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                                  大鼠和小鼠 - 行為表現型研究的動物模型
                                  點擊次數:394 發布時間:2021-05-24

                                  大鼠和小鼠是行為神經學研究中z常用的動物模型。它們是非常合適的模型體,因為它們能夠表現出與人類疾病相關的各種行為。神經行為研究的初期,大鼠是z常用的模式生物。大鼠在許多標準的神經藥理學任務中表現良好,而且它們身體的大小使我們更容易對其進行侵入性操作。不過,近來由于直接操縱基因技術的出現,小鼠已經成為神經科學研究的重要工具,這使得科學家們能夠研究單個基因對發育和行為的影響。針對嚙齒類實驗動物有各種各樣的行為測試,從測試基本的運動和感覺功能,到分析更復雜的有關認知和情緒的行為。本文旨在簡要介紹不同研究中z常用的大鼠和小鼠的行為測試方法,以及為更深入的方法回顧提供參照。

                                  • 基本的感覺和運動功能

                                  1、家籠活動

                                  許多下面描述的測試都對感覺和運動功能的變化敏感。因此,重要的是要確定一個變異的或被施藥的老鼠,在用其解釋依賴于正常運動和感覺功能的其他測試結果之前,是否具備完整的感覺和運動反應。運動的z基本的評估是監測在家籠環境中的活動。雖然活動可以人為地由訓練有素的觀察員監測,它也可以由放置在籠外圍的一圈紅外照相束來獲?。▓D1)。它的軟件用來衡量在水平和垂直方向的運動??捎糜诒O測24小時期間是否有任何晝夜節律的改變。相同的設置還可以監視在一個新的環境中的活動,是探索或焦慮的行為衡量尺度 。測試小鼠和大鼠測試的唯yi區別是自動監測照相束的間距不同。

                                  2、旋轉桿 Rotarod

                                  加速旋轉桿是用來衡量協調和平衡能力的。這個測試主要用于小鼠,它需要一個特殊的儀器使轉速能夠在4和50轉之間(圖2)。在z初的試驗中,需訓練小鼠能在固定桿上保持平衡,然后保持在以4轉速旋轉的桿上至少60秒。一旦這種能力水平已經達到了,桿被設置為在5分鐘內從4轉到48轉加速旋轉。記錄小鼠掉落時所過的時間和當時的轉速。運動學習也可以在隨后的加速試驗中通過檢查表現的提升而得到評估。旋轉桿測試常被用來篩選新藥可能的副作用在動物早期發育過程中對動作協調性的影響  。其他對于運動協調能力缺乏的測試包括走平衡木和足跡分析 。

                                  • 嗅覺

                                  基礎感覺功能的研究應確保變異的小鼠可以正常的看、聽和聞。下面描述的許多測試依賴于完整的視覺(Morris水迷宮,條件性位置偏愛,情境恐懼條件反射)或聽覺系統(驚嚇,暗示恐懼調節)。在這些測試中出現的異?;蛞馔饨Y果可能是指示有感覺缺陷,應作進一步調查。小鼠和大鼠都是嗅覺高度靈敏的動物,可將一些需靠視覺提示完成的測試轉變為嗅覺提示?;拘嵊X功能可以通過測量小鼠在偵cha蘸有熟悉氣味的棉簽相對于新鮮氣味所用時間的不同很容易地檢測出來。

                                  • 痛覺

                                  痛覺(疼痛)研究與感覺功能密切相關,而且它對于研究人類慢性疼痛和研發止痛藥具有重要意義。很多測試可以評估嚙齒類動物的痛覺。其中z常見的涉及到對熱刺激的反應。一個標準的熱痛覺測試包括把動物放置在一個溫熱的表面上(小鼠55C或大鼠52.5C)并測量時間(一般為10-30秒),直到動物舔身體,起身,搖它的爪子,或企圖跳下熱疼痛測試儀 。類似的試驗還包括使尾部接觸高溫表面,將其浸在熱水中或使用發光熱源,以用來評估逃避時間。研究人員在研究疼痛反應時,應考慮到為實驗動物制造痛感所涉及的倫理問題 。上述試驗均為使受傷風險降至z低而設計。

                                  • 學習和記憶

                                  1、Morris水迷宮

                                  學習和記憶行為的測試能夠對涉及認知成分的神經系統疾病的研究起到重要的作用,如精神分裂癥和阿爾茨海默病。Morris水迷宮是z常見的空間導航任務 [11-13] ,它對大鼠和小鼠都適用(適當縮放的水缸的大?。?。在這個任務中,一只老鼠被放置在一個不透明的具有一個隱藏逃生平臺的缸中。在反復試驗的過程中,動物能學會利用放置在迷宮房間里的視覺提示來定位平臺。實驗者可以測量記錄動物學會找到平臺的速度,并可利用探索試驗,把該平臺移除,測量動物在探索原有平臺的缸區所花費的 時間,來確定學習能力。Morris水迷宮z初用于研究海馬體病變與空間學習能力損害的關系。Morris水迷宮的一個變化是Barnes迷宮,動物必須找到動物必須找到在開放平臺上隱藏的逃生箱,這可能比在水迷宮中游泳的壓力要小 。Barnes迷宮用來研究與阿爾茨海默氏癥有關的遺傳變異以及腦外傷對空間學習的影響 。

                                  2、T迷宮或八臂迷宮

                                  使用T迷宮或八臂迷宮同樣可以測試空間學習和工作記憶,它們都要求動物利用空間線索學習找到獎勵品的位置 [5] 。八臂迷宮是由有八條臂包圍的中央平臺組成,可用于評估工作記憶行為。如同Morris水迷宮,線索被放置在房間周圍以區分不同臂的位置。在培訓過程中,食物獎勵被擺在每條臂上用以鼓勵探索行為(可能需要在培訓前進行輕度食物剝奪以增加大鼠的動機)。在測試當天,每條臂上再次放置誘餌,觀測者記錄大鼠獲取到所有臂上的獎勵所花費的時間,以及(進入一條已經去過的臂)錯誤的次數。另外,大鼠可被訓練只去某些放有獎勵的臂。在測試當天,完成任務所花費的時間,錯誤數量等仍是需記錄的相關數據點 [18] 。

                                  3、新物體識別

                                  新物體識別是記憶任務的一種形式,它不依賴于空間提示。在這個任務中,動物被訓練來識別特定對象。在測試階段,一個熟悉的物體被更換為一個陌生的物體。一個正常的動物,應該花更多的時間在調查陌生物體上。除了物體,動物也可以被訓練從熟悉的氣味中辨別陌生的氣味、味道和社會伙伴 。

                                  4、條件性恐懼

                                  條件性恐懼是一個學習行為的范例,一只大鼠或小鼠被訓練去接觸一個特定的具厭惡刺激的場景或暗示,如輕度電擊。隨后當動物暴露在與電擊相關的暗示或場景中,它會表現出一種刻板的凍結行為。這種行為可以通過反復暴露在無電擊的場景或暗示中而消失。對于研究學習本身來講,條件性恐懼可能更適用于對焦慮和抑郁的研究(見下文),因為涉及的神經機制與情緒障礙密切相關。被動回避學習是一個類似的范例,其中動物學習逃避具厭惡刺激的環境 。

                                  • 社會行為

                                  1、社交性

                                  社交行為的檢測與自閉癥的研究有特殊的關系,但也經常被用于研究抑郁和侵略行為。一個基本的社交能力測試包括測試老鼠對于調查一個新的刺激鼠,相對于調查一個空的容器,所花費時間的不同。這可以分為兩個試驗完成(一個是去調查空的目標盒,一個是去調查里面有一只新鼠的目標盒),或使動物在兩個小室中二選一,其一包含一個空的目標或陌生的物體,另一個包含刺激鼠。一個正常的老鼠應該更喜歡去探索新的社會目標  。

                                  2、父母和性行為

                                  父母和性行為也是社交性的一方面。通常情況下,觀察員必須經過培訓來識別和評估嚙齒類動物適當的性行為,包括坐騎,生殖器插入,雄性的射jing和雌性的脊柱前彎姿勢 。嚙齒動物是夜行動物,這些行為最hao是在暗周期用紅色光源觀察。母性的基本行為包括筑巢,幼崽取回,舔毛并梳理幼仔,和喂奶姿勢。雄性嚙齒動物通常不參與幼崽的飼養,因此,父母行為的評估通常僅局限于母鼠。為評估筑巢能力,可以給母鼠提供筑巢材料,過24小時后按比例尺從沒有筑巢到使用全部提供的材料建起有高墻的或全封閉的巢而進行評估。幼崽取回測試是將幼鼠散布在籠子里,測量母鼠找回所有幼鼠并將它們送回巢中的時間。一個訓練有素的觀察員還可以在特定的一段時間下在籠邊觀察到舔毛,梳理和喂奶行為 。Meaney和她的同事已經表明,母性行為可以在后代中遺傳,并對成年后代的行為產生深遠的影響。

                                  • 情緒:焦慮樣和抑郁樣行為

                                  1、強迫游泳

                                  焦慮樣和抑郁樣行為的研究已成功應用在確定新的抗抑郁藥和抗焦慮藥上,并用于發現與情緒障礙相關的遺傳因素。在嚙齒類動物抑郁樣行為測試中z常用的測試是強迫游泳和懸尾實驗,這兩種方法都是利用不動性(immobility)作為“行為絕望”的衡量措施。在強迫游泳實驗(FST)中 [25] ,動物被放置在充滿溫水的圓筒里。一個正常的動物z初將出現游泳逃生(攀爬)的行為,但停止不動的時間(漂?。⒅饾u增加。在FST中不同類別的抗抑郁藥可能會改變不同的行為。例如,選擇性血清素再攝取抑制劑(SSRIs)可增加游泳的行為,而三環類抗抑郁藥增加攀爬的行為 [26] 。在大鼠中,測試通常持續兩天。第一天,大鼠有15分鐘在游泳。第二天,不動性在5分鐘的測試游泳中會被記錄下來。小鼠通常只需要6分鐘的時間就能表現出足夠的不動性,它通常只在測試的z后4分鐘被記錄 [4] 。

                                  2、尾部懸吊(懸尾實驗)

                                  正如其名稱所暗示的,懸尾實驗(TST)是用動物的尾巴將其懸掛起來 [27] 。在FST中,隨著時間的推移,動物從劇烈掙扎到越發停止不動,而且用已知抗抑郁藥物進行急性處理可以大大減少不動的時間。TST方法只能用于小鼠,并且相對于FST壓力可能會更小,因為它不涉及潛在的體溫降低。使用應變儀來檢測運動可以實現自動評分 [28] 。小鼠都用膠帶粘著尾巴倒掛,在6分鐘里進行不動性測試。FST和TST同時也均對與人抑郁癥的刺激敏感,如壓力和停止服藥。因此,這在兩個測試中增加停止不動的時間可被解釋為是一個正抑郁表型。

                                  3、高架十字迷宮

                                  這個z常用的焦慮樣行為測試可評估在不同新環境中的探索行為,z初是為測試可改變大鼠行為的抗焦慮藥物的療效而設計,盡管從此它被用在小鼠上 [1] 。作為有覓食能力的物種捕食,嚙齒動物有一種天生的探索新舞臺的傾向,但也傾向避免開放,燈火通明的地區。曠場實驗,高架十字迷宮,和明/暗箱都旨在評估這些競爭的驅動力。小鼠傾向于避開舞臺令其反感的區域(開放領域的中心,高架十字迷宮兩側開放的臂,或明/暗箱的明區),但這種行為可被能影響先天焦慮的藥物或基因突變而改變 [1] 。

                                  4、明/暗探索

                                  明/暗探索試驗,主要用于小鼠,由一個有兩個腔室的檢測儀器組成。一個大的開放的舞臺通過一扇門連接到一個較小的,封閉的區域。鼠標被放置在開放的舞臺上,在5或10分鐘的測試時間里記錄小鼠在每個腔室所停留的時間和轉換腔室的次數。高架十字迷宮對于大鼠和小鼠都適用(雖然迷宮的大小會因物種而異)。迷宮由兩個相互垂直的臂組成,其中一條臂的兩側是開放的,另一條臂的兩側有高墻,迷宮位于距地面40-60厘米處(圖3)。動物被放置在中心,面對兩側開放的臂,記錄在超過5分鐘的時間里小鼠花費在每條臂的時間和進入每條臂的次數 [29-31] ??菇箲]藥物將會增加小鼠停留在兩側開放臂的時間。焦慮樣行為測試對實驗室條件,測試前狀況,和其他因素如年齡,性別,遺傳背景特別敏感 [32] 。如果要在同一只動物上進行一系列的試驗,最hao首先進行焦慮樣行為的測試,并且要在嚴格控制的條件下才能執行 [33] 。

                                  圖 3. 用于小鼠的高架十字迷宮。注意相互垂直的封閉臂和開放臂。

                                  • 聽覺驚嚇

                                  聽覺驚嚇反應用來衡量大鼠或小鼠對吵鬧,不可預知的聲刺激的反應。動物被關在一個隔音室并暴露在強度為90-120分貝、時間間隔隨機的聲刺激中。驚嚇反應被自動測量。實驗者可以評估每個刺激強度下的驚嚇底線,以及經過一段時間反復刺激后的適應性。

                                  弱刺激抑制

                                  驚嚇的弱刺激抑制(PPI)是一種測量感覺運動門控的措施。這種模式對于精神分裂癥的研究有很好的表面效度,因為人類的許多患者同樣表現出PPI缺陷。在這個測試中,動物首先接受低強度的刺激,或前脈沖(prepulse)(56-81分貝),隨后接受120分貝的刺激。前脈沖的存在應能減少在隨后測試刺激的驚嚇反應,并且弱刺激的強度越大所觀察到的抑制作用越強 。

                                  • 獎勵/癖嗜

                                  1、條件性位置偏愛

                                  嚙齒類動物的獎勵行為z常見的測試方法是位置偏愛試驗 [36] 。位置偏愛箱可由兩個或三個有門聯通的腔室組成。兩個腔室應該是大小相等,但可以從不同因素如地板的質地,墻壁上的圖案,或氣味(圖4)區分開。一個小的第三分室可以用來連接兩個主室,或可直接在兩室中間開個門。在訓練期間(每日一次或兩次, 總共6-8個訓練期),給予動物獎勵刺激,如以相輪流的順序,在其中一室給予一種濫用藥物,而在另一室給予生理鹽水。在測試當天,動物被允許自由地探索整個儀器。評估在每個室中所花的時間。重要的是在訓練動物之前要將其暴露在儀器中,以確保在任何一方動物不存在固有偏好。每次訓練所需的時間量可能會由被測試的刺激的不同而有所不同。試驗一般持續20-30分鐘 [36] 。對施藥一方的偏好可因使動物反復暴露在沒有獎勵的腔室中而消失。

                                  圖 4. 一個兩室條件性位置偏愛箱。一個連接兩個腔室的門可以被實驗者打開或關閉。注意兩室墻上的圖案和地板紋理之間的差異。

                                  2、蔗糖偏愛

                                  獎勵行為的敏感性也可以用一個簡單的蔗糖偏愛測試來測定,在實驗中動物能夠接近清水或含有不同濃度蔗糖的糖水,測量對每一種水的偏好。這個測試經常被用來衡量抑郁樣行為,因為在嚙齒動物中對蔗糖偏好的降低與其他抑郁癥的跡象密切相關 [35] 。

                                  3、自身給藥

                                  嚙齒動物,尤其是大鼠,也可以被訓練擁有自身給予能力,達到對各種藥物的濫用,以及對自然獎勵如食物的攝用。測試這種行為需要使用特殊儀器來運送藥品及與其相關的線索。動物一旦獲得了自身給藥行為,獲得獎勵的動機可以由一個動物以按杠桿來獲取獎勵的次數(即動物如何努力去得到獎勵)和每一期獲得的獎勵數量來測定。自身給予行為可因扣繳獎勵而消失,并且同條件性位置偏愛一樣,可因壓力,暗示,或藥物影響而恢復。

                                  • 行為表型研究的注意事項

                                  這篇文章的綜合描述并不詳盡,在開始實施一個陌生的行為測試之前還應對相關文獻進行回顧。盡管每個測試都是獨yi無二的,但一些注意事項可以被廣泛的應用,以確保獲得可重復的結果。每組用10只動物一般足以觀測到z常見行為的顯著統計差異,并且任何重要的結果都應在第二組實驗中證實 。雄性和雌性的數據不應被混合,除非在這之前已顯示出它們在所執行黨的實驗中沒有區別,且雌性在性周期的各個階段沒有不同。

                                  小鼠通常在測試時應該是2-6個月的年齡,除非特意要測定在年幼或年老的動物中的結果。如果使用不同背景的小鼠或大鼠株,所獲得的數據也可能沒有直接的可比性。懸掛動物和測試順序應該是一致的 。應始終使用適當的對照組。事實上,z近的數據顯示,在實驗者的性別可能對嚙齒動物的行為顯著效果。男性實驗者的存在或氣味導致實驗大鼠和小鼠應激激素的升高和行為改變 。這突出了為了提高實驗室之間的數據的可再現性, 不僅各實驗室的研究環境和實驗人員必須保持一致,而且實驗中的所有變量都需要報導,包括實驗人員的性別,具體的時間,動物的年齡等。z后,重要的是不應人格化。盡管上述行為測試可為人類疾病提供重要的視點,但是說一只小鼠或大鼠是“抑郁的”或“焦慮的”是不合適的。相反,一只老鼠可能會出現類抑郁行為,這些測試可以幫助確定導致這些行為的遺傳或環境因素,以及找到潛在的新療法。

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