げっ歯類の頭部に定義された加速度を生成するための受動的頭部運動の適用

要約

本プロトコルは、適度な速度で走行しているトレッドミル中に発生するげっ歯類の頭部での機械的加速度を再現する、カスタム設計された「パッシブヘッドモーション」システムについて説明しています。それは身体運動の有益な効果から機械的要因/要素を解剖することを可能にします。

要約

運動は、脳機能障害に関連するものを含むさまざまな病気や身体障害に効果的であると広く認識されています。しかし、運動の有益な効果の背後にある分子メカニズムはよくわかっていません。多くの身体トレーニング、特にジョギングやウォーキングなどの有酸素運動に分類されるトレーニングは、地面との足の接触時に衝動的な力を生み出します。したがって、運動が生物の恒常性にどのように寄与するかには、機械的影響が関係しているのではないかと推測されました。この仮説を脳で検証するために、制御され定義された大きさとモードで垂直加速度を生成し、中程度の速度で走るトレッドミル中にげっ歯類の頭に適用される可能性のある機械的刺激を再現できるカスタム設計された「パッシブヘッドモーション」(以下、PHMと呼びます)システムが開発されました動物における運動の効果をテストするための典型的な介入。このシステムを使用することにより、PHMがマウスの前頭前野(PFC)ニューロンにおけるセロトニン(5-ヒドロキシトリプタミン、以下、5-HT_と呼ぶ)受容体サブタイプ2A(5-HT2A)シグナル伝達を再現することが実証されました。この研究は、PHMを適用し、げっ歯類の頭で結果として生じる機械的加速度を測定するための詳細なプロトコルを提供します。

概要

運動は、糖尿病や本態性高血圧症などの生活習慣病を含むいくつかの身体障害を治療または予防するのに有益です¹。これに関連して、運動が脳機能に及ぼすプラスの効果に関する証拠も蓄積されています²。しかし、脳にとっての運動の利点の根底にある分子メカニズムは、主に未解明のままです。ほとんどの身体活動やトレーニングは、少なくともある程度は、頭に機械的加速を生成します。さまざまな生理学的現象が機械的に制御されているのに対し、機械的負荷の重要性は、ほとんどの場合、筋骨格系で文書化されています^3,4,5。脳は身体活動、特にいわゆる衝撃運動中にも機械的な力を受けますが、生理学的脳機能の機械的調節はほとんど研究されていません。頭部での機械的加速度の生成は身体的なトレーニングに比較的一般的であるため、機械的調節は脳機能に対する運動の利点に関係している可能性があると推測されています。

5-HT_2A受容体シグナル伝達は、神経系で機能する様々な生化学的シグナルの中でも感情や行動を調節するのに不可欠です。それは複数の精神疾患に関与しています

プロトコル

すべての動物実験は、国立障害者リハビリテーションセンターの施設動物管理および使用委員会によって承認されました。8〜9週齢の雄のSprague-Dawleyラットを使用して、トレッドミルランニングおよびPHM中の頭部での加速度を測定しました。9〜10週齢の雄C57BL / 6マウスを、PFCの行動試験および組織学的分析に使用しました。 動物は商業的な供給源から入手した( 材料表を参照)。

1.トレッドミル走行中のx、y、z軸に沿った加速度の大きさの測定

1. 1.5%イソフルランを吸入してラットを麻酔する。
   注:ラットは、実験室環境に少なくとも1週間順応した後に使用されました。ラットが後肢のつま先のつまみに反応しないことを確認してください。
2. サージカルテープを使用して、加速度計( 材料の表を参照)をラットの頭の上に固定します。
3. 麻酔から完全に回復したら、ラットをトレッドミルマシンに入れ( 材料の表を参照)、トレッドミルを中程度の速度(20 m / min)に調整します¹² (図1A)。
   注:イソフルラン吸入の終了後、ラットの麻酔からの完全な回復を確認し、トレッドミル実験を開....

結果

中程度の速度(20 m / min)で走行しているトレッドミル中のラットの頭部での垂直加速度のピークの大きさは約1.0 × g でした(図1C)。PHMシステム(図1D)は、げっ歯類の頭部に1.0 × g の垂直加速度ピークを生成するように設定されました。

マウスへのPHM適用(2 Hz、30分/日で7日間)は、対照マウス(PHMなしで30分/日、7日間毎日.......

ディスカッション

開発したPHM応用システムを用いて、PFCニューロンの5-HTシグナル伝達が機械的に制御されていることを示しました。運動効果は複雑であるため、健康増進の文脈で運動の結果を正確に分析することは困難でした。焦点は、エネルギー消費などの運動活動に伴って、またはその後に発生する可能性のある代謝イベントの関与または寄与を排除するための機械的側面にあります。ここで説明した方.......

資料

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