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大鼠和小鼠 - 行为表现型研究的动物模型
点击次数:201 发布时间:2021-05-24

大鼠和小鼠是行为神经学研究中z常用的动物模型。它们是非常合适的模型体,因为它们能够表现出与人类疾病相关的各种行为。神经行为研究的初期,大鼠是z常用的模式生物。大鼠在许多标准的神经药理学任务中表现良好,而且它们身体的大小使我们更容易对其进行侵入性操作。不过,近来由于直接操纵基因技术的出现,小鼠已经成为神经科学研究的重要工具,这使得科学家们能够研究单个基因对发育和行为的影响。针对啮齿类实验动物有各种各样的行为测试,从测试基本的运动和感觉功能,到分析更复杂的有关认知和情绪的行为。本文旨在简要介绍不同研究中z常用的大鼠和小鼠的行为测试方法,以及为更深入的方法回顾提供参照。

  • 基本的感觉和运动功能

1、家笼活动

许多下面描述的测试都对感觉和运动功能的变化敏感。因此,重要的是要确定一个变异的或被施药的老鼠,在用其解释依赖于正常运动和感觉功能的其他测试结果之前,是否具备完整的感觉和运动反应。运动的z基本的评估是监测在家笼环境中的活动。虽然活动可以人为地由训练有素的观察员监测,它也可以由放置在笼外围的一圈红外照相束来获取(图1)。它的软件用来衡量在水平和垂直方向的运动。可用于监测24小时期间是否有任何昼夜节律的改变。相同的设置还可以监视在一个新的环境中的活动,是探索或焦虑的行为衡量尺度 。测试小鼠和大鼠测试的唯yi区别是自动监测照相束的间距不同。

2、旋转杆 Rotarod

加速旋转杆是用来衡量协调和平衡能力的。这个测试主要用于小鼠,它需要一个特殊的仪器使转速能够在4和50转之间(图2)。在z初的试验中,需训练小鼠能在固定杆上保持平衡,然后保持在以4转速旋转的杆上至少60秒。一旦这种能力水平已经达到了,杆被设置为在5分钟内从4转到48转加速旋转。记录小鼠掉落时所过的时间和当时的转速。运动学习也可以在随后的加速试验中通过检查表现的提升而得到评估。旋转杆测试常被用来筛选新药可能的副作用在动物早期发育过程中对动作协调性的影响  。其他对于运动协调能力缺乏的测试包括走平衡木和足迹分析 。

  • 嗅觉

基础感觉功能的研究应确保变异的小鼠可以正常的看、听和闻。下面描述的许多测试依赖于完整的视觉(Morris水迷宫,条件性位置偏爱,情境恐惧条件反射)或听觉系统(惊吓,暗示恐惧调节)。在这些测试中出现的异常或意外结果可能是指示有感觉缺陷,应作进一步调查。小鼠和大鼠都是嗅觉高度灵敏的动物,可将一些需靠视觉提示完成的测试转变为嗅觉提示。基本嗅觉功能可以通过测量小鼠在侦cha蘸有熟悉气味的棉签相对于新鲜气味所用时间的不同很容易地检测出来。

  • 痛觉

痛觉(疼痛)研究与感觉功能密切相关,而且它对于研究人类慢性疼痛和研发止痛药具有重要意义。很多测试可以评估啮齿类动物的痛觉。其中z常见的涉及到对热刺激的反应。一个标准的热痛觉测试包括把动物放置在一个温热的表面上(小鼠55C或大鼠52.5C)并测量时间(一般为10-30秒),直到动物舔身体,起身,摇它的爪子,或企图跳下热疼痛测试仪 。类似的试验还包括使尾部接触高温表面,将其浸在热水中或使用发光热源,以用来评估逃避时间。研究人员在研究疼痛反应时,应考虑到为实验动物制造痛感所涉及的伦理问题 。上述试验均为使受伤风险降至z低而设计。

  • 学习和记忆

1、Morris水迷宫

学习和记忆行为的测试能够对涉及认知成分的神经系统疾病的研究起到重要的作用,如精神分裂症和阿尔茨海默病。Morris水迷宫是z常见的空间导航任务 [11-13] ,它对大鼠和小鼠都适用(适当缩放的水缸的大小)。在这个任务中,一只老鼠被放置在一个不透明的具有一个隐藏逃生平台的缸中。在反复试验的过程中,动物能学会利用放置在迷宫房间里的视觉提示来定位平台。实验者可以测量记录动物学会找到平台的速度,并可利用探索试验,把该平台移除,测量动物在探索原有平台的缸区所花费的 时间,来确定学习能力。Morris水迷宫z初用于研究海马体病变与空间学习能力损害的关系。Morris水迷宫的一个变化是Barnes迷宫,动物必须找到动物必须找到在开放平台上隐藏的逃生箱,这可能比在水迷宫中游泳的压力要小 。Barnes迷宫用来研究与阿尔茨海默氏症有关的遗传变异以及脑外伤对空间学习的影响 。

2、T迷宫或八臂迷宫

使用T迷宫或八臂迷宫同样可以测试空间学习和工作记忆,它们都要求动物利用空间线索学习找到奖励品的位置 [5] 。八臂迷宫是由有八条臂包围的中央平台组成,可用于评估工作记忆行为。如同Morris水迷宫,线索被放置在房间周围以区分不同臂的位置。在培训过程中,食物奖励被摆在每条臂上用以鼓励探索行为(可能需要在培训前进行轻度食物剥夺以增加大鼠的动机)。在测试当天,每条臂上再次放置诱饵,观测者记录大鼠获取到所有臂上的奖励所花费的时间,以及(进入一条已经去过的臂)错误的次数。另外,大鼠可被训练只去某些放有奖励的臂。在测试当天,完成任务所花费的时间,错误数量等仍是需记录的相关数据点 [18] 。

3、新物体识别

新物体识别是记忆任务的一种形式,它不依赖于空间提示。在这个任务中,动物被训练来识别特定对象。在测试阶段,一个熟悉的物体被更换为一个陌生的物体。一个正常的动物,应该花更多的时间在调查陌生物体上。除了物体,动物也可以被训练从熟悉的气味中辨别陌生的气味、味道和社会伙伴 。

4、条件性恐惧

条件性恐惧是一个学习行为的范例,一只大鼠或小鼠被训练去接触一个特定的具厌恶刺激的场景或暗示,如轻度电击。随后当动物暴露在与电击相关的暗示或场景中,它会表现出一种刻板的冻结行为。这种行为可以通过反复暴露在无电击的场景或暗示中而消失。对于研究学习本身来讲,条件性恐惧可能更适用于对焦虑和抑郁的研究(见下文),因为涉及的神经机制与情绪障碍密切相关。被动回避学习是一个类似的范例,其中动物学习逃避具厌恶刺激的环境 。

  • 社会行为

1、社交性

社交行为的检测与自闭症的研究有特殊的关系,但也经常被用于研究抑郁和侵略行为。一个基本的社交能力测试包括测试老鼠对于调查一个新的刺激鼠,相对于调查一个空的容器,所花费时间的不同。这可以分为两个试验完成(一个是去调查空的目标盒,一个是去调查里面有一只新鼠的目标盒),或使动物在两个小室中二选一,其一包含一个空的目标或陌生的物体,另一个包含刺激鼠。一个正常的老鼠应该更喜欢去探索新的社会目标  。

2、父母和性行为

父母和性行为也是社交性的一方面。通常情况下,观察员必须经过培训来识别和评估啮齿类动物适当的性行为,包括坐骑,生殖器插入,雄性的射jing和雌性的脊柱前弯姿势 。啮齿动物是夜行动物,这些行为最hao是在暗周期用红色光源观察。母性的基本行为包括筑巢,幼崽取回,舔毛并梳理幼仔,和喂奶姿势。雄性啮齿动物通常不参与幼崽的饲养,因此,父母行为的评估通常仅局限于母鼠。为评估筑巢能力,可以给母鼠提供筑巢材料,过24小时后按比例尺从没有筑巢到使用全部提供的材料建起有高墙的或全封闭的巢而进行评估。幼崽取回测试是将幼鼠散布在笼子里,测量母鼠找回所有幼鼠并将它们送回巢中的时间。一个训练有素的观察员还可以在特定的一段时间下在笼边观察到舔毛,梳理和喂奶行为 。Meaney和她的同事已经表明,母性行为可以在后代中遗传,并对成年后代的行为产生深远的影响。

  • 情绪:焦虑样和抑郁样行为

1、强迫游泳

焦虑样和抑郁样行为的研究已成功应用在确定新的抗抑郁药和抗焦虑药上,并用于发现与情绪障碍相关的遗传因素。在啮齿类动物抑郁样行为测试中z常用的测试是强迫游泳和悬尾实验,这两种方法都是利用不动性(immobility)作为“行为绝望”的衡量措施。在强迫游泳实验(FST)中 [25] ,动物被放置在充满温水的圆筒里。一个正常的动物z初将出现游泳逃生(攀爬)的行为,但停止不动的时间(漂浮)将逐渐增加。在FST中不同类别的抗抑郁药可能会改变不同的行为。例如,选择性血清素再摄取抑制剂(SSRIs)可增加游泳的行为,而三环类抗抑郁药增加攀爬的行为 [26] 。在大鼠中,测试通常持续两天。第一天,大鼠有15分钟在游泳。第二天,不动性在5分钟的测试游泳中会被记录下来。小鼠通常只需要6分钟的时间就能表现出足够的不动性,它通常只在测试的z后4分钟被记录 [4] 。

2、尾部悬吊(悬尾实验)

正如其名称所暗示的,悬尾实验(TST)是用动物的尾巴将其悬挂起来 [27] 。在FST中,随着时间的推移,动物从剧烈挣扎到越发停止不动,而且用已知抗抑郁药物进行急性处理可以大大减少不动的时间。TST方法只能用于小鼠,并且相对于FST压力可能会更小,因为它不涉及潜在的体温降低。使用应变仪来检测运动可以实现自动评分 [28] 。小鼠都用胶带粘着尾巴倒挂,在6分钟里进行不动性测试。FST和TST同时也均对与人抑郁症的刺激敏感,如压力和停止服药。因此,这在两个测试中增加停止不动的时间可被解释为是一个正抑郁表型。

3、高架十字迷宫

这个z常用的焦虑样行为测试可评估在不同新环境中的探索行为,z初是为测试可改变大鼠行为的抗焦虑药物的疗效而设计,尽管从此它被用在小鼠上 [1] 。作为有觅食能力的物种捕食,啮齿动物有一种天生的探索新舞台的倾向,但也倾向避免开放,灯火通明的地区。旷场实验,高架十字迷宫,和明/暗箱都旨在评估这些竞争的驱动力。小鼠倾向于避开舞台令其反感的区域(开放领域的中心,高架十字迷宫两侧开放的臂,或明/暗箱的明区),但这种行为可被能影响先天焦虑的药物或基因突变而改变 [1] 。

4、明/暗探索

明/暗探索试验,主要用于小鼠,由一个有两个腔室的检测仪器组成。一个大的开放的舞台通过一扇门连接到一个较小的,封闭的区域。鼠标被放置在开放的舞台上,在5或10分钟的测试时间里记录小鼠在每个腔室所停留的时间和转换腔室的次数。高架十字迷宫对于大鼠和小鼠都适用(虽然迷宫的大小会因物种而异)。迷宫由两个相互垂直的臂组成,其中一条臂的两侧是开放的,另一条臂的两侧有高墙,迷宫位于距地面40-60厘米处(图3)。动物被放置在中心,面对两侧开放的臂,记录在超过5分钟的时间里小鼠花费在每条臂的时间和进入每条臂的次数 [29-31] 。抗焦虑药物将会增加小鼠停留在两侧开放臂的时间。焦虑样行为测试对实验室条件,测试前状况,和其他因素如年龄,性别,遗传背景特别敏感 [32] 。如果要在同一只动物上进行一系列的试验,最hao首先进行焦虑样行为的测试,并且要在严格控制的条件下才能执行 [33] 。

图 3. 用于小鼠的高架十字迷宫。注意相互垂直的封闭臂和开放臂。

  • 听觉惊吓

听觉惊吓反应用来衡量大鼠或小鼠对吵闹,不可预知的声刺激的反应。动物被关在一个隔音室并暴露在强度为90-120分贝、时间间隔随机的声刺激中。惊吓反应被自动测量。实验者可以评估每个刺激强度下的惊吓底线,以及经过一段时间反复刺激后的适应性。

弱刺激抑制

惊吓的弱刺激抑制(PPI)是一种测量感觉运动门控的措施。这种模式对于精神分裂症的研究有很好的表面效度,因为人类的许多患者同样表现出PPI缺陷。在这个测试中,动物首先接受低强度的刺激,或前脉冲(prepulse)(56-81分贝),随后接受120分贝的刺激。前脉冲的存在应能减少在随后测试刺激的惊吓反应,并且弱刺激的强度越大所观察到的抑制作用越强 。

  • 奖励/癖嗜

1、条件性位置偏爱

啮齿类动物的奖励行为z常见的测试方法是位置偏爱试验 [36] 。位置偏爱箱可由两个或三个有门联通的腔室组成。两个腔室应该是大小相等,但可以从不同因素如地板的质地,墙壁上的图案,或气味(图4)区分开。一个小的第三分室可以用来连接两个主室,或可直接在两室中间开个门。在训练期间(每日一次或两次, 总共6-8个训练期),给予动物奖励刺激,如以相轮流的顺序,在其中一室给予一种滥用药物,而在另一室给予生理盐水。在测试当天,动物被允许自由地探索整个仪器。评估在每个室中所花的时间。重要的是在训练动物之前要将其暴露在仪器中,以确保在任何一方动物不存在固有偏好。每次训练所需的时间量可能会由被测试的刺激的不同而有所不同。试验一般持续20-30分钟 [36] 。对施药一方的偏好可因使动物反复暴露在没有奖励的腔室中而消失。

图 4. 一个两室条件性位置偏爱箱。一个连接两个腔室的门可以被实验者打开或关闭。注意两室墙上的图案和地板纹理之间的差异。

2、蔗糖偏爱

奖励行为的敏感性也可以用一个简单的蔗糖偏爱测试来测定,在实验中动物能够接近清水或含有不同浓度蔗糖的糖水,测量对每一种水的偏好。这个测试经常被用来衡量抑郁样行为,因为在啮齿动物中对蔗糖偏好的降低与其他抑郁症的迹象密切相关 [35] 。

3、自身给药

啮齿动物,尤其是大鼠,也可以被训练拥有自身给予能力,达到对各种药物的滥用,以及对自然奖励如食物的摄用。测试这种行为需要使用特殊仪器来运送药品及与其相关的线索。动物一旦获得了自身给药行为,获得奖励的动机可以由一个动物以按杠杆来获取奖励的次数(即动物如何努力去得到奖励)和每一期获得的奖励数量来测定。自身给予行为可因扣缴奖励而消失,并且同条件性位置偏爱一样,可因压力,暗示,或药物影响而恢复。

  • 行为表型研究的注意事项

这篇文章的综合描述并不详尽,在开始实施一个陌生的行为测试之前还应对相关文献进行回顾。尽管每个测试都是独yi无二的,但一些注意事项可以被广泛的应用,以确保获得可重复的结果。每组用10只动物一般足以观测到z常见行为的显著统计差异,并且任何重要的结果都应在第二组实验中证实 。雄性和雌性的数据不应被混合,除非在这之前已显示出它们在所执行党的实验中没有区别,且雌性在性周期的各个阶段没有不同。

小鼠通常在测试时应该是2-6个月的年龄,除非特意要测定在年幼或年老的动物中的结果。如果使用不同背景的小鼠或大鼠株,所获得的数据也可能没有直接的可比性。悬挂动物和测试顺序应该是一致的 。应始终使用适当的对照组。事实上,z近的数据显示,在实验者的性别可能对啮齿动物的行为显著效果。男性实验者的存在或气味导致实验大鼠和小鼠应激激素的升高和行为改变 。这突出了为了提高实验室之间的数据的可再现性, 不仅各实验室的研究环境和实验人员必须保持一致,而且实验中的所有变量都需要报导,包括实验人员的性别,具体的时间,动物的年龄等。z后,重要的是不应人格化。尽管上述行为测试可为人类疾病提供重要的视点,但是说一只小鼠或大鼠是“抑郁的”或“焦虑的”是不合适的。相反,一只老鼠可能会出现类抑郁行为,这些测试可以帮助确定导致这些行为的遗传或环境因素,以及找到潜在的新疗法。

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