamiento motor a través de una batería de prueba de comportamiento en ratas después de una lesión por aplastamiento del nervio ciático.
La inducción de una lesión del nervio periférico es un método ampliamente utilizado en neurociencia para la evaluación de los mecanismos de reparación y dolor, entre otros. Además, en el campo de la investigación de los desordenes de movimiento, lesión ciática del agobio se ha empleado para accionar un distonía-como fenotipo en modelos genético predispuestos del roedor de DYT-TOR1A de la distonía. Para lograr resultados consistentes, reproducibles y comparables después de una lesión por aplastamiento del nervio ciático, un método estandarizado para inducir el aplastamiento nervioso es esencial, además de una caracterización fenotípica estandarizada. Se debe prestar atención no solo a la variedad específica de pruebas de comportamiento, sino también a los requisitos técnicos, la correcta ejecución y el análisis de datos consecutivos. Este protocolo describe en detalle cómo realizar una lesión por aplastamiento del nervio ciático y proporciona una batería de prueba de comportamiento para la evaluación de los déficits motores en ratas que incluye la prueba de campo abierto, el análisis de la marcha de CatWalk XT, la tarea de caminar por la viga y la tarea de caminar por peldaños de escalera.
Los roedores son excelentes organismos modelo para profundizar en la comprensión de las enfermedades humanas1,2 probando hipótesis en múltiples niveles biológicos. Un nivel biológico fundamental para la caracterización de modelos de roedores es el nivel de fenotipo, medido por evaluaciones de comportamiento. Dependiendo del modelo animal y de la pregunta de investigación científica, la selección de una batería de prueba de comportamiento potente y fiable es esencial para cubrir una amplia gama de aspectos conductuales, como para los modelos animales de la enfermedad de Parkinson y la distonía3,4,5,6.
El nervio ciático es el nervio más grande del cuerpo humano con fibras motoras y sensoriales. Las lesiones del nervio ciático pueden resultar fácilmente de una variedad de eventos tales como accidentes de tráfico y cirugías7,8. Por lo tanto, las actividades de investigación que utilizan modelos de roedores con lesiones del nervio ciático, son de valor traslacionalmente relevante. A pesar de que el aspecto traslacional de la regeneración nerviosa de rata a humano tiene que ser considerado críticamente9,la lesión por aplastamiento del nervio ciático (axonotmesis) en modelos de roedores es un método comúnmente utilizado para analizar los procesos de degeneración y regeneración de los nervios periféricos10,11. En caso de una lesión por aplastamiento, el nervio no está completamente transectado. Daña el axón, resultando en un bloqueo de conducción directamente después de la lesión por aplastamiento seguido de procesos regenerativos 4,12,13.
Por otra parte, en la investigación de la distonía, la lesión unilateral por aplastamiento del nervio ciático es un método establecido para desencadenar movimientos similares a la distonía (DLM) en modelos de roedores de distonía genéticamente predispuestos, que no muestran DLM per se4,14. Se supone que el traumatismo nervioso periférico perturba la integración sensoriomotora al afectar las fibras nerviosas ciáticas, responsables de las funciones motoras y sensoriales15.
Aquí proporcionamos una descripción detallada para una lesión estandarizada por aplastamiento del nervio ciático y una batería de evaluaciones de comportamiento motor que se compone de la prueba de campo abierto (OFT), análisis de la marcha de CatWalk XT, tarea de caminar por la viga y tarea de caminar peldaños de escalera en ratas de tipo salvaje ingenuo (wt) (n = 8-9) y ratas wt cinco semanas después de la lesión unilateral por aplastamiento del nervio ciático (n = 10). La OFT proporciona información sobre la actividad locomotora general, mientras que un análisis detallado de la marcha se logra mediante el sistema automatizado de análisis de la marcha CatWalk XT. La tarea de caminar por el haz se utiliza para evaluar la coordinación motora mediante la evaluación del tiempo para cruzar el haz y el número de errores de colocación del pie. Para el análisis del rendimiento de la marcha, la tarea de caminar peldaños de escalera proporciona información sobre la colocación de pies o patas y errores en un aparato de peldaños de escalera horizontal con un patrón de peldaños constante pero irregular.
Todos los experimentos con animales fueron aprobados por las autoridades locales en el Regierung von Unterfranken (Würzburg, Alemania) y se realizaron de acuerdo con las directrices internacionales, nacionales y / o institucionales aplicables para el cuidado y uso de animales.
1. Lesión por aplastamiento del nervio ciático
NOTA: Mantenga un ambiente estéril durante todo el procedimiento quirúrgico. Configure la mesa de cirugía con el equipo necesario.
2. Prueba de campo abierto (OFT)
NOTA: La actividad locomotriz, así como la actividad conductual, pueden ser analizadas por la OFT.
3. Análisis de la marcha de CatWalk XT
NOTA: Un análisis de la marcha a través del sistema CatWalk XT puede ayudar a evaluar muchos parámetros diferentes relacionados con las huellas, la postura y la marcha de los modelos animales. Una pasarela de cristal se ilumina con luz verde y la luz dispersada por las huellas de los animales se captura con una cámara de vídeo de alta velocidad, que se encuentra debajo de la pasarela. Las señales se pueden analizar con el software CatWalk XT.
4. Tarea de caminar por la viga
NOTA: Los déficits de la marcha se pueden determinar por la tarea de caminar de la viga. El enfoque de la tarea de caminar por el haz en este tema de investigación específico será el análisis de la coordinación motora, definida como la capacidad de coordinar la activación muscular de múltiples partes del cuerpo, y no la evaluación del equilibrio motor, definido como la capacidad de control postural durante los movimientos corporales.
5. Tarea de caminar peldaños de escalera
NOTA: La tarea de caminar peldaños de escalera puede evaluar la función motora, la colocación de los primeros y los miembros posteriores, y la coordinación interlimb.
Los resultados representativos de los cinco minutos de OFT muestran que la lesión por aplastamiento nervioso cinco semanas después de la cirugía no tiene ningún efecto sobre la actividad locomotriz (Figura 1).
El análisis de la marcha con el sistema CatWalk XT(Figura 2)genera muchos parámetros diferentes. Los parámetros selectivos se analizaron estadísticamente comparando ratas wt ingenuas con ratas wt lesionadas por los nervios cinco semanas después del aplastamiento nervioso (Figura 2D). Se pudieron detectar alteraciones significativas para la velocidad promedio de carrera, la longitud de la zancada y el área de impresión de la pata trasera (derecha) lesionada por los nervios. Un análisis más detallado de la pata trasera nervio-lesionada fue realizado con el módulo de las "medidas interactivas de la huella". Una reducción significativa de los parámetros de la extensión del dedo del pies, de la extensión intermedia del dedo del pies y de la longitud de la impresión fue observada en ratas nervio-heridas del peso comparadas a las ratas ingenuas del peso. Además, el eje del cuerpo del ángulo de la pata y el vector de movimiento del ángulo de la pata difieren significativamente cuando se comparan las ratas wt lesionadas por los nervios con las ratas wt ingenuas (Figura 2E).
La Figura 3 presenta los datos de coordinación motora obtenidos a través de la evaluación de tareas de marcha de haz. Las ratas wt lesionadas por los nervios mostraron un tiempo de latencia significativamente mayor para cruzar el haz en comparación con las ratas wt ingenuas cinco semanas después de la lesión (Figura 3B). Como lectura adicional de la tarea de caminar de la viga, los resbalones completos y los medios resbalones de la extremidad posterior nervio-lesionada fueron contados y considerados como error para el análisis estadístico. El porcentaje de errores por paso de la extremidad posterior (derecha) nervio-lesión fue aumentado perceptiblemente de ratas nervio-heridas del peso comparadas a las ratas ingenuas del peso.
Los datos representativos de la tarea de caminar peldaño de escalera (Figura 4) no muestran alteraciones significativas en el tiempo de latencia para cruzar la pasarela del aparato de peldaño de escalera (Figura 4C) o en el porcentaje de errores por escalón de la extremidad posterior lesionada por los nervios (derecha) (Figura 4D). El análisis del porcentaje de error por paso de la extremidad posterior lesionada por el nervio consideró sólo la puntuación de 0 a 2 de la escala de 7 categorías de Metz et al. La distribución de todas las categorías de puntuación por paso de la escala de 7 categorías de la extremidad posterior lesionada por los nervios y la extremidad posterior no lesionada por los nervios (izquierda) se ilustra en la Figura 4E.
Figura 1:Evaluación de la actividad locomotriz durante la prueba de campo abierto. (A) Imagen de la configuración de la prueba de campo abierto. Imagen seleccionada restada de un video grabado durante la prueba de campo abierto que muestra una rata en la arena de campo abierto sin (B) y con (C) seguimiento. (d) La velocidad durante una grabación de prueba de campo abierto de cinco minutos se investigó en ratas y ratas wt ingenuas wt cinco semanas después de lesión por aplastamiento nervioso. Los datos se muestran como media ± SEM. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba t no emparejada de los datos distribuidos normalmente. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 2:Análisis de la marcha con el sistema CatWalk XT. (A) Imagen del aparato CatWalk XT. (B) Ejemplos de la vista de impresión que muestra las huellas de patas etiquetadas en modo de color falso y ejemplos de la vista de temporización que muestra el diagrama de marcha basado en el tiempo de ratas y ratas wt ingenuas wt cinco semanas después de la lesión por aplastamiento nervioso. (C) Ejemplos de la clasificación del dedo del pie que muestra la extensión del dedo del pie (TS), la extensión intermedia del dedo del pie (ITS) y la longitud de impresión (PL), así como ejemplos de la vista del eje del cuerpo que muestra el eje del cuerpo (línea blanca) y el vector de movimiento (línea roja) de las ratas wt ingenuas y las ratas wt cinco semanas después de la lesión por aplastamiento nervioso. (D) Datos de parámetros seleccionados de la clasificación "estándar" que compara ratas noïve del peso y ratas del peso cinco semanas después de lesión del aplastamiento del nervio. (E) Datos de parámetros seleccionados del "módulo de mediciones interactivas de la huella" que comparan ratas noïve wt y ratas wt cinco semanas después de la lesión por aplastamiento nervioso. Los datos se muestran como media ± SEM. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba t no emparejada de los datos distribuidos normalmente, la prueba t no emparejada con la corrección de Welch de los datos normalmente distribuidos con varianza desigual y la prueba U de Mann-Whitney de los datos distribuidos no normales. El valor p < 0,05 se definió como estadísticamente significativo etiquetado como *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 3: Análisis de la marcha con la tarea de caminar por el haz. (A) Imagen y dibujos esquemáticos de la configuración de la tarea de caminar por el haz. El tiempo del estado latente de cruzar la viga (b) y los errores del resbalón del pie del porcentaje por el paso de la extremidad posterior nervio-lesión durante la tarea que caminaba de la viga (c) eran analizados en ratas ingenuas del peso y ratas del peso cinco semanas después de lesión del agolpamiento del nervio. Imagen representativa para la posición de la hora de inicio (D) y la posición de la hora de finalización (E) de la tarea de caminar por el haz. Secuencia de imagen representativa de un error de deslizamiento completo (F) y un error de deslizamiento medio (G) de la tarea de caminar por el haz. Los datos se muestran como media ± sem. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba U de Mann-Whitney de los datos distribuidos no normales. El valor p < 0,05 se definió como estadísticamente significativo etiquetado como *p < 0,05, **p < 0,01. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 4: Análisis de la marcha utilizando la tarea de caminar peldaños de escalera. Imagen (A) y dibujos esquemáticos (B) de la configuración de la tarea de caminar peldaños de escalera. La época del estado latente de atravesar el aparato del peldaño de la escalera (c) y los errores del resbalón del pie del porcentaje por el paso de la extremidad posterior nervio-lesión durante la tarea que caminaba del peldaño de la escalera (d) fueron evaluados en ratas ingenuas del peso y ratas del peso cinco semanas después de lesión del agolpamiento del nervio. (E) La distribución porcentual de la categoría de puntuación por paso según la escala de 7 categorías de Metz et al. para el hindlimb izquierdo y derecho de las ratas ingenuas del peso y de las ratas del peso cinco semanas después de lesión del agobio del nervio. Los datos se muestran como media ± SEM. El análisis estadístico se realizó utilizando la prueba t no emparejada de los datos distribuidos normalmente y la prueba U de Mann-Whitney de los datos distribuidos no normales. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Figura 5: Representación ejemplar de cada categoría según la escala de 7 categorías de Metz et al. durante la tarea de caminar peldaños de escalera. Secuencia de imagen representativa de la extremidad posterior derecha de la categoría 0 - falta total, categoría 1 - deslizamiento profundo, categoría 2 - ligero deslizamiento, categoría 3 - reemplazo, categoría 4 - corrección, durante la tarea de caminar peldaños de escalera. Imágenes representativas para la categoría 5 - colocación parcial y categoría 6 - colocación correcta. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Este protocolo de evaluación del comportamiento proporciona una visión general de las ventajas y desventajas, así como las posibles lecturas de la batería de prueba de comportamiento seleccionada en un modelo de roedor después de la lesión por aplastamiento del nervio ciático.
Para obtener un resultado comparativo de lesión del agobiamiento del nervio ciático, una técnica constante del agobio es obligatoria. El uso de una abrazadera no aserrada (Ultra Fine Hemostat) en lugar de fórceps puede mejorar la consistencia del aplastamiento. Utilice la misma abrazadera, así como la misma posición de aplastamiento para garantizar la misma compresión nerviosa. El uso exclusivo de la abrazadera para la lesión por aplastamiento y la manipulación de la abrazadera con cuidado mejora la consistencia. Además, realice el procedimiento de la lesión por aplastamiento con cuidado. Daño adicional al nervio durante la cirugía, como la tracción no deseada del nervio puede conducir a efectos secundarios no deseados como la automutilación. Por lo tanto, se recomienda una preparación cuidadosa del nervio, así como una administración de un analgésico durante un mínimo de dos días.
La evaluación multifactorial del comportamiento del motor puede caracterizar el fenotipo después de lesión del agobio del nervio en ratas en los varios niveles. Utilizamos la OFT, el análisis de la marcha de la pasarela XT, la tarea de caminar por la viga y la tarea de caminar por el peldaños de la escalera. Un procedimiento experimental cegado y el análisis de datos a los grupos experimentales es esencial para estos experimentos. Antes de la evaluación del comportamiento, los animales se aclimataron en la sala de pruebas en condiciones de prueba durante al menos 30 minutos. Todas las pruebas de comportamiento aplicadas en este documento tienen la ventaja de que no se requiere privación de alimentos o agua. El mismo grupo de animales se utilizó en todas las pruebas de comportamiento descritas. Se realizó un máximo de dos pruebas de comportamiento diferentes por día para cada animal. Si las pruebas de comportamiento se realizan a intervalos regulares, preste atención a un procedimiento comparable, como realizar la prueba en el mismo orden animal y a la misma hora del día. Otro aspecto importante para el análisis del comportamiento es el ciclo día-noche de las ratas. Considere un ciclo día-noche invertido para obtener niveles más naturales y más altos de actividad en el ciclo diurnos (ciclo oscuro). Esto tiene que ser considerado especialmente para la medición del comportamiento espontáneo, como la OFT. En este experimento, no se pudo implementar un ciclo día-noche invertido, pero se garantizó una aclimatación adecuada a las condiciones de prueba. Una iluminación perfecta es esencial para los videos de alta resolución para la tarea de caminar por el haz y la tarea de caminar por el peldaños de la escalera. Esta alta calidad de vídeo no se puede alcanzar cuando se realizan experimentos en la oscuridad.
La evaluación de la marcha requiere un rendimiento continuo de la tarea. El primer aspecto importante de una tarea continua es convencer a los animales para que crucen la configuración. Para aumentar la motivación, coloque pequeños pellets de alimentos (45 mg) al final de la configuración. Para que los animales se familiaricen con los pellets de alimentos, los pellets deben alimentarse con ellos antes de la prueba. Además, un cuadro de meta al final de la configuración puede ser útil. La configuración de la Pasarela ya incluye una caja de meta, pero las ratas a veces dudan en entrar en la caja de la meta. Alternativamente, puede agregar una jaula pequeña en la caja de la meta, pero la jaula casera de las ratas no cabe en la caja de la meta. Deje que la rata habitúe en la jaula durante unos minutos antes de la adquisición. Además, otra rata de la misma jaula de casa se puede colocar en la caja de la meta o en la jaula dentro de la caja de la meta. Asegúrese de que la segunda rata permanece en la caja y no bloquea la entrada a la caja de la meta. Además, también es posible quitar la caja de meta del sistema CatWalk y colocar la jaula de la casa de la rata al final de la pasarela, lo que permite a la rata entrar en su "territorio de origen" después de cada carrera. Para la configuración de la tarea de caminar por la viga y la tarea de caminar peldaños de escalera, recomendamos agregar una caja de meta o la jaula de inicio al final de la configuración. Para garantizar la consistencia, la pasarela, la tarea de caminar por la viga y la tarea de caminar por el peldaños de la escalera deben realizarse al menos una vez a la semana con seis a diez carreras.
Aunque no todos los análisis arrojaron diferencias significativas en este estudio, considere que una inclusión de animales modificados genéticamente o grupos de tratamiento podría producir datos valiosos que puedan distinguir entre grupos de las mismas pruebas de comportamiento.
Lesión del agobio del nervio no tenía ningún efecto sobre la actividad locomotriz de la rata, que fue medida en cinco minutos OFT. El análisis de la marcha de la pasarela XT es una herramienta más objetiva y sensible para analizar la colocación de la marcha, la pata y el dedo deldo del pies. Después de un entrenamiento intensivo, las ratas aprenden a cruzar la pasarela del aparato CatWalk XT a la configuración predeterminada. La lesión nerviosa no reduce la capacidad de las ratas para cruzar la pasarela. El cómputo automático de varios parámetros presenta los datos objetivamente. Se puede obtener información adicional mediante el uso del módulo "Mediciones interactivas de la huella" y, de hecho, estos análisis arrojaron diferencias significativas en varios parámetros de la dispersión del dedo del pie, la longitud de impresión y el ángulo de la pata con el eje del cuerpo comparando ratas con y sin lesión nerviosa.
Las ratas se pueden entrenar fácilmente para la tarea de caminar por la viga. Las diferencias en el tiempo de latencia para cruzar la viga y en el número de resbalones del pie por paso de la extremidad posterior lesionada por nervio se detectaron comparando ratas ingenuas con ratas aplastadas. Una desventaja de analizar ratas lesionadas por los nervios con la tarea de caminar por el haz es el tamaño del haz. Dentro de las primeras dos semanas después de la lesión por aplastamiento del nervio ciático, las ratas necesitan ayuda para cruzar el haz a medida que su equilibrio se deteriora. Aunque algunas ratas pueden ser capaces de cruzar el haz, el riesgo de lesiones causadas por una caída es alto. Por lo tanto, se debe ayudar a los animales aplastados por los nervios a cruzar el haz durante las dos primeras semanas después de la lesión por aplastamiento del nervio ciático o más tiempo, si es necesario. Sin embargo, es difícil comparar las carreras con y sin ayuda. Además, el equilibrio motor es un parámetro importante evaluado por la tarea de caminar por el haz. Considerábamo este parámetro para no ser relevante a nuestro modelo de la rata del aplastamiento del nervio. Por lo tanto, las puntuaciones descritas por Ohwatashi et al. y Johansson &ohlsson no pudieron ser utilizadas y las corridas con un recorrido de haz incompleto fueron excluidas para el análisis de los datos18,19.
La escala de 7 categorías de Metz et al. puede analizar tanto las extremidades anteriores como las posteriores y distinguir entre los diferentes niveles de gravedad de los errores de todas las extremidades durante la tarea de caminar por el peldaños de la escalera16,17. Analizando los errores más prominentes, que incluyen las categorías a partir de la 0 a 2, ningunas diferencias de errores por el paso se podrían detectar en el hindlimb al comparar las ratas nervio-heridas del peso con las ratas ingenuas del peso. Además, el tiempo de latencia de atravesar el aparato de peldaños de escalera no difirió entre las ratas wt lesionadas por el nervio y las ratas ingenuas wt. Los modelos de aprendizaje profundo podrían mejorar y acelerar el análisis de datos de la tarea de caminar por el peldaños de la escalera a través de un enfoque automatizado.
Es importante mencionar que la lesión por aplastamiento nervioso, así como todas las pruebas de comportamiento descritas, se pueden traducir fácilmente a los ratones, adaptando los ajustes y tamaños de las configuraciones. El uso de ratones como organismo modelo tiene el efecto beneficioso que existen modelos transgénicos para muchas enfermedades humanas.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio Federal alemán de Educación e Investigación (BMBF DysTract a C.W.I.) y por el Centro Interdisciplinario de Investigación Clínica (IZKF) de la Universidad de Würzburg (N-362 a C.W.I.; Z2-CSP3 a L.R.). Además, este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del EJP RD COFUND-EJP N° 825575 (EurDyscover a J.V.), y de la Fundación VERUM. Además, C.W.I. está financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundación Alemana de Investigación) Project-ID 424778381-TRR 295, por la Deutsche Stiftung Neurologie y ParkinsonFonds. L.R. cuenta además con el apoyo de la Dystonia Medical Reseach Foundation.
Los autores agradecen a Keali Röhm, Veronika Senger, Heike Menzel y Louisa Frieß por su asistencia técnica, así como a Helga Brünner por el cuidado de los animales.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid, ≥99.8% | Sigma-Aldrich | 33209-1L | |
Appose ULC skin stapler 35W | Covidien | 8886803712 | |
Beam | self made | ||
Bepanthen eye cream | Bayer Vital GmbH | 81552983 | |
Box for OFT | self made | ||
Camcorder GC-PX100 | JVC | ||
Catwalk XT | Noldus | setup and software | |
Chamber for isofluran | GT-Labortechnik | custom made | |
Disposable scalpel No. 11 | Feather | 20.001.30.011 | |
Dräger Vapor 19.3 isoflurane system | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
Dumont #2 - laminectomy forceps | Fine Science Tools | 11223-20 | |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | super-fine |
Dustless precision pellets 45 mg | Bio-Serv | F0021 | |
EthoVision XT | Noldus | setup and software | |
Forceps 160 mm | Hartenstein | PZ09 | |
Gas anesthesia mask, rat | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
Goal box for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Hair clipper Magnum 5000 | Wahl GmbH | ||
Hardened fine scissors | Fine Science Tools | 14090-11 | |
Heating table | MEDAX | 13801 | |
Isofluran CP 1ml/ml, 250 ml | cp-pharma | 1214 | prescription needed |
Kinovea | www.kinovea.org | ||
Ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Needleholder | KLS Martin | 20-526-14-07 | |
Octeniderm | Schülke | 118211 | |
Rimadyl 50 mg/ml, injectable | Zoetis | Carprofen, prescription needed | |
Rubber band retractors | self made | ||
Spacer for beam | self made | ||
Spacer for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Suture Silkam 4/0 DS 19 | B. Braun | C0762202 | |
Ultra fine hemostats (non-serrated clamp) | Fine Science Tools | 13020-12 |
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