L'equilibrio e la coordinazione motoria sono componenti critici coinvolti nel controllo del movimento. Attualmente comprendiamo i meccanismi di base dei numerosi sistemi sensoriali e di elaborazione che ci aiutano a mantenere il nostro equilibrio durante l'esecuzione di varie attività. A nostro vantaggio, gli animali da laboratorio, come i topi, utilizzano sistemi simili per mantenere l'equilibrio e la coordinazione motoria. Gli scienziati possono quindi utilizzare i topi per modellare diverse condizioni fisiologiche per osservare il loro effetto nei test di equilibrio e coordinazione motoria.

Questo video discuterà brevemente la neurofisiologia alla base dell'equilibrio e della coordinazione, seguita dai protocolli generali per i test comportamentali più comunemente usati, vale a dire il rotarod e il fascio di equilibrio. Infine, esamineremo alcuni esperimenti in corso condotti utilizzando questi paradigmi comportamentali.

Prima di approfondire i protocolli dei test comportamentali, diamo un'occhiata agli input neurofisiologici e alle unità di elaborazione che determinano il nostro equilibrio e la coordinazione motoria.

I segnali visivi combinati con il senso innato della posizione del nostro corpo nello spazio, noto anche come propriocezione, sono i principali input sensoriali che determinano il nostro equilibrio. I recettori coinvolti in questo fenomeno, chiamati propriocettori, si trovano nei muscoli e nelle articolazioni e forniscono informazioni sul nostro stato fisico al sistema nervoso centrale. Queste informazioni, combinate con l'input del sistema vestibolare, che è alloggiato nel nostro orecchio interno, costituiscono il resto del nostro "senso propriocettivo". Il sistema vestibolare è costituito da tre dotti semicircolari ricoperti da un'ampolla, che insieme sono noti come canali. Contenuto all'interno di questi canali è un fluido chiamato endolinfa. Una struttura specializzata nota come cupula, situata all'interno dell'ampolla di ciascun canale, contiene cellule ciliate che producono ciglia. Sono queste ciglia che sono piegate spostando l'endolinfa e trasmettono tali informazioni ai nuclei vestibolari, che si trovano nel tronco cerebrale. Nel tronco cerebrale, gli input dagli occhi, dalle articolazioni e dal sistema vestibolare sono ordinati e classificati in ordine di priorità.

Infine, tutti questi input sensoriali viaggiano verso il cervelletto, che coordina inconsciamente le informazioni propriocettive e visive per mettere a punto i comandi motori per aumentare la precisione e la coordinazione muscolare. Sebbene sia stato scoperto molto sulle basi neurologiche dell'equilibrio e della coordinazione, gli scienziati stanno ancora cercando di capire la fisiopatologia di vari disturbi del movimento. Uno degli strumenti utilizzati dai ricercatori per farlo è il test comportamentale del roditore che esamina l'equilibrio e la coordinazione.

Discutiamo il test più comunemente impiegato per questo fenomeno: il rotarod.

L'apparato rotarod è composto da tre componenti. Innanzitutto, il tassello rotante, disponibile in varie dimensioni. In secondo luogo, corsie con divisioni: l'apparato può essere composto da più corsie, che consentono ai ricercatori di testare fino a cinque animali contemporaneamente, o solo una singola corsia per testare un animale alla volta. In terzo luogo, le piattaforme situate sotto ogni corsia che forniscono una zona di atterraggio sicura per l'animale se cadono dal tassello rotante. Nelle apparecchiature più moderne, queste piattaforme possono percepire la caduta degli animali e registrare automaticamente il "tempo di caduta".

Prima dell'addestramento o della sperimentazione, un periodo di acclimatazione assicura che gli animali siano in uno stato calmo prima del test. Le sessioni di allenamento coinvolgono animali che camminano su un rotarod accelerante per diverse sessioni al giorno per una serie di giorni, ed è considerato completo una volta che il "tempo di caduta" medio degli animali inizia a stabilizzarsi. Inizialmente, il rotarod è impostato a bassa velocità mentre gli animali vengono posizionati sul tassello e la rotazione viene quindi gradualmente aumentata fino a una velocità massima. I topi dovrebbero essere lasciati riposare tra una corsa e l'altro e durante quel periodo l'apparato dovrebbe essere accuratamente pulito.

Dopo l'allenamento, possono essere eseguiti interventi sperimentali, come il trattamento farmacologico, lesioni indotte chirurgicamente o altre manipolazioni fisiche. Per i test, seguire lo stesso protocollo della sessione di allenamento in cui la velocità del tassello viene gradualmente aumentata e i dati vengono registrati come "tempo di caduta". Dovrebbe essere definito un tempo massimo di prova in modo da non sovraccaricare gli animali. Il "tempo di caduta" per ogni topo viene registrato e mediato su un numero diverso di prove a seconda dell'esperimento.

Il secondo test comportamentale comune che testa l'equilibrio e la coordinazione utilizza un raggio. Esistono numerose travi di equilibrio distinte tra cui travi semplici, complesse e inclinate, ma l'allestimento di base è composto da una trave lunga un metro sospesa a 50-100 centimetri sopra un tavolo o una superficie. Sono presenti sensori di movimento o videoregistratori per misurare il tempo di attraversamento del fascio animale. Una scatola chiusa contenente materiale di nidificazione situata nel punto finale funge da attrazione per il mouse, mentre l'illuminazione nel punto iniziale fungerebbe da stimolo avversivo.

L'allenamento sul bilanciere di solito avviene fino a tre volte al giorno per diversi giorni. L'allenamento continua fino a quando il tempo medio di attraversamento del fascio inizia a stabilizzarsi; tuttavia, il sovrallenamento può portare ad un aumento dello stallo e all'accensione della trave. Dopo la modulazione sperimentale, inizia la fase di test e i dati vengono registrati come "tempo da attraversare". Di solito, i risultati si ottengono facendo una media di almeno due incroci in cui l'animale testato non si è fermato o ha richiesto una sollecitazione.

Ora che abbiamo visto le configurazioni sperimentali dei test comportamentali comunemente impiegati, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni specifiche di questi metodi.

L'invecchiamento è un normale processo biologico, una conseguenza del quale è la degradazione del sistema vestibolare poiché le cellule ciliate producono meno ciglia e iniziano anche a morire. Il risultato di ciò è la perdita di equilibrio che può comportare un aumento delle cadute negli anziani. In questo esperimento, topi di varie età hanno attraversato una sfida vestibolare in cui sono stati filati in un rotatore per 20 secondi e subito dopo hanno chiesto di attraversare un raggio inclinato. I ricercatori hanno osservato che i topi più anziani sono più drammaticamente colpiti dalla sfida vestibolare rispetto ai topi più giovani.

Il test Rotarod è utile per studiare i deficit motori grossolani e la resistenza alla fatica, rendendolo ideale per studiare una malattia come la distrofia muscolare. Il segno distintivo della distrofia muscolare è il danno muscolare che alla fine si traduce in deficit di mobilità, coordinazione ed equilibrio. In questo esperimento, i ricercatori hanno confrontato i tempi di esecuzione rotarod tra topi selvatici e modelli murini di distrofia muscolare.

La malattia di Parkinson è caratterizzata dalla morte dei neuroni dopaminergici in substantia nigra e spesso si presenta con deficit motori e perdita di coordinazione. In questo esperimento, è stato eseguito un impegnativo test del fascio. Confrontando i topi selvatici con un modello di Parkinson geneticamente modificato, è stato osservato che i topi di Parkinson avevano aumentato gli errori per passo e aumentato gli errori per larghezza del fascio.

Hai appena visto il video di JoVE sui test di bilanciamento e coordinazione. Questo video ha discusso i correlati neurali di equilibrio e coordinazione, alcuni metodi importanti per testare l'equilibrio e, infine, alcune applicazioni di questi test comportamentali nei laboratori di neuroscienze di oggi. Come sempre, grazie per aver guardato!