智能實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動訓(xùn)練轉(zhuǎn)籠裝置的制作及應(yīng)用

袁洪霞, 袁春風(fēng), 石國鳳, 閆 冰, 張真容, 劉小亮

(1.貴州中醫(yī)學(xué)大學(xué) 護(hù)理學(xué)院，貴陽 550002； 2.貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴陽 550000)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)動物是生命科學(xué)研究的基礎(chǔ)和條件，也是提升人類健康與優(yōu)化人類生存條件的重要保障[1]，而運(yùn)動則是促進(jìn)健康的主要手段和方式，在運(yùn)動過程中，動物可以產(chǎn)生積極的系統(tǒng)生物學(xué)效應(yīng)，伴隨著運(yùn)動生物科學(xué)的不斷發(fā)展，運(yùn)動訓(xùn)練在實(shí)驗(yàn)動物研究中的應(yīng)用越來越多[2]，主要從實(shí)驗(yàn)動物的整體水平或局部器官和組織進(jìn)行研究，為探索運(yùn)動對生理和病理的作用，如研究運(yùn)動與損傷神經(jīng)的可塑、代謝、增強(qiáng)免疫功能和與預(yù)防心腦血管病等的實(shí)驗(yàn)動物研究[3-4]。然而在動物運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的研究過程中，如何規(guī)范運(yùn)動方式以及在無外界刺激和弱刺激下如何驅(qū)使動物以保證動物按照理想程序要求進(jìn)行運(yùn)動是實(shí)驗(yàn)動物研究者的一個難題，為此課題組成員在進(jìn)行研究基于miR-206對BDNF的調(diào)控探討康復(fù)運(yùn)動促進(jìn)腦梗死大鼠運(yùn)動功能重建的機(jī)制的實(shí)驗(yàn)中結(jié)合參考國內(nèi)外前人的一些資料的基礎(chǔ)上，自制了一種智能小型實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動訓(xùn)練轉(zhuǎn)籠裝置，本文主要從轉(zhuǎn)籠的構(gòu)造、應(yīng)用方面進(jìn)行簡單描述。

1 實(shí)驗(yàn)動物常見運(yùn)動裝置

通過參考前期關(guān)于實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動訓(xùn)練的研究，實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動裝置主要包括平板跑臺運(yùn)動(Treadmill running)，小鼠游泳運(yùn)動(S,rinmling)，跑轉(zhuǎn)籠運(yùn)動(Runningwh，wheel)，以及平衡桿行走訓(xùn)練(beam-walking test)等，在研究過程中為使動物能進(jìn)行持續(xù)運(yùn)動或按研究程序運(yùn)動，大部分運(yùn)動方式需要食物的誘導(dǎo)及電刺激等對動物的傷害性較大的強(qiáng)迫刺激下驅(qū)使動物運(yùn)動，以及需要人為輔助的驅(qū)動而進(jìn)行運(yùn)動[5-8]。姚璐等[9]對跑臺運(yùn)動的研究中發(fā)現(xiàn)，跑臺通道的后壁安裝有刺激電極，過多的電刺激會引起調(diào)節(jié)生理上的變化，如腎上腺素升高。Ofira等[4]采用跑步機(jī)運(yùn)動訓(xùn)練對大鼠外周免疫調(diào)節(jié)的研究中，同樣在跑臺上安裝電刺激保證大鼠的持續(xù)運(yùn)動。關(guān)于對實(shí)驗(yàn)動物進(jìn)行游泳運(yùn)動方式的研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)動物在進(jìn)行游泳運(yùn)動前需要適應(yīng)該訓(xùn)練方式以及水溫度，并且需要將水溫控制在一定的范圍以免造成不良反應(yīng)，因?yàn)樗疁厥且粋€非常重要的因素，會影響到運(yùn)動時的心率、氧耗、血乳酸濃度。并且有研究報(bào)道，大鼠游泳至力竭血乳酸水平非常高，可達(dá) 152 mg% ,可能與游泳方式不能浮出水面一段時間力竭的狀態(tài)有關(guān)[10-11]。周媛媛等[12-13]的研究采用的仍是手搖柄轉(zhuǎn)動滾筒式轉(zhuǎn)籠，手搖式轉(zhuǎn)籠難以保持勻速轉(zhuǎn)動，并且需要耗費(fèi)大量的人力及時間。

2 智能實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動訓(xùn)練轉(zhuǎn)籠裝置的結(jié)構(gòu)與制作

智能轉(zhuǎn)籠裝置其結(jié)構(gòu)主要由(見圖1)定時器、控制器、微電機(jī)減速器、轉(zhuǎn)籠及機(jī)架組成。

(1) 定時器。定時器是一種用來計(jì)時的裝置，在轉(zhuǎn)籠裝置上安裝定時器是當(dāng)轉(zhuǎn)籠開始轉(zhuǎn)動時點(diǎn)擊開始按鈕并開始計(jì)時，達(dá)到設(shè)定的運(yùn)動時間時自動報(bào)警，以便可以精確記錄動物運(yùn)動時間。

圖1 轉(zhuǎn)籠的結(jié)構(gòu)組成圖

(2) 控制器?？刂破魇强刂齐妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的裝置，主要由適配器、PWM脈寬調(diào)速器、KCD轉(zhuǎn)換器組成。在使用時，直接插入家用220 V交流電即可，PWM脈寬調(diào)速器可將電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在4～6 r/min范圍[13]，KCD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)減速器的轉(zhuǎn)向，可以使動物分別進(jìn)行逆時針方向運(yùn)動和順時針方向的運(yùn)動。

(3) 微電機(jī)減速器。微電機(jī)減速器是轉(zhuǎn)籠的動力裝置，是由一個7.5 V的直流電動機(jī)，多級減速齒輪以及殼體組成，使用電壓遠(yuǎn)低于人體安全電壓(36 V)，安全性高，具有低能耗，大扭力的特點(diǎn)，輸出額定轉(zhuǎn)速為6 r/min。

(4) 金屬網(wǎng)狀滾筒籠子。金屬網(wǎng)狀滾筒籠子是該裝置的主體部分，采用Q235的底面直徑為28 cm，高35 cm的圓柱狀桶，開口端使用透明亞克力板封閉，使跑籠框體形成封閉空間，框體兩端分別有一根緊固的轉(zhuǎn)動軸，安裝于機(jī)架兩端的軸承內(nèi)。轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，框體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，方便實(shí)驗(yàn)者的觀察。

(5) 機(jī)架。由鋁型材組合而成，結(jié)構(gòu)簡單，能快速組裝和拆卸，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

該裝置的金屬籠可以隨著實(shí)驗(yàn)研究動物的體積和重量的不同需要從而更換籠子的大小和材質(zhì)，其他原理不變，可以用于小動物如小鼠、倉鼠等的運(yùn)動訓(xùn)練，也可以用于中等大小的動物如大鼠、兔子等的運(yùn)動訓(xùn)練。跑籠通過驅(qū)動裝置帶動籠體轉(zhuǎn)動進(jìn)而強(qiáng)迫籠體內(nèi)的動物進(jìn)行跑步鍛煉，跑籠設(shè)置轉(zhuǎn)速范圍以及定時器，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)籠不能有效的維持運(yùn)動強(qiáng)度以及不易對運(yùn)動速度、訓(xùn)練時間的設(shè)定等一系列問題，設(shè)置的正反轉(zhuǎn)動有利于訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)動物的應(yīng)變能力和方向適應(yīng)能力。該轉(zhuǎn)籠可作為研究實(shí)驗(yàn)動物模型運(yùn)動訓(xùn)練裝置。

3 智能實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動訓(xùn)練轉(zhuǎn)籠的應(yīng)用

運(yùn)動訓(xùn)練：實(shí)驗(yàn)動物用雄性SD大鼠，體質(zhì)量為250～300 g，將大鼠置于金屬籠子中，轉(zhuǎn)動籠子觀察康復(fù)運(yùn)動促進(jìn)腦梗死大鼠運(yùn)動功能重建研究，并采用改良線栓法制備局灶性腦缺血大鼠即腦梗死大鼠模型，評定該模型的神經(jīng)功能變化主要采用的是改良Bederson標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行神經(jīng)功能評分[14]：0分-無神經(jīng)功能缺失體征；1分-提尾時損傷對側(cè)前肢屈曲；2分-前肢屈曲及對側(cè)抵抗力下降；3分-向?qū)?cè)轉(zhuǎn)圈；4分-意識障礙；1～3分的為腦梗死模型，該模型通過智能轉(zhuǎn)籠裝置的電動驅(qū)動促進(jìn)腦梗死大鼠的康復(fù)運(yùn)動，第1天共跑10 min，以開口端為參照，逆時針、順時針分別轉(zhuǎn)動相同時間，隨后每天增加10 min，直至每天跑1 h，前5天轉(zhuǎn)速控制到4 r/min，第6～10天轉(zhuǎn)速設(shè)到5 r/min，之后轉(zhuǎn)速設(shè)到6 r/min，直至運(yùn)動到21 d結(jié)束，通過循序漸進(jìn)的運(yùn)動從而促進(jìn)腦梗死大鼠的神經(jīng)功能的恢復(fù)，前后對比效果明顯。

(A.轉(zhuǎn)籠為逆時針方向轉(zhuǎn)動，大鼠按順時針方向跑動； B.轉(zhuǎn)籠從逆時針轉(zhuǎn)向順時針方向，大鼠正在進(jìn)行適應(yīng)性的變換方向； C.轉(zhuǎn)籠為順時針方向轉(zhuǎn)動，大鼠按逆時針方向跑動。)

圖2 轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動方向和大鼠跑動方向

4 結(jié) 語

本文是在為準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)動物運(yùn)動情況，降低因傳統(tǒng)手工轉(zhuǎn)籠帶來的數(shù)據(jù)誤差而研制一種通過電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能轉(zhuǎn)動的實(shí)驗(yàn)動物被動訓(xùn)練裝置。以圓柱形金屬篩網(wǎng)籠做主體部分，微電機(jī)減速器做動力裝置，控制器做控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的裝置，定時器做記錄及固定運(yùn)動時間的裝置。將大鼠置于轉(zhuǎn)籠裝置中并啟動，可觀察到大鼠能隨著轉(zhuǎn)籠的不同轉(zhuǎn)動方向和速度的變化而運(yùn)動，不需要電刺激和食物誘導(dǎo)，根據(jù)電能的轉(zhuǎn)化使籠子轉(zhuǎn)動從而帶動動物的運(yùn)動。該轉(zhuǎn)籠是通過驅(qū)動裝置帶動籠體轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動籠體內(nèi)的動物進(jìn)行步行鍛煉，跑籠設(shè)置轉(zhuǎn)速范圍以及定時器，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)籠不能有效地維持運(yùn)動強(qiáng)度以及不易對運(yùn)動速度、訓(xùn)練時間的設(shè)定等一系列問題；設(shè)置正反轉(zhuǎn)動有利于訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)動物的應(yīng)變能力和方向適應(yīng)能力，能完整記錄實(shí)驗(yàn)動物在轉(zhuǎn)籠中的被動運(yùn)動情況，可作為研究實(shí)驗(yàn)動物模型運(yùn)動訓(xùn)練裝置。