Name: applying the ratwalker system for gait analysis in a genetic rat model of parkinson's disease
Uploaded: 2021-01-18T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Applying the RatWalker System for Gait Analysis in a Genetic Rat Model of Parkinson's Disease at JoVE.com

KS와 HF는 파킨슨 병 연구에 대한 연구를 지원 한 Michael J Fox Foundation for Parkinson 's Research에 감사드립니다.

모든 동물 연구는 네브래스카 대학 의료 센터 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았습니다.
1. 보행 장치
참고: MouseWalker14에서 모델링된 RatWalker는 쥐와 생쥐 사이의 스텝 길이의 차이에 비례하여 치수로 설계되었습니다. 측면 조명 백라이트, 통로 인클로저, 광 도파관 통로, 거울 및 카메라로 구성됩니다(그림 S1). ...

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	<li>Behari, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parkinson's+disease.">Parkinson's disease.</a> Annals of Indian Academy of Neurology. 14, 2-6 (2011).</li><li>Kalia, L. V., Lang, A. 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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+evaluation+of+motor+function+before+and+after+engraftment+of+dopaminergic+neurons+in+a+rat+model+of+Parkinson's+disease.">Quantitative evaluation of motor function before and after engraftment of dopaminergic neurons in a rat model of Parkinson's disease.</a> Journal of Biomedical Science. 17, 9 (2010).</li><li>Baldwin, H. A., Koivula, P. P., Necarsulmer, J. C., Whitaker, K. W., Harvey, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Step+Sequence+Is+a+Critical+Gait+Parameter+of+Unilateral+6-OHDA+Parkinson's+Rat+Models.">Step Sequence Is a Critical Gait Parameter of Unilateral 6-OHDA Parkinson's Rat Models.</a> Cell Transplantation. 26 (4), 659-667 (2017).</li></ol>

팔 스윙 감소, 느린 보행 속도 및 짧은 단계를 포함한 보행 장애는 PD의 특징이며 질병 과정 1,5 초기에 발생합니다. PD의 설치류 모델에서 보행 분석을위한 발자국을 관찰하고 기록하기 위해 수년에 걸쳐 여러 가지 방법이 개발되었으며, 발자국 위치를 정량화하는 수동 기술은 더 민감하고 동적 매개 변수를 캡처 할 수있는 자동화 된 접근 방식으로 이어?...

가장 흔한 연령 관련 신경 퇴행성 운동 장애 인 PD는 흑질에서 DA 뉴런의 손실로 인해 발생합니다. 이러한 nigral DA 뉴런의 손실과 선조체로의 DA 입력은 PD 1,2 환자에서 관찰된 운동 기능 장애로 이어집니다. 파킨슨증으로 통칭되는 PD 환자의 정의 운동 특성에는 강직, 휴식 떨림, 서맥증, 자세 불안정 및 현미경 사진이포함됩니다3. 또한, PD 환자에서 흔히 볼 수 있는 보행 장애는 질병 1,4,5의 진행 초기에 나타납니다. 건강한 식습관과 규칙적인 운동과 같이 PD의 진행을 늦추는 데 도움이 되는 특정 생활 방식이 제안되지만 현재 PD에 대한 치료법은 없으며 증상을 관리하는 약물만 있습니다. 이것은 개선 된 치료법을 희망하는 추가 조사의 필요성을 남깁니다. 따라서 PD 동물 모델에서 보행 패턴의 특성화는 모델의 관련성뿐만 아니라 PD를 제어하기위한 치료 치료가 운동 장애를 예방하거나 개선하는 방법을 특성화하는 중요한 도구입니다.
치료 치료를 테스트하는 데 사용 된 다양한 PD 동물 모델이 있지만 각각에는 한계가 있습니다. 예를 들어, 신경독 1- 메틸 -4- 페닐 -1,2,3,6- 테트라 하이드로 피리딘 (MPTP)으로 처리 된 동물 모델은 니그랄 DA 뉴런 손실 및 후속 선조체 적응에 중요한 과정에 대한 풍부한 정보를 산출했으며, PD 발병 기전에서 미토콘드리아의 역할을 지적했다. 그러나, MPTP 모델의 병리학적 배경은 인간PD6에서와 같이 신경변성 과정이라기보다는 독성인 성질을 갖는다. 추가의 화학적 유도성 모델에는 6-하이드록시도파민(6-OHDA) 및 로테논이 포함됩니다. 6-OHDA는 DA 뉴런에 약물을 선택적으로 축적하여 PD를 유도하기 위해 사용된 최초의 제제였으며, 이는 결국 뉴런을 죽이고 PD와 유사한 증상을 유발합니다. 이 모델은 암페타민과 아포 모르핀7에 대한 반응의 행동을 조사하여 DA 고갈을 추적하는 데 처음 사용되었습니다. PD 유도의이 방법은 DA 및 그의 수용체8에 영향을 미치는 약리학 적 제제의 스크리닝에 유용한 것으로 입증되었다. 6-OHDA 모델은 정량화 가능한 운동 결함을 추적하기위한 훌륭한 모델이지만,이 모델은 뉴런의 점진적인 손실과 Lewy 신체의 형성이 동물에게 어떤 영향을 미치는지 보여주지 않습니다. 유도의 다른 방법인 로테논은 티로신 하이드록실라제 및 DA 수송체의 손실과 함께 흑질선조체 뉴런의 점진적인 퇴행을 갖는 것으로 나타났으며,이는 시간 경과에 따른 뉴런의 손실을 추적하는 더 나은 모델을 허용합니다9. 로테논 처리된 래트는 서맥운동증, 자세 불안정, 및 불안정한 보행10을 보였다. 그러나,이 방법은 쥐의 상이한 균주간에 광범위하게 가변적 인 것으로 밝혀졌으며, 이는 로테 논이 신뢰할 수있는 PD 모델11,12,13인지 여부에 대한 의문을 불러 일으켰다. 보행 분석은 쥐에서 PD의 유도에 의해 영향을받는 것으로 나타 났지만, 현재까지 유 전적으로 유도 된 PD 쥐 모델은 활주로를 자유롭게 걸어 보행 분석에 쉽게 사용되지 않았습니다.
자유롭게 걷는 설치류의 운동 장애를 분석하는 한 가지 방법은 FTIR 이미징을 활용하여 수행 할 수있는 운동 학적 보행 분석입니다. 이 확립 된 방법은 FTIR을 기반으로 한 광학 터치 센서를 사용하며, 설치류가 활주로(14,15,16)를 따라 이동할 때 발자국을 기록하고 추적합니다. 다른 방법과 비교하여 FTIR은 발자국을 방해 할 수있는 동물 신체의 마커에 의존하지 않습니다. 비디오 데이터의 생성은 다양한 설치류 모델에 대한 역동적이고 재현 가능한 보행 패턴을 생성하기 위해 결합될 수 있는 4개의 팔다리 모두의 디지털 발자국을 생성합니다. 이미징 기반 보행 분석의 원리는 설치류가 활주로를 걸어 내려갈 때 각 개별 발을 잡고 시간이 지남에 따라 접촉 면적을 측정하는 것입니다. 각 자세는 발 면적의 증가 (제동 단계에서)와 발바닥 면적의 감소 (추진 단계에서)로 표시됩니다. 이것은 발바닥 신호가 감지되지 않는 스윙 단계에 의해 진행됩니다. 비디오 평가 후 야생형(WT) 대 PD 모델을 비교하는 데 사용할 수 있는 여러 매개변수가 생성됩니다. 매개변수의 몇 가지 예는 스텝 길이(발이 한 스텝에서 커버하는 거리), 스윙 지속시간(발이 활주로와 접촉하지 않는 시간), 스윙 속도(스윙 지속시간의 함수로서의 스텝 길이) 및 스텝 패턴(대각선 스텝, 측면 스텝 또는 거들 스텝)입니다.
쥐의 초기 보행 패턴 변화를 밝히기위한 FTIR의 유용성을 입증하기 위해 PD의 유전 적 쥐 모델을 사용했습니다. PD의 대부분의 경우는 특발성입니다. PD의 유전적 형태의 확인은 동물 모델18을 만드는 데 활용될 수 있는 미토콘드리아 품질 관리17에 관여하는 두 단백질인 Pink1 및 Parkin의 기능 상실 돌연변이와 같은 유전자 돌연변이 및 변이체를 밝혀냈습니다. 불행히도, 마우스는 이러한 단백질 (단일 및 조합)의 손실시 신경 퇴행에 내성이 있습니다 19,20,21. 쥐에서 Pink1은 파킨 결핍이 아니지만 흑질질 DA 뉴런 손실 및 운동 장애22를 유발하지만 완전한 침투는 없습니다. 따라서 우리는 결합 된 Pink1 / Parkin 이중 녹아웃 (DKO) 쥐 모델을 생성했는데, 이는 수컷 Pink1 KO 쥐22에서보고 된 명백한 시각적으로 명백한 뒷다리 끌림 표현형을 표시하지만 지금은 더 높은 비율로 나타납니다 : 100-30 개월 사이에 남성의 50-4 % 대 6 %.
이 방법은 마우스14의 운동 결손을 분석하는 데 효과적이지만, 쥐의 크기와 무게를 수용하기위한 FTIR 이미징 보행 시스템 사양은 이전에는 비상업적으로 사용할 수 없었습니다. 여기에서는 쥐의 크기와 무게에 맞게 조정된 것을 제외하고 MouseWalker14를 모델로 한 수정된 FTIR 보행 이미징 시스템인 RatWalker를 구축하는 방법을 설명합니다. 이 시스템은 광학 효과 FTIR을 사용하여 분석을 위해 동물 발자국을 시각화하고 이후에 기록하는 방법을 제공합니다. 동물의 발이 광 도파관(플랫폼)과 접촉하면 광 경로가 중단되어 가시적인 산란 효과가 발생하며, 이는 국내 등급의 고속 비디오 촬영 및 오픈 소스 소프트웨어를 사용한 처리를 사용하여 캡처됩니다. 이 연구는 PD의 유전 적 쥐 모델에서 보행 변화를 연구 할 때 FTIR 영상의 힘을 보여줍니다. 예를 들어, 빠르면 4 개월에 수컷 DKO 쥐에서 명백한 시각적 운동 변화 (즉, 뒷다리 끌림)가 관찰되는 반면, FTIR을 사용하면 생후 2 개월에 수컷 DKO 쥐의 게이트 이상을 발견 할 수 있습니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.5&#8221; Aluminum Angle (1/8&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#8221; Aluminum Square Tube (1/16&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32 Gauge Aluminum Sheet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 10&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#8221; Aluminum Tube (1/8&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylic</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7/32&#8221; Clear Acrylic Sheet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 4&#39;x8&#39; 
			Qty: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/8&#8221; White Acrylic Sheet 55% (2447)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 4&#39;x8&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirror</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7/32&#8221; Glass Mirror</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 60&#34;x12&#34; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5050 LED Tape Light (Green)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 16.4&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5050 LED Tape Light (Red)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 16.4&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GoPro Hero 6 Black</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tripod</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 57&#34; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
	</tbody>
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applying the ratwalker system for gait analysis in a genetic rat model of parkinson's disease

파킨슨 병 (PD)은 흑질의 도파민 성 (DA) 뉴런의 손실로 인한 진행성 신경 퇴행성 장애입니다. 팔 스윙 감소, 느린 보행 속도 및 짧은 걸음을 포함한 보행 이상은 PD 환자에게 흔하며 질병 초기에 나타납니다. 따라서, PD의 동물 모델에서 운동 패턴의 정량화는 질병 경과 동안 및 치료 치료시 표현형 특성화에 중요 할 것이다. PD의 대부분의 경우는 특발성입니다. 그러나 PD의 유전 적 형태의 확인은 동물 모델을 만드는 데 활용할 수있는 미토콘드리아 품질 관리에 관여하는 두 가지 단백질 인 Pink1 및 Parkin의 기능 상실 돌연변이와 같은 유전자 돌연변이 및 변이를 발견했습니다. 마우스는 Pink1 및 Parkin (단일 및 복합 결실)의 손실시 신경 퇴행에 내성이있는 반면, 쥐에서는 Parkin 결핍이 아닌 Pink1이 흑질 DA 뉴런 손실 및 운동 장애를 유발합니다. 여기에서, 우리는 Pink1 녹아웃 (KO) 쥐에서 이전에보고 된 바와 같이 뒷다리 끌림을 특징으로하는 Pink1과 Parkin의 결합 손실이 있기 전에 Pink1과 Parkin의 결합 손실이있는 자유롭게 걷는 어린 (2 개월) 수컷 쥐의 보행 변화를 밝히기위한 FTIR 이미징의 유용성을보고합니다 (4-6 개월에 관찰).

쥐 식민지 유지 관리 Pink1 및 파킨 단일 KO 래트의 생성 및 특성은 앞서22에 기술되었다. Pink1 및 Parkin 단일 KO 래트는 SAGE Labs (현재 Envigo에서 입수 가능)로부터 입수하였다. DKO 쥐는 Pink1-/- 쥐와 Parkin-/- 쥐를 교배하여 Pink1+/-/Parkin+/- 쥐를 얻었고, 이는 Pink1-/-/Parkin-/- 쥐를 얻기 위해 교배되었습니다(Envigo?...

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Applying the RatWalker System for Gait Analysis in a Genetic Rat Model of Parkinson's Disease

여기에서는 쥐의 증가된 크기와 무게를 수용하기 위해 MouseWalker 장치를 재설계하여 구축된 RatWalker 시스템에 대해 설명합니다. 이 시스템은 좌절된 전체 내부 반사(FTIR), 고속 비디오 캡처 및 오픈 액세스 분석 소프트웨어를 사용하여 보행 매개변수를 추적하고 정량화합니다.

파킨슨병의 유전적 쥐 모델에서 보행 분석을 위한 RatWalker 시스템 적용

Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder caused by the loss of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra pars ...

이 방법을 사용하면 보행 매개 변수의 차이를 재현 가능하게 정량화 할 수 있습니다. 보행 매개 변수는 자유롭게 걷는 설치류에서 평가할 수 있으며이 기술은 발을 잉크로 담그는 것과 같은 침습적 단계에 의존하지 않습니다. 절차를 시연하는 것은 벤 램버티 (Ben Lamberty)가 될 것입니다.각 달리기가 시작되기 전에 산책로 끝에 홈 케이지를 배치하여 쥐가 산책로를 가로 지르는 긍정적 인 신호 역할을하는 것으로 시작하십시오. 실내 조명을 끕니다. 쥐가 플랫폼에 놓이기 몇 초 전에 카메라의 전원을 켜고 녹화를 시작하십시오.인클로저를 설치 한 상태에서 쥐를 집 케이지 맞은 편 통로 끝에 놓고 강제로 통로를 가로 질러 걸을 수 있도록합니다. 동물이 통로의 종점에 도달하면 기록을 중지하십시오. 달리기 사이와 동물이 소변을 보거나 배변 한 후에는 70 % 에탄올과 비 마모성 수건을 사용하여 통로를 청소하십시오.그런 다음 다른 동물을 도입하기 전에 에탄올이 증발하도록하십시오. 각 관찰 기간 동안 총 7 번 산책로를 통해 쥐를 달리고, 처음 3 번의 실행은 분석을 위해 통과 한 것으로 간주합니다. 동물이 그루밍, 일시 중지 또는 잘못된 움직임으로 인한 중단 없이 집 케이지 방향으로 4개 이상 연속 걸음을 내딛는 경우 달리기를 통과로 점수매기십시오.보행 분석은 2 개월령의 수컷 야생형 및 Parkin DKO 쥐에 대해 수행되어 운동 학적 보행 분석을 사용하면 총 운동 문제가 나타나기 전에 미묘한 운동 장애를 발견 할 수 있는지 확인했습니다. DKO 쥐의 체중 증가에도 불구하고, 보행 표면에 가해지는 발 압력은 변경되지 않았다. 보행 속도의 함수로서 여러 보행 매개 변수를 평가 한 결과, 보행 속도와 걸음 길이는 야생형과 DKO 쥐간에 유사한 것으로 나타났습니다.야생형과 DKO 쥐 사이의 변화는 느린 보행 속도에서 자세 단계와 스윙 지속 시간에서 분명해졌습니다. 다리가 자세 단계에 있는 스텝 사이클의 비율은 듀티 팩터였습니다. 듀티 팩터가 감소함에 따라 스탠스 단계보다 스윙 단계에서 더 많은 시간이 소요되었습니다.또한, 야생형 동물에서는 속도가 증가함에 따라 스윙 속도가 증가했지만 DKO 쥐에서는 상관 관계가 둔화되었습니다. FTIR 보행 분석은 또한 자유롭게 걷는 쥐의 신체에 대한 각 다리의 자세 위상 추적 플롯을 만드는 데 사용되었습니다. 발 위치를 비교했을 때 AEP와 PEP의 상당한 변화가 관찰되었습니다.몇몇 추가적인 파라미터는 야생형과 비교하여 DKO 래트에서 유의하게 변화되었다. DKO 쥐에서 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 속도가 증가한 반면 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 지속 시간은 감소했습니다. RatWalker와 관련된 카메라 위치를 포함한 일관된 장비 설정은 이 프로토콜의 성공적인 구현에 중요합니다.이 프로토콜을 수행한 후, 동물은 필요한 임의의 추가 행동 또는 실험 종점에 사용할 수 있다. 예를 들어, 보행 변화는 조직 학적 변화와 상관 될 수 있습니다. 이 기술은 불안 및 우울증 모델과 같은 다른 비 PD 설치류 모델에서 보행을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using In utero Electroporation

Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using In utero Electroporation

사용하는 마우스 대뇌 피질과 해마의 시각화 및 Dendrites와 쪽이의 유전자 조작<em&gt; utero에서</em&gt; Electroporation

In utero electroporation (IUE) has become a powerful technique to study the development of different regions of the embryonic nervous system 1-5. To date ...

연구

신경과학

Immunohistochemical Analysis in the Rat Central Nervous System and Peripheral Lymph Node Tissue Sections

쥐 중추 신경계에서 면역 조직 화학 분석 및 주변 림프절 조직 섹션

Immunohistochemistry (IHC) provides highly specific, reliable and attractive protein visualization. Correct performance and interpretation of an IHC-based ...

Methods to Characterize Spontaneous and Startle-induced Locomotion in a Rotenone-induced Parkinson's Disease Model of Drosophila

Methods to Characterize Spontaneous and Startle-induced Locomotion in a Rotenone-induced Parkinson's Disease Model of Drosophila

방법은 자발적인 특성화 및 놀라게 유도 로코을의 로테 논에 의한 파킨슨 병 모델에서합니다<em&gt; 초파리</em

Parkinson&#8217;s disease is a neurodegenerative disorder that results from the degeneration of dopaminergic neurons in the central nervous system, ...

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

Sciatic 신경 호감 상해의 쥐 모형에 있는 기능 평가를 위한 3D 운동학 분석

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

Semi-Quantitative Determination of Dopaminergic Neuron Density in the Substantia Nigra of Rodent Models using Automated Image Analysis

자동 이미지 분석을 사용하여 설치류 모델의 실질적인 Nigra에서 도파민성 뉴런 밀도의 반정량 측정

Estimation of the number of dopaminergic neurons in the substantia nigra is a key method in pre-clinical Parkinson's disease research. Currently, unbiased ...

A Rat Model of EcoHIV Brain Infection

에코HIV 뇌 감염의 쥐 모델

It has been well studied that the EcoHIV infected mouse model is of significant utility in investigating HIV associated neurological complications. ...

Motor Dual-Tasks for Gait Analysis and Evaluation in Post-Stroke Patients

뇌졸중 후 환자의 보행 분석 및 평가를 위한 운동 이중 작업

Eighteen stroke patients were recruited for this study involving the evaluation of cognition and walking ability and multitask gait analysis. Multitask ...

The 6-hydroxydopamine Rat Model of Parkinson's Disease

파킨슨 병의 6- 히드 록시 도파민 쥐 모델

Motor symptoms of Parkinson's disease (PD)-bradykinesia, akinesia, and tremor at rest-are consequences of the neurodegeneration of dopaminergic neurons in ...

Induction and Assessment of Levodopa-induced Dyskinesias in a Rat Model of Parkinson's Disease

파킨슨 병의 쥐 모델에서 레보도파 유도 운동 장애의 유도 및 평가

Levodopa (L-DOPA) remains the gold-standard therapy used to treat Parkinson&#39;s disease (PD) motor symptoms. However, unwanted involuntary movements ...