Name: automated gait analysis to assess functional recovery in rodents with peripheral nerve or spinal cord contusion injury
Uploaded: 2020-10-06T15:00:00
Duration: 6 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Automated Gait Analysis to Assess Functional Recovery in Rodents with Peripheral Nerve or Spinal Cord Contusion Injury at JoVE.com

Forfatterne vil gjerne takke Karin Brenner for hennes lidenskapelige omsorg for dyrene. Forfatterne vil også takke Claudia Keibl, James Ferguson, Gabriele Leinfellner og Susanne Drechsler for deres hjelp under eksperimentelle operasjoner.

Forfatterne erklærer at dette arbeidet ble støttet av Noldus Inc. ved dekning av publikasjonsgebyret for åpen tilgang. Ingen av forfatterne fikk noen personlig lønn eller noen form for økonomisk gratuitet. Forfatterne har ingen andre konkurrerende interesser å erklære.

Vurdering av funksjonell utvinning i dyremodeller av PNI og SCI er fortsatt utfordrende på grunn av det store utvalget av evalueringsmetoder, hver med individuelle fordeler og ulemper. Bare få tilnærminger har blitt testet og validert i flere modeller av perifere og sentralnerveskader, selv om lovende nye teknikker som kombinerer bevegelsessporing og maskinlæring kan potensielt drive nevroatferdsforskning til neste nivå av funksjonell testing. Vi er overbevist om at banebrytende metoder som er bredt anvendelige for et bredt utvalg av dyre- og skademodeller snart vil dukke opp. I lys av disse betraktningene er en av fordelene med AGA muligheten til å evaluere funksjonell gjenoppretting i flere modeller av nerveskade ved hjelp av bare én enhet. Siden tidlig på 2000-tallet har denne tilnærmingen blitt brukt i eksperimentelle modeller av PNI somisjias 37,peroneal38og lårnerveskade modell22, samt etter rot avulsion av både lumbal39 og brachial plexus40. Ulike sentralnerveskader, inkludert ryggmargskontusjonsskade, er også studert med metoden41,42. Med dette papiret presenterte vi en detaljert protokoll om hvordan man induserer tre vanlige nerveskader, samt hvordan man evaluerer funksjonell gjenoppretting etterpå. Etter vår mening ville en praktisk retningslinje for forskere som er interessert i området eksperimentell nerveskade, reparasjon og regenerering om hvordan man kan gjøre optimal bruk av metodens fordelaktige egenskaper være til stor hjelp.
Flere forfattere har adressert potensialet til AGA for å evaluere funksjonell gjenoppretting hos gnagere, og fremhever metodens fordel for å samtidig vurdere gangartparametere knyttet til motor og sensorisk reinnervation27,28. I tillegg, sammenligning av data fra en eksperimentell pote, for eksempel rekonstruert nerveskade til en ikke-bruket pote som det ble vist i begge modellene som presenteres tillater inkludering av en intra-dyr positiv kontroll. Omvendt kan en operert pote uten kirurgisk rekonstruksjon eller ytterligere behandling tjene som en intra-dyr negativ kontroll. Det ble også vist at det er mulig å kombinere AGA med maskinlæring tilnærminger43. Til tross for metodens fordeler, har den også flere begrensninger og ulemper, for eksempel den tidkrevende treningsinnsatsen, som er obligatorisk for å venne dyret til oppkjøpsprosedyren28,44. En annen begrensning av AGA er den maksimale størrelsen på dyrene som er kvalifisert for testing på grunn av apparatets begrensede dimensjoner. Derfor er bruken av AGA for tiden begrenset til dyr på størrelse med gnagere og ildere45. I tillegg kan nylig nye nevroatferdsvurderingsmetoder innen bevegelsessporing som er i stand til maskinlæring, overgå AGA i både omfattende så vel som mulige applikasjoner18,19,46. Mest bemerkelsesverdig, men i samsvar med andre evalueringsmetoder, ser det ut til at funksjonell utvinning som vurdert av AGA er sterkt begrenset - hvis selv forekommer- i modeller av isjiasnerveovitenskap47,48. På den annen side gir AGA omfattende evaluering av løpet av funksjonell gjenoppretting etter lårnerve nevrotmese som vist av våre data. Med dette arbeidet demonstrerte vi at Paw Print Area er en representativ gangartparameter som kan vurderes via AGA, noe som er eksemplarisk for løpet av funksjonell gjenoppretting i de to nevnte perifere nerveskademodellene presentert av oss. Mens funksjonell utvinning annonse integrum var observerbar etter autograft reparasjon av lårnerven, AGA parametere ble fortsatt betydelig endret fra baseline på slutten av observasjonsperioden etter autograft reparasjon av isjiasnerven. Det er bemerkelsesverdig i denne sammenheng at lem kontrakturer er et vanlig fenomen hos rotter med isjiasnerveskade og forsiktighet er nødvendig for ikke å forvirre disse tegn på muskelubalanse og lammelse med den fortsatte funksjonelleutvinningen 32. Dette på den ene siden understreker AGA-metodens manglende evne til å oppdage betydelig funksjonell gjenoppretting etter nevrotmeseskade i denne modellen. På den annen side reiser det spørsmålet om det er mulig å evaluere den isjiasnerveskademodellen til rotten, som fortsatt er den mest brukte eksperimentelle nervereparasjonsmodellen, ved hjelp av ganganalyse generelt i tilfelle nerveskaden er mer alvorlig enn axonotmesis48. Du finner feilsøkingsdetaljer i Tilleggsfilen 1.
Vi har også gitt eksemplariske data om bruk av metoden for å evaluere lokomotorisk funksjon hos rotter med ryggmargsskade, noe som er mulig uten nødvendige endringer i maskinvareoppsettet eller oppkjøpsprosedyren. Det samme prinsippet gjelder for andre gnagermodeller av sentralnerveskade (CNI)26,49,50 og rotavulsjonsskade. I motsetning til isolerte PNIer er skader i ryggmargen langt mer komplekse i deres patofysilogiske konsekvenser, da en rekke svært viktige strukturer er skadet, som involverer efferent veier som kortikospinal- og rubrospinale traktater og afferent veier som ryggsøyler og spinothalamus traktater35. Utfordringen med å tilstrekkelig vurdere disse patologiske endringene gjenspeiles i den omfattende bevæpningen av atferdstester, som Basso, Beattie og Bresnahan (BBB) score36. Gangart parameteren Base of Support har blitt rapportert å øke etter sentralnerveskader, mest sannsynlig for å gjøre rede for en resulterende instable gangart. Base of Support ble betydelig endret fra baseline fra WPO10 til WPO14 i vår modell, og støtter vår antagelse om at denne parameteren tillater vurdering av løpet av funksjonell gjenoppretting av AGA etter thorax ryggmargskontusjonsskade.
Vi er overbevist om at AGA er et mulig verktøy for å evaluere funksjonell gjenoppretting hos gnagere med skader i nervesystemet. Likevel anbefaler vi å reflektere de observerte endringene av gangart nøye og grundig i hvert respektive eksperimentelle oppsett. Endringer i gangartparametere, for eksempel en økning i utskriftsområdet etter en umiddelbar postoperativ reduksjon eller en reduksjon i Swing Time som foregår en umiddelbar postoperativ økning av denne parameteren, i løpet av observasjonsperioden, er ikke uunngåelig relatert til funksjonell gjenoppretting. I stedet kan disse endringene også være relatert til en mulig funksjonell tilpasning for å opprettholde en ubetydelig gangart, gitt at rotter er en byttedyrart og prøver å unngå å vise smerte eller funksjonshemning tilpotensielle rovdyr 51. Det anbefales derfor å bruke automatisert ganganalyse som et komplementært verktøy for å relatere endringer av gangart til andre utfallsmål for perifer nerveskade og regenerering21. Som nevnt tidligere, mener vi også at det bør gjenspeiles nøye hvis gnagere med isjiasnerveotmesis bør undersøkes ved hjelp av AGA, da vårt funn sterkt indikerer at funksjonell gjenoppretting er sterkt begrenset i dette tilfellet.
Som vist i vårt arbeid, er AGAs viktigste ressurs muligheten til å studere både motorisk og sensorisk reinnervasjon i en rekke eksperimentelle PNI-modeller samt CNI, samtidig som det bare krever ett oppsett. Derfor er metoden etter vår mening et svært verdifullt verktøy for omfattende nevroatferdstesting. En av AGAs eiendeler, som er muligheten til å studere motoriske og sensoriske reinnervation i ulike dyremodeller av PNI og CNI mens det bare krever ett oppsett, er etter vår mening metodens største fordel i forhold til andre evalueringsmetoder for å studere funksjonell utvinning, for eksempel gangsporanalyse52, Von Frey testing53eller gangart kinematikk16. Potensialet til samtidig å evaluere endringer av gangart som enten korrelerer med resultatene av elektrofysiologiske undersøkelser av reinnervated muskel22 eller evalueringsmetoder for sensoriskfunksjon 54 er lovende med hensyn til fremtidige anvendelser av metoden. Vi anbefaler derfor å bruke AGA til å undersøke funksjonell gjenoppretting i gnagermodeller av forben PNI, for eksempel ulnar, radial eller median nerve, eller eksperimentelle nerveoverføringsmodeller55, som forblir ustudert med denne metoden ennå.
Vi gir herved en detaljert protokoll om hvordan du bruker automatisert ganganalyse for å studere funksjonell gjenoppretting i tre gnagermodeller av nerveskade. Mens metoden krever nøye vurdering av ulike viktige aspekter som tilstrekkelig trening og omhyggelig hard- og programvarekalibrering, er det et mulig og verdifullt komplementært verktøy for å evaluere nerveregenerering i gnagermodeller av sentral og perifer nerveskade.

Skader på perifert og sentralnervesystemet studeres ofte hos gnagere, noe som resulterer i en stor mengde komparative data om løpet av nerveskade, reparasjon eller nevrobeskyttelse for å motvirke ytterligere sekundære skader og regenerering1,2,3. Utfallet av eksperimentelle behandlingsstrategier i gnagermodeller kan vurderes ved en rekke teknikker som histologi, immunohistokjemi, elektrofysiologi og bildeteknikker som røntgenmikrotomografi (μCT), men det viktigste kriteriet for å bestemme suksessen til en behandling er - som hos menneskelige pasienter - graden av funksjonellgjenoppretting 4,5. De første studiene som undersøker lokomotorisk ytelse hos gnagere dateres tilbake til 1940-tallet6,7,8. Rotter og mus ble utsatt for en stor mengde studier som undersøkte deres lokomotoriske oppførsel i de følgendetiårene 9,10,11. I dag finnes det et bredt spekter av vurderingsteknikker for gnagermodeller av perifere og sentrale nerveskader, alt fra gangsporanalyse med blekk og papir12,13,14 over ankel- og gangart kinematikk15,16,17 til maskinlæring forbedrede metoder, noe som gir mulighet for kompleks estimering av gangart, lem og felles baner18,19.
Datastyrt automatisert ganganalyse (AGA) brukes til å evaluere lokomotorisk funksjon etter perifere og sentralnerveskader og potensiell eksperimentell behandling av slike skader. Enheten består hovedsakelig av en glassgangvei og en lyskilde som lyser gnagerens poteutskrifter i korrelasjon med trykket som overskrides av dem. Disse dataene datastyres deretter for å beregne et bredt utvalg av statiske og dynamiske parametere. Ifølge Deumens kan disse parametrene videre deles inn i kategoriene generelle parametere, smerterelaterte parametere samt koordineringsrelaterte parametere forgangart 20 (tabell 1). Muligheten for AGA for å oppdage endringer i gangart atferd har blitt bevist i ulike dyremodeller av perifer nerveskade (PNI)21, for eksempel isjiasnerven20,lårnerven22, og median nerve23,24. Det brukes også rutinemessig til å vurdere lokomotorisk funksjon hos rotter med sentralnerveskader, for eksempelslag 25 eller ryggmargskontusjon26. Metodens fremskritt ligger i den store mengden sammenlignbare data og dens mulighet til å registrere en mengde parametere knyttet til gangart27. Dette papiret tar sikte på å gi forskere som er interessert i dyremodeller av PNI og ryggmargsskade (SCI) en detaljert og praktisk retningslinje for å vurdere lokomotorisk funksjon i slike modeller.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Kategori</td>
			<td>Parameteren</td>
			<td colspan="2">Beskrivelse</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="4">Generelle parametere for gangart</td>
			<td>Utskriftsområde (avstandsenhet)</td>
			<td colspan="2">Område av pote utskrift</td>
		</tr>
<tr>
<td>Utskriftslengde (avstandsenhet)</td>
			<td colspan="2">Lengden på poteutskriften</td>
		</tr>
<tr>
<td>Støttebase (BoS) (avstandsenhet)</td>
			<td colspan="2">Avstand mellom de to bak- eller fremre potene</td>
		</tr>
<tr>
<td>Løpelengde (avstandsenhet)</td>
			<td colspan="2">Avstand mellom to påfølgende plasseringer av en pote</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="3">Smerterelaterte parametere for gangart</td>
			<td>Svingtid (er)</td>
			<td colspan="2">Varighet av svingfasen</td>
		</tr>
<tr>
<td>Ståtid (er)</td>
			<td colspan="2">Varighet av holdningsfasen</td>
		</tr>
<tr>
<td>Gjennomsnittlig poteutskriftsintensitet (vilkårlig enhet)</td>
			<td colspan="2">Gjennomsnittlig iIntensity av poten print i løpet av holdningsfasen</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="3">Koordineringsrelaterte parametere for gangart</td>
			<td>Normale trinn sekvens mønstre (NSSP)</td>
			<td colspan="2">Spesifikke sekvenser av poteplasseringer under en trinnsyklus</td>
		</tr>
<tr>
<td>Fase dispersjoner (%)</td>
			<td colspan="2">Timelige forskjeller mellom trinnsyklusene til to spesifikke poter</td>
		</tr>
<tr>
<td>Regularitetsindeks (RI) (%)</td>
			<td colspan="2">Kvantifisering av interlimb koordinering ved å dele mengden feilfri NSSP ganger 4 med det totale antallet poteplassering i løpet av ett trinn syklus</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 1: Parametere for gangart som kan vurderes med den automatiserte ganganalysen. Kategoriene der parametrene er klassifisert er valgt i henhold til Deumens et al.20.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.9% Saline</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>3570410</td>
			<td>Vehicle for drug delivery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 ml syringe</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>9161708V</td>
			<td>Injecting device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 ml syringe</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>4606728 V</td>
			<td>Injecting device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-Propanol, 2-Propanol, Hexetidin</td>
			<td>Gebro Pharma</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Alcoholic skin disinfection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>23-gauge (G) canula</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>4657667</td>
			<td>Canula for s.c. injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>26-gauge (G) canula</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>4657683</td>
			<td>Canula for s.c. injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 ml syringe</td>
			<td>B. Braun Austria</td>
			<td>4606710 V</td>
			<td>Injecting device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorphine hydrochloride</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>B9275</td>
			<td>Analgetic agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Burrs for Micro Drill</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>19007-29</td>
			<td>Drilling of a hole inside the lamina</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caprofen</td>
			<td>Zoetis Austria</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Analgetic agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catwalk Automated gait analysis system</td>
			<td>Noldus</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Automatic analysis software of animal gait</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cauterizer Kit</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>18010-00</td>
			<td>Cauterization of vessels during surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Enrofloxacin</td>
			<td>Bayer Austria</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Antibiotic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethilon (10-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>2810G</td>
			<td>Suture material for neurrorhaphy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethilon (11-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>EH7465G</td>
			<td>Suture material for neurrorhaphy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye ointment</td>
			<td>Fresenius Kabi Austria</td>
			<td>4302436</td>
			<td>Eye protection during anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Friedman-Pearson Rongeurs</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>16221-14</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gabapentin</td>
			<td>Wedgewood Pharmacy</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Analgetic agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goldstein retractor</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>17003-03</td>
			<td>Retraction of tissues during surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hair trimmer</td>
			<td>Aescular</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Hair trimmer for shaving of the operation site prior to surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating Pad for rodents</td>
			<td>ALA Scientific Instruments</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Regulation of body temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impactor</td>
			<td>Precision Systems and Instrumentation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Induction of spinal cord contusion</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lewis rat (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61852/61852equ01.jpg" />)</td>
			<td>Janvier</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Experimental animal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic Fixator Retraction System</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>18200-50</td>
			<td>Retraction of tissues during surgery</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metzenbaum Baby Scissors</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>14019-13</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Drill</td>
			<td>Word Precision Instruments</td>
			<td>503599</td>
			<td>Instrument for bone drilling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Needle holder</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>12076-12</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-scissors (curved)</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>15023-10</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-scissors (straight)</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>15007-08</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirror Finish Forceps</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>11251-23</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle holder</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>12002-12</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operating microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>M651 MSD</td>
			<td>Magnification of the operative site</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Povidone Iod</td>
			<td>B. Braun Melsungen</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Non-alcoholic skin disinfectant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse Oximeter</td>
			<td>STARR Life Sciences</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Surveillance of heart rate and oxygen saturation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rodent thermometer</td>
			<td>BIOSEB</td>
			<td>BIO-TK8851</td>
			<td>Surveillance of body temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel blade</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>10010-00 (#10)</td>
			<td>Surgical instrument to make an incision</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel handle</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>10003-12 (#3)</td>
			<td>Surgical instrument to make an incision</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sevoflurane Inhalation Vapour, Liquid (100%)</td>
			<td>Baxter</td>
			<td>HDG9117A</td>
			<td>Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spatula &#38; Probe</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>10090-13</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sprague Dawley rat (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61852/61852equ01.jpg" />)</td>
			<td>Janvier</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Experimental animal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterila gauze 5x5cm</td>
			<td>EVAC MEDICAL</td>
			<td>E010.03.00215</td>
			<td>Sterile gauze compress</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue Forceps</td>
			<td>F.S.T</td>
			<td>11021-12</td>
			<td>Surgical instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vicryl (4-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>V3040H</td>
			<td>Suture material for subcutaneous sutures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vicryl (5-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>V303H</td>
			<td>Suture material for subcutaneous sutures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vicryl cutting needle (4-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>V392ZH</td>
			<td>Suture material for skin sutures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vicryl cutting needle (5-0)</td>
			<td>ETHICON</td>
			<td>V391H</td>
			<td>Suture material for skin sutures</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated gait analysis to assess functional recovery in rodents with peripheral nerve or spinal cord contusion injury

Perifere og sentrale nerveskader studeres for det meste hos gnagere, spesielt rotter, gitt det faktum at disse dyremodellene er både kostnadseffektive og mange komparative data har blitt publisert i litteraturen. Dette inkluderer en rekke vurderingsmetoder for å studere funksjonell gjenoppretting etter nerveskade og reparasjon. Foruten evaluering av nerveregenerering ved hjelp av histologi, elektrofysiologi og andre in vivo- og in vitro-vurderingsteknikker, er funksjonell gjenoppretting det viktigste kriteriet for å bestemme graden av nevrale regenerering. Automatisert ganganalyse tillater registrering av en stor mengde gangartrelaterte parametere som Paw Print Area og Paw Swing Speed, samt tiltak for inter-lem koordinering. I tillegg gir metoden digitale data om rottenes poter etter nevronal skade og under nerveregenerering, og legger til vår forståelse av hvordan perifere og sentralnerveskader påvirker deres lokomotoriske oppførsel. Foruten den overveiende brukte isjiasnerveskademodellen, kan andre modeller av perifer nerveskade som lårnerven studeres ved hjelp av denne metoden. I tillegg til skader i perifere nervesystemer, kan lesjoner i sentralnervesystemet, for eksempel ryggmargskontusjon, evalueres. Gyldig og reproduserbar datavurdering er sterkt avhengig av omhyggelig justering av innstillingene for hardt og programvare før datainnhenting. I tillegg er riktig opplæring av de eksperimentelle dyrene av avgjørende betydning. Dette arbeidet tar sikte på å illustrere bruken av datastyrt automatisert ganganalyse for å vurdere funksjonell utvinning i ulike dyremodeller av perifer nerveskade samt ryggmargskontusjonsskade. Det understreker også metodens begrensninger, for eksempel evaluering av nerveregenerering hos rotter med isjiasnervevektose på grunn av begrenset funksjonell gjenoppretting. Derfor er denne protokollen antatt å hjelpe forskere som er interessert i perifere og sentralnerveskader for å vurdere funksjonell gjenoppretting i gnagermodeller.

12 rotter gjennomgikk eksperimentell perifer nervekirurgi. Isjiasnerve reseksjon (figur 2A) ble utført hos 7 rotter, mens lårnervennevøktose (figur 2B) ble indusert hos 5 rotter. I alle dyr ble nervefeilen rekonstruert ved hjelp av et autologt nervetransplantat. Ryggmargskontusjonsskade (figur 2C) på nivåth 11 ble indusert hos 6 rotter, noe som resulterte i totalt 18 rotter.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig02.jpg"> Figur 2: Operative steder etter nerverekonstruksjon. Nerve rekonstruksjon med autografts i isjiasnerven (A) og lårnerven (B) samt etter ryggmargskontusjon skade (C). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig02large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Alle dyr kom seg godt etter operasjonen, og ingen tilfeller av selvlemlestelse oppstod. Et dyr i isjiasnerveskadegruppen utviklet sterke kontrakturer av høyre bakpote i løpet av den postoperative observasjonsperioden og måtte utelukkes fra videre dataanalyse.
Isjiasnerve nevrotmese Siden isjiasnerven gir muskel- og sensorisk innervering til flertallet av bakklimat, resulterer reseksjonen i en alvorlig svekkelse av lokomotorisk funksjon. Etter skade bruker rotter hælen på poten kun til vektstøtte (figur 3B–E) og lemmen flyttes i en feiende omkretsbevegelse. Derfor blir lokomotoriske endringer vurdert via AGA tydelige ved hjelp av et betydelig redusert utskriftsområde (figur 4A) og betydelig økt svingtid (figur 4B). Begge parametrene ble fortsatt betydelig endret i forhold til Pre-OP målinger som ved slutten av observasjonsperioden. Bemerkelsesverdig, ett dyr utviklet sterke kontrakturer av høyre bakpote starter på postoperativ uke (WPO) 10. Dette resulterte i en økning av utskriftsområdet på høyre bakpote til mer enn 150% sammenlignet med venstre pote ved WPO12 (figur 5). Siden dette var et ekstremum sammenlignet med alle andre dyr som ble vurdert i denne studien, utelukket vi dette dyret fra dataanalyse i forhold til Utskriftsområde.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig03.jpg"> Figur 3: Representative poteutskrifter før og etter kritisk størrelsesreksjon av riktig isjiasnerve og autograftreparasjon. Legg merke til den sterke nedgangen i utskriftsområdet etter nerveskade (B) sammenlignet med preoperativt (A). Til tross for en liten økning i utskriftsområdet i løpet av observasjonsperioden (C–E) forble poteutskriftene av høyre bakben spesielt endret fra baseline-opptak. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig03large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig04.jpg"> Figur 4: Løpet av funksjonell utvinning etter kritisk størrelse reseksjon og autograft reparasjon av isjiasnerven. Forholdet mellom utskriftsområdet (A) og svingtidsforholdet (B) ble statistisk endret betydelig fra Pre-OP-verdier umiddelbart etter isjiasnerve reseksjon. Mens utskriftsområdet forble betydelig redusert sammenlignet med baseline frem til WPO10, ble svingtiden fortsatt betydelig økt til Pre-OP-verdier ved WPO12. *: p < 0,05 sammenlignet med Pre-OP, **: p < 0,01 sammenlignet med Pre-OP. Feilfelt indikerer ± standardfeilen for gjennomsnittet (SEM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig04large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig05.jpg"> Figur 5: Boxplot i løpet av Utskriftsområdet etter isjiasnerveskade. Legg merke til ekstremum (rød ellipse) ved WPO12, som forklares av det faktum at ett dyr utviklet sterke kontrakturer av høyre bakpote fra WPO10. Dyret ble derfor ekskludert fra den statistiske analysen som vises i figur 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig05large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Lårnerven neurotmesis Femoral nerve reseksjon resulterer i denervasjon av quadriceps muskelen ilåret 33,34. Som følge av dette er kneforlengelsen svekket, noe som resulterer i hyperflexion av ankelleddet med påfølgende løfting av potens hæl. Derfor er den respektive potens utskriftsområde (figur 6B), sterkt redusert etter operasjonen. Utskriftsområdet på venstre bakpote økes på grunn av en kompenserende forskyvning av vekt til venstre. Dette bør holdes i tankene, da dette fenomenet direkte påvirker det beregnede forholdet mellom den "eksperimentelle" og "kontroll" poten. Fra WPO4 reinnervation av quadriceps av regenererende lårnerve fører til reversering av disse endringene som resulterer i økt Paw Print Area av høyre bakpote (Figur 7A). Som quadriceps muskelen i låret også spiller en rolle i svingfasen av den respektive poten, Swing Time (Figur 7B) er sterkt forlenget hos rotter med lårnerveskade. Speiling retur av Utskriftsområdet, Swing Time reduseres som regenererende lårnerven når quadriceps muskelen i låret. Ved WPO10 returnerte begge parametrene for gangart til baseline, noe som signaliserer full funksjonell gjenoppretting.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig06.jpg"> Figur 6: Representative poteutskrifter. Representative poteutskrifter før (A) og følgende (B–E) høyre lårnerve reseksjon og autograft reparasjon. Utskriftsområdet av RF gikk sterkt ned ved WPO2 (B), mens en økning i utskriftsområdet på venstre bakpote (LH) på grunn av økt vektbelastning ble synlig. RH Utskriftsområdet begynte å øke fra WPO6 (C) ledsaget av en reduksjon i utskriftsområdet på LH. Ved WPO8 (D) og WPO10 (E) Utskriftsområdet av RF gjenopprettet tilbake nær preoperative nivåer. (Tilpasset med tillatelse fra Heinzel et al.22, lisensiert under CC BY 4.0.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig06large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig07.jpg"> Figur 7: Løpet av funksjonell utvinning etter 7 mm reseksjon og autograft reparasjon av lårnerven. Løpet av Print Area Ratio (A) og Swing Time Ratio (B) viste en sterk endring umiddelbart etter lårnerven reseksjon, men verdier gjenopprettet tilbake til preoperative verdier på WPO8. #: p < 0,05. Feilfelt indikerer gjennomsnittlig ± SEM. (Tilpasset med tillatelse fra Heinzel et al.22, lisensiert under CC BY 4.0.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig07large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Kontusjon i ryggmargen Ganganalyse viste markert endrede poteutskrifter etter thorax ryggmargskontusjonsskade (figur 8), mest bemerkelsesverdig en reduksjon i Utskriftsområdet og en markert intern rotasjon av bakpotene ved WPO2 (figur 8B). Bemerkelsesverdig, poterotasjonen er også implementert som en assessable funksjon i BBB, understreker anvendelsen av datastyrt ganganalyse for å evaluere endringer av gangart som opprinnelig ble evaluert med Open Field testing. Når det gjelder løpet av de enkelte gangartparametrene, resulterte ryggmargskontusjon påTh 11-nivået i en reduksjon av utskriftsområdeforholdet (figur 9A) og økning av swing tidsforhold (figur 9B). Begge parametrene trendet mot baselinenivåer i den videre perioden av observasjonsperioden, men det var ingen statistisk signifikante endringer observerbare. Den koordineringsrelaterte parameteren Regularity Index (figur 9C) gikk også ned ved WPO2, men graden varierte sterkt mellom dyr. Det trendet også mot preoperative verdier frem til WPO16. Base of Support of the hind paws (Figur 9D), en generell parameter av gangart i henhold til Deumens, viste en markert økning, som var statistisk signifikant fra WPO10 til WPO14. Den trendet mot baselinenivåer ved WPO16 og ble ikke lenger signifikant endret fra Pre-OP-verdien på dette tidspunktet.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig08.jpg"> Figur 8: Representative poteutskrifter av de to bakpotene. Pote utskrifter preoperativt (A) og etter thorax ryggmargskontusjon skade (B-F). Legg merke til reduksjonen i utskriftsområdet fra WPO2 (B) ledsaget av en bemerkelsesverdig intern rotasjon av potene. I løpet av observasjonsperioden (C–F) er en økning av utskriftsområdet observerbar, samt klaring av den interne rotasjonen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig08large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61852/61852fig09.jpg"> Figur 9: Ryggmargskontusjon på th 11 nivå. Ryggmargskontusjon ved th 11 resulterte i observerbare endringer i Utskriftsområdeforhold (A) og svingtid (B) og Regularity Index (C), men disse endringene var ikke statistisk signifikante. Etter skade viste Støttebase for bakpotene en markert økning sammenlignet med baseline, det som var statistisk signifikant ved WPO10 til WPO14. *: p < 0,05 sammenlignet med Pre-OP. Feilfelt indikerer gjennomsnittlig ± SEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61852/61852fig09large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.</a>
Tilleggsfil 1: Feilsøkingsdetaljer. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61852/Supplementary_File_1.docx" target="_blank">Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Automated Gait Analysis to Assess Functional Recovery in Rodents with Peripheral Nerve or Spinal Cord Contusion Injury at JoVE.com

Automated Gait Analysis to Assess Functional Recovery in Rodents with Peripheral Nerve or Spinal Cord Contusion Injury

Automatisert ganganalyse er et mulig verktøy for å evaluere funksjonell gjenoppretting i gnagermodeller av perifer nerveskade og ryggmargskontusjonsskade. Selv om det bare krever ett oppsett for å vurdere lokomotorisk funksjon i ulike eksperimentelle modeller, er omhyggelig hard- og soft-ware justering og trening av dyrene svært viktig.

Automatisert gangart analyse for å vurdere funksjonell utvinning hos gnagere med perifer nerve eller ryggmargskontusjonsskade

Peripheral and central nerve injuries are mostly studied in rodents, especially rats, given the fact that these animal models are both cost-effective and ...

Automatisert ganganalyse er en mye brukt metode for evaluering av funksjonelle gjenopprettingsregistreringsmodeller av perifer nerveskade, reparasjon og regenerering. Metoden kan brukes til å studere endringer i gangart etter perifer nerveskade, knyttet til motorisk og sensorisk nervefunksjon. Forskere som er nye på metoden kan oppleve vanskeligheter med å skaffe data av høy kvalitet.Typiske hindringer er tilstrekkelig dyretrening og nøyaktig maskinvare- og programvarekalibrering. Under treningsøkter og på testdagen slår du av alle lyskildene i atferdstestrommet og vender dataskjermen for datainnsamling vekk fra kameraet for å hindre at lyset forstyrrer kameraet. Bekreft at enheten er installert i en stabil posisjon på en måte som forhindrer noen form for vibrasjon, og ta rottene inn i atferdstestrommet i sitt eget hjem bur i minst 30 minutter før testen, På den første treningsdagen, forsiktig gripe et dyr under bagasjerommet og forsiktig plassere den i gangveiinngangen.La rotten utforske åpningen av korridoren uten forstyrrelser, og vent til dyret frivillig krysser gangveien for å nå sitt hjem bur uten ekstern stimulans eller motivasjon. På den andre treningsdagen, la dyrene bli vant til å gå inn i gangveien og gå tilbake til deres hjem bur uten å nøle. På den tredje treningsdagen bekrefter du at dyrene har lært å krysse gangveien i en jevn hastighet uten å nøle, snuse eller andre utforskende bevegelser.På fjerde og femte, gjenta treningen for å forsterke testprosedyren. På dagen for eksperimentet, bruk kommersiell glass renere og en nal for å rengjøre toppen og bunnen av gangveien tar vare på å fjerne all væske fra endene av gangveien. Plasser både de letteste og tyngste rottene på gangveien og velg et registrert kamera fra oppsettfanen for å tillate kameraforsterkning, rødt taklys, grønt gangveislys og grønn intensitetsterskelen som skal justeres for å sikre en optimal poteutskriftsdeteksjon for alle dyrene i analysen.Deretter klikker du åpen anskaffelse og får et øyeblikksbilde av den tomme rensede gangveien som skal brukes som referanse gjennom hele datainnsamlingsprosedyren. Statusen endres fra å vente på øyeblikksbilde til klar for anskaffelse. Klikk start anskaffelse.Statusen endres fra klar for anskaffelse til å vente på at kjøringen skal starte. Når kameraet er klart, plasser en rotte på gangveien og følg dyrets bevegelse på dataskjermen. Vær oppmerksom på at statusendringen fra å vente på kjøring for å starte opptaket kjøres.På slutten av analysen klikker du klassifisere i den eksperimentelle utforskerfanen i studien som skal klassifiseres, og spille den ervervede kjøringen med normal hastighet for å finne ut om dataene er i samsvar med klassifiseringskravene. Klikk automatisk klassifisere for automatisk klassifisering av pote utskrifter av programvaren. For riktig beregning av de normale trinnsekvensmønstrene må du kontrollere at klassifiseringsalgoritmen ikke er forvirret av ikke-synlige poteutskrifter, noe som fører til feil NSSP, og at bare poteutskrifter som kan oppdages mens den kontralaterale poten også er synlig for NSSP-beregninger er inkludert.For statistisk analyse av dataene klikker du vis kjørestatistikk for å få en omfattende oversikt over kjørestatistikken. Velg deretter fil og eksport, for å eksportere kjøre- eller prøvestatistikken til en regnearkprogramvare. Etter isjiasnerveskade bruker rotter hælen på poten kun for vektstøtte, og lemmen flyttes i en feiende omkretsbevegelse.Derfor blir lokomotoriske endringer vurdert via automatisert ganganalyse tydelig av et betydelig redusert utskriftsområde og en betydelig økt svingtid. Femoral nervereseksjon resulterer i denervasjon av quadriceps muskelen i låret, svekker kneet forlengelse og indusere hyperfleksjon av ankelleddet med påfølgende løfting av tilsvarende hæl. Fra og med postoperativ uke fire fører reenervasjon av quadriceps av den regenererende lårnerven til reversering av disse endringene.Siden quadriceps muskelen i låret også spiller en rolle i svingfasen av den respektive poten, er svingtiden sterkt forlenget hos rotter med lårnerveskade. Gangart analyse avslører markert endrede pote utskrifter etter thorax ryggmargen kontusjon. Ryggmargskontusjon på thorax 11-nivået resulterer også i en reduksjon av utskriftsområdeforholdet, en økning av svingtidsforholdet.Den koordineringsrelaterte regularitetsindeksen reduseres også etter uke to, mens støtten til bakpotene viser en markert økning. Når du bruker automatisert gateanalyse for å evaluere funksjonell gjenoppretting hos gnagere, må du nøye trene dyrene og være omhyggelig når du gjør noen programvare- eller maskinvarejusteringer. Ved hjelp av automatisert ganganalyse kan skade og regenerering av det sentrale og perifere nervesystemet evalueres i ulike gnagermodeller, inkludert ennå ikke-utyderte formelle nervemodeller, for eksempel mediannerven.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Transplantation of Olfactory Ensheathing Cells to Evaluate Functional Recovery after Peripheral Nerve Injury

Transplantasjon av Olfactory Ensheathing Cells å evaluere Funksjonell Recovery etter perifer nerveskade

Olfactory ensheathing cells (OECs) are neural crest cells which allow growth and regrowth of the primary olfactory neurons. Indeed, the primary olfactory ...

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

An Ex Vivo Laser-induced Spinal Cord Injury Model to Assess Mechanisms of Axonal Degeneration in Real-time

En<em&gt; Ex Vivo</em&gt; Laser-indusert ryggmargsskade Model å vurdere Mekanismer av aksonal degenerasjon i sanntid

Injured CNS axons fail to regenerate and often retract away from the injury site. Axons spared from the initial injury may later undergo secondary axonal ...

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

Imaging Neural Activity in the Primary Somatosensory Cortex Using Thy1-GCaMP6s Transgenic Mice

Imaging nevrale aktivitet i primære Somatosensory Cortex ved hjelp av Thy1-GCaMP6s transgene mus

The mammalian brain exhibits marked symmetry across the sagittal plane. However, detailed description of neural dynamics in symmetric brain regions in ...

Automated Gait Analysis in Mice with Chronic Constriction Injury

Automatisert Gait analyse i mus med kronisk innsnevring skade

The von Frey test is a classical method that has been widely used to examine the sensory function of neuropathic pain animals. However, it has some ...

Activity-based Training on a Treadmill with Spinal Cord Injured Wistar Rats

Aktivitet-basert trening på en tredemølle med ryggmargen skadet Wistar rotter

Spinal cord injury (SCI) results in lasting deficits that include both mobility and a multitude of autonomic-related dysfunctions. Locomotor training (LT) ...

3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

3D kinematisk analyse for funksjonell evaluering i rottemodellen av siattisk nerveknuseskade

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...

Intra-Arterial Delivery of Neural Stem Cells to the Rat and Mouse Brain: Application to Cerebral Ischemia

Intraarteriell levering av nevrale stamceller til rotte- og mushjernen: Søknad om cerebral iskemi

Neural stem cell (NSC) therapy is an emerging innovative treatment for stroke, traumatic brain injury and neurodegenerative disorders. As compared to ...

Induction of Complete Transection-Type Spinal Cord Injury in Mice

Induksjon av fullstendig transeksjon-type ryggmargsskade hos mus

Spinal cord injury (SCI) largely leads to irreversible and permanent loss of function, most commonly as a result of trauma. Several treatment options, ...

Comprehensive Understanding of Inactivity-Induced Gait Alteration in Rodents

Omfattende forståelse av inaktivitetsindusert gangendring hos gnagere

It is well known that disuse affects neural systems and that joint motions become altered; however, which outcomes properly exhibit these characteristics ...

Establishing a Mouse Contusion Spinal Cord Injury Model Based on a Minimally Invasive Technique

Etablering av en musekontusjon ryggmargsskademodell basert på en minimal invasiv teknikk

Using minimally invasive methods to model spinal cord injury (SCI) can minimize behavioral and histological differences between experimental animals, ...