Name: comprehensive understanding of inactivity-induced gait alteration in rodents
Uploaded: 2022-07-06T13:10:00
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本研究の一部は、日本学術振興会科研費(番号18H03129, 21K19709, 21H03302, 15K10441)および国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)(番号15bk0104037H0002)の支援を受けて行われました。

本研究は、京都大学動物実験委員会(医学会14033)の承認を受け、国立衛生研究所のガイドライン(実験動物の管理と使用に関するガイド、第8版)に準拠して実施されました。7週齢の雄のWistarラットを本研究に使用した。手順のシーケンスを表す概略図は、 補足ファイル 1 に記載されています。
1.ラットにトレッドミルウォーキングに慣れる
<p class...

<ol>
	<li>Bloomfield, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Changes+in+musculoskeletal+structure+and+function+with+prolonged+bed+rest.">Changes in musculoskeletal structure and function with prolonged bed rest.</a> Medicine and Science in Sports and Exercise. 29 (2), 197-206 (1997).</li><li>Booth, F. W., Roberts, C. K., Laye, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lack+of+exercise+is+a+major+cause+of+chronic+diseases.">Lack of exercise is a major cause of chronic diseases.</a> Comprehensive Physiology. 2 (2), 1143-1211 (2012).</li><li>Walton, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Postnatal+development+under+conditions+of+simulated+weightlessness+and+space+flight.">Postnatal development under conditions of simulated weightlessness and space flight.</a> Brain Research Reviews. 28 (1-2), 25-34 (1998).</li><li>Canu, M. H., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+hindlimb+unloading+on+locomotor+strategy+during+treadmill+locomotion+in+the+rat.">Effect of hindlimb unloading on locomotor strategy during treadmill locomotion in the rat.</a> European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 74 (4), 297-304 (1996).</li><li>Shpakov, A. V., Voronov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+the+effects+of+simulated+weightlessness+and+lunar+gravitation+on+the+biomechanical+parameters+of+gait+in+humans.">Studies of the effects of simulated weightlessness and lunar gravitation on the biomechanical parameters of gait in humans.</a> Neuroscience and Behavioral Physiology. 48 (2), 199-206 (2018).</li><li>Kawano, F., 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=Tension-+and+afferent+input-associated+responses+of+neuromuscular+system+of+rats+to+hindlimb+unloading+and/or+tenotomy.">Tension- and afferent input-associated responses of neuromuscular system of rats to hindlimb unloading and/or tenotomy.</a> American Journal of Physiology - Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 287 (1), 76-86 (2004).</li><li>Canu, M. H., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+hindlimb+unloading+on+interlimb+coordination+during+treadmill+locomotion+in+the+rat.">Effect of hindlimb unloading on interlimb coordination during treadmill locomotion in the rat.</a> European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 78 (6), 509-515 (1998).</li><li>Canu, M. H., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+hindlimb+unloading+on+two+hindlimb+muscles+during+treadmill+locomotion+in+rats.">Effect of hindlimb unloading on two hindlimb muscles during treadmill locomotion in rats.</a> European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 75 (4), 283-288 (1997).</li><li>Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. 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(156), e60267 (2020).</li><li>Canu, M. H., Garnier, C., Lepoutre, F. X., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+3D+analysis+of+hindlimb+motion+during+treadmill+locomotion+in+rats+after+a+14-day+episode+of+simulated+microgravity.">A 3D analysis of hindlimb motion during treadmill locomotion in rats after a 14-day episode of simulated microgravity.</a> Behavioural Brain Research. 157 (2), 309-321 (2005).</li><li>Gruner, J. A., Altman, J., Spivack, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+arrested+cerebellar+development+on+locomotion+in+the+rat:+Cinematographic+and+electromyographic+analysis.">Effects of arrested cerebellar development on locomotion in the rat: Cinematographic and electromyographic analysis.</a> Experimental Brain Research. 40 (4), 361-373 (1980).</li><li>Bou&#235;t, V., Borel, L., Harlay, F., Gah&#233;ry, Y., Lacour, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematics+of+treadmill+locomotion+in+rats+conceived,+born,+and+reared+in+a+hypergravity+field+(2+g):+Adaptation+to+1+g.">Kinematics of treadmill locomotion in rats conceived, born, and reared in a hypergravity field (2 g): Adaptation to 1 g.</a> Behavioural Brain Research. 150 (1-2), 207-216 (2004).</li><li>Bojados, M., Herbin, M., Jamon, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematics+of+treadmill+locomotion+in+mice+raised+in+hypergravity.">Kinematics of treadmill locomotion in mice raised in hypergravity.</a> Behavioural Brain Research. 244, 48-57 (2013).</li><li>Morey-Holton, E. R., Globus, R. 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K., Watson, S. C., Knapp, E., Thompson, B., Jung, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuromechanical+control+of+locomotion+in+the+rat.">Neuromechanical control of locomotion in the rat.</a> Journal of Neurotrauma. 22 (4), 442-465 (2005).</li><li>Canu, M. H., Langlet, C., Dupont, E., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+hypodynamia-hypokinesia+on+somatosensory+evoked+potentials+in+the+rat.">Effects of hypodynamia-hypokinesia on somatosensory evoked potentials in the rat.</a> Brain Research. 978 (1-2), 162-168 (2003).</li><li>Dupont, E., Canu, M. H., Falempin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+14-day+period+of+hindpaw+sensory+deprivation+enhances+the+responsiveness+of+rat+cortical+neurons.">A 14-day period of hindpaw sensory deprivation enhances the responsiveness of rat cortical neurons.</a> Neuroscience. 121 (2), 433-439 (2003).</li><li>Langlet, C., Bastide, B., Canu, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hindlimb+unloading+affects+cortical+motor+maps+and+decreases+corticospinal+excitability.">Hindlimb unloading affects cortical motor maps and decreases corticospinal excitability.</a> Experimental Neurology. 237 (1), 211-217 (2012).</li><li>Trinel, D., Picquet, F., Bastide, B., Canu, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dendritic+spine+remodeling+induced+by+hindlimb+unloading+in+adult+rat+sensorimotor+cortex.">Dendritic spine remodeling induced by hindlimb unloading in adult rat sensorimotor cortex.</a> Behavioural Brain Research. 249, 1-7 (2013).</li><li>Alkner, B. A., Norrbrand, L., Tesch, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuromuscular+adaptations+following+90+days+bed+rest+with+or+without+resistance+exercise.">Neuromuscular adaptations following 90 days bed rest with or without resistance exercise.</a> Aerospace Medicine and Human Performance. 87 (7), 610-617 (2016).</li><li>English, K. L., Bloomberg, J. J., Mulavara, A. P., Ploutz-Snyder, L. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exercise+countermeasures+to+neuromuscular+deconditioning+in+spaceflight.">Exercise countermeasures to neuromuscular deconditioning in spaceflight.</a> Comprehensive Physiology. 10 (1), 171-196 (2020).</li><li>Parks, M. T., Wang, Z., Siu, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+low-cost+video-based+motion+analysis+options+for+clinical+rehabilitation:+A+systematic+review.">Current low-cost video-based motion analysis options for clinical rehabilitation: A systematic review.</a> Physical Therapy. 99 (10), 1405-1425 (2019).</li></ol>

環境の変化は、自発運動系の機能的側面および筋骨格的構成要素の変動をもたらす26,27。収縮構造または環境の異常は機能的能力に影響を与える可能性があり、機械的/環境的歪みを解決した後でも持続します19。客観的な動作解析は、これらの機能的能力を定量的に測定するのに役立ちます。上記のように、ビデオ分析はそのよう...

身体活動の欠如または廃用は、筋萎縮および骨量減少1および全身のコンディショニング解除2などの自発運動エフェクターの劣化をもたらす。さらに、最近、不活動が筋骨格成分の構造的側面だけでなく、運動の質的側面にも影響を与えることが注目されています。例えば、模擬微小重力環境にさらされたラットの四肢位置は、介入終了後1ヶ月でも無傷の動物のそれとは異なっていた3,4。それにもかかわらず、非活動によって引き起こされる運動障害についてはほとんど報告されていません。また、劣化の包括的な運動特性は完全には決定されていません。
現在のプロトコルは、後肢の除荷を受けたラットの廃用によって誘発される歩行運動障害を参照することにより、運動変化を視覚化するための運動学的評価の適用を実証し、議論しています。
模擬微小重力環境後の歩行における四肢の過伸展は、ヒト5と動物4,6,7,8の両方で観察されることが示されています。そこで普遍性のために、本研究では一般的なパラメータである膝関節と足首関節の角度と、立脚期の中間点(中脚)における中足指節関節と股関節の垂直距離(股関節の高さにほぼ相当)に着目した。さらに、ビデオ運動学的評価の潜在的な応用が議論で示唆されています。
一連の運動学的分析は、神経制御の機能的側面を評価するための効果的な尺度であり得る。しかし、モーション解析は、フットプリント観察またはキャプチャされたビデオ9,10の単純な測定から複数のカメラシステム11,12まで開発されているが、普遍的な方法およびパラメータはまだ確立されていない。本研究の方法は、この関節運動解析に包括的なパラメータを提供することを目的としています。
前研究13では、神経病変モデルラットの歩行変化を網羅的な映像解析を用いて図解することを試みた。ただし、一般に、モーション解析の潜在的な結果は、解析フレームワークで提供される所定の変数に制限されることがよくあります。このため、本研究では、広く適用可能なユーザー定義パラメータを組み込む方法をさらに詳しく説明しました。ビデオ解析を使用した運動学的評価は、適切なパラメータが実装されている場合、さらに役立つ可能性があります。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Adhesive Tape</td>
			<td>NICHIBAN CO.,LTD.</td>
			<td>SEHA25F</td>
			<td>Adhesive tape to secure thread on tails of rats for hindlimb unloading</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesthetic Apparatus for Small Animals</td>
			<td>SHINANO MFG CO.,LTD.</td>
			<td>SN-487-0T</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Auto clicker</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>free software available to download to PC (https://www.google.com/search?client=firefox-b-1-d&#38;q=auto+clicker)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD Camera</td>
			<td>Teledyne FLIR LLC</td>
			<td>GRAS-03K2C-C</td>
			<td>CCD (Charge-Coupled Device) cameras for video capture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cotton Thread</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Thread to hang tails of rats from the ceiling of cage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISOFLURANE Inhalation Solution</td>
			<td>Pfizer Japan Inc.</td>
			<td>(01)14987114133400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Joint marker</td>
			<td>TOKYO MARUI Co., Ltd</td>
			<td>0.12g BB</td>
			<td>6 mm airsoft pellets that were used as semispherical markers with modification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kine Analyzer</td>
			<td>KISSEI COMTEC CO.,LTD.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Software for analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Konishi Aron Alpha</td>
			<td>TOAGOSEI CO.,LTD.</td>
			<td>#31204</td>
			<td>Super glue to attach spherical markers on randmarks of rats</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion Recorder</td>
			<td>KISSEI COMTEC CO.,LTD.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Software for video recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paint Marker</td>
			<td>MITSUBISHI PENCIL CO., LTD</td>
			<td>PX-21.13</td>
			<td>Oil based paint marker to mark toes of animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three-dimensional motion capture apparatus (KinemaTracer for small animals)</td>
			<td>KISSEI COMTEC CO.,LTD.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>3D motion analysis system that consists of four cameras (https://www.kicnet.co.jp/solutions/biosignal/animals/kinematracer-for-animal/ or https://micekc.com/en/)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three-dimensional(3D) Calculator</td>
			<td>KISSEI COMTEC CO.,LTD.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Software fo marker tracking</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Treadmill</td>
			<td>MUROMACHI KIKAI CO.,LTD</td>
			<td>MK-685</td>
			<td>Treadmill equipped with transparent housing, electrical shocker, and speed control unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wistar Rats (male, 7-week old)</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>N.A.</td>
			<td>Commercially available at experimental animal sources</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

comprehensive understanding of inactivity-induced gait alteration in rodents

廃用が神経系に影響を及ぼし、関節の動きが変化することはよく知られています。しかし、どのアウトカムがこれらの特性を適切に示すかはまだ不明である。本研究では,映像キャプチャからの3次元(3D)再構成を利用した動作解析手法について述べる.この技術を用いて、模擬微小重力環境にさらされたげっ歯類において、後肢を尾で降ろすことによって、不使用誘発の歩行性能の変化が観察されました。2週間の荷降ろしの後、ラットはトレッドミルの上を歩き、歩行運動を4台の電荷結合素子(CCD)カメラでキャプチャしました。3Dモーションプロファイルを再構築し、画像処理ソフトウェアを使用して対照被験者のモーションプロファイルと比較しました。再構築されたアウトカム指標は、歪んだ歩行運動の明確な側面をうまく描写しました:膝と足首の関節の過伸展と立脚期中の股関節のより高い位置。モーション解析は、いくつかの理由で役立ちます。まず、主観的な観察(特定のタスクでの合格/不合格など)の代わりに定量的な行動評価が可能になります。次に、基本的なデータセットを取得したら、特定のニーズに合わせて複数のパラメーターを抽出できます。より広範な適用のハードルにもかかわらず、労働集約度およびコストを含むこの方法の欠点は、包括的な測定および実験手順を決定することによって軽減され得る。

12匹の動物を、荷降ろし群(UL、n = 6)または対照群(Ctrl、n = 6)の2つのグループのうちの1つにランダムに割り当てた。UL群では、動物の後肢を尾部から2週間(UL期間)降ろしたが、Ctrl群では自由のままとした。荷降ろしの2週間後、UL群はCtrl群と比較して明確な歩行パターンを示した。図1は、代表的な被験者の正規化された関節軌跡を示す。立脚期には、UL群は「つま先歩行」?...

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Comprehensive Understanding of Inactivity-Induced Gait Alteration in Rodents

本プロトコルは、シミュレートされた廃用環境への曝露後のラットの歩行運動変化を描写するための3次元運動追跡/評価を記載する。

げっ歯類における不活動誘発歩行変化の包括的理解

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

当社のプロトコルは、関節運動解析のパラメータを決定するための包括的な手順を提供します。関節運動解析は、パラメータの包括的な定義がないため、複雑になることがよくあります。関連分野に普遍的に適用できるパラメータ定義の標準回路図を示します。まず、モーションレコーダーアプリを開きます。ラットをトレッドミルベルトに置きます。ベルト速度を毎秒20センチメートルに上げます。ラットが希望の速度で正常に歩き始めたら、 録画 ビデオキャプチャを開始するアイコン。5〜10個の連続したステップが得られたら、[記録]アイコンをクリックしてキャプチャを停止します。3DCalculatorアプリを開き、解析する動画ファイルを作成します。上部の水平スライダーバーを調整してビデオをトリミングし、十分な数の連続したステップを含めます。マーカーをキャプチャするには、スティックピクチャモデルのマーカーの凡例をキャプチャしたビデオの対応するマーカーにドラッグし、ボタンを放します。自動トレースアイコンをクリックします。システムがマーカーを正確に追跡しない場合、またはマーカーの損失により追跡プロセスが停止した場合は、[手動]アイコンをクリックして手動モードに切り替えます。スティック画像で欠落しているマーカーの凡例と、ビデオの対応するマーカーをクリックします。キネアナライザーアプリを開き、ファイルをロードします。[表示]に移動し、[マーカーマスターの編集]メニューをクリックします。マーカーマスター編集ウィンドウが開きます。マーカーで目的のラベルまたはランドマークをクリックします」タブをクリックし、目的の色をクリックします。このプロセスでは、各マーカーを特定のランドマークに指定します。次に、リンク「タブで、2つのマーカーを連続してクリックして、各手足に対応する線を作成します。作成した線に色を割り当てるには、[色]列から目的の色を選択します。角度「タブ」で角度を定義します。角度に名前を付けた後、各ランドマークに対応するマーカーをクリックして、ベクトルAを参照線として割り当て、ベクトルBを移動線として割り当てます。次に、同じタブの「操作」セクションの値を使用して角度の方向を定義します。次に、距離「タブで、距離パラメータを定義します。[距離設定]セクションで対応する2つのマーカーを選択します。6匹の動物をそれぞれ、動物の後肢を尾から2週間降ろした荷降ろし群、または動物を自由にした対照群のいずれかにランダムに割り当てました。立脚期における膝と足首の正規化された関節軌道は、無負荷群が対照群よりも膝と足首にさらなる伸展を示したことを示した。除荷後2週間の定量的測定値は,無負荷群の立脚途中の膝角度や足首角度などの定量的測定値が対照群よりも有意に大きかった。中足骨-股関節間距離は、中立時の股関節の高さとほぼ同等であり、無負荷群でもかなり高かった。この方法は、研究者に関節運動パラメータを決定する方法の基礎を与えました。このようにして、彼らは彼ら自身の研究の質問に対処するための特定のフレームワークを設定することができます。

Research

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Neuroscience

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げっ歯類における音響驚愕の慣れとプレパルス抑制

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げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

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げっ歯類でのアクリル樹脂成形ベースヘッド固定法

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絞扼性損傷マウス自動歩行分析

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