動物行為學實驗專題1----小鼠迷宮實驗
| 導讀 | 在非臨床有效性研究過程中，主要采用行為學試驗研究**對動物學習記憶功能的影響。人和動物的內(nèi)部心理過程是無法直接觀察到的，只能根據(jù)可觀察到的刺激反應來推測腦內(nèi)發(fā)生的過程，對腦內(nèi)記憶過程的研究只能從人類或動物學習或執(zhí)行某項任務后間隔一定時間，測量他們的操作成績或反應時間來衡量這些過程的編碼形式、貯存量、保持時間和它們所依賴的條件等等。小鼠/大鼠迷宮實驗則是有效的實驗技術。 |
(一) 實驗概述
Morris水迷宮是英國心理學家Morris于20世紀80年(1981)代初設計并應用于腦學習記憶機制研究的一種實驗手段，其在AD研究中的應用非常普遍。
(二) 實驗原理
雖然老鼠是天生的游泳健將，但是它們卻厭惡處于水中的狀態(tài)，同時游泳對于老鼠來說是十分消耗體力的活動，他們會本能的尋找水中的休息場所。尋找休息場所的行為涉及到一個復雜的記憶
過程，包括收集與空間定位有關的視覺信息，再對這些信息進行處理、整理、記憶、加固、然后再取出，目的是能成功的航行并且找到隱藏在水中的站臺，*終從水中逃脫。
(三) 實驗方法
分獲得性訓練、探查和對位訓練3個過程。
1．獲得性訓練（Acquisition phase）理論上將水池分為4個象限，平臺置于其中一個象限區(qū)的中央。
(1) 將動物（大鼠或小鼠）頭朝池壁放入水中，放入位置隨機取東、西、南、北四個起始位置之一。記錄動物找到水下平臺的時間（s）。在前幾次訓練中，如果這個時間超過60s，則引導動物到平臺。讓動物在平臺上停留10s．
(2) 將動物移開、擦干。必要時將動物（尤其是大鼠）放在150W的白熾燈下烤5min，放回籠內(nèi)。每只動物每天訓練4次，兩次訓練之間間隔15~20min，連續(xù)訓練5d。
2．探查訓練(probe trial 1)*后一次獲得性訓練結(jié)束后的**天，將平臺撤除，開始60s的探查訓練。將動物由原先平臺象限的對側(cè)放入水中。記錄動物在目標象限（原先放置平臺的象限）所花的時間和進入該象限的次數(shù)，以此作為空間記憶的檢測指標。
3．對位訓練（reveral phase）測定動物的工作記憶（working memory）。探查訓練結(jié)束后的**天，開始維持4天的對位訓練。將平臺放在原先平臺所在象限的對側(cè)象限，方法與獲得性訓練相同。每天訓練4次。每次記錄找到平臺的時間和游泳距離以及游泳速度。
4．對位探查訓練（probe trial 2）*后一次對位訓練的**天進行。方法與上述探查訓練類似。記錄動物60s內(nèi)動物在目標象限（平臺**次所在區(qū)）所花時間和進入該區(qū)的次數(shù)。
(一) 實驗概述
高架十字迷宮是利用動物對新異環(huán)境的探究特性和對高懸敞開臂的恐懼形成矛盾沖突行為來考察動物的焦慮狀態(tài)。高架十字迷宮具有一對開臂和一對閉臂，嚙齒類動物由于嗜暗性會傾向于在閉臂中活動，但出于好奇心和探究性又會在開臂中活動，在面對新奇刺激時，動物同時產(chǎn)生探究的沖動與恐懼，這就造成了探究與回避的沖突行為，從而產(chǎn)生焦慮心理。而抗焦慮**能明顯增加進入開臂的次數(shù)與時間，十字迷宮距離地面較高，相當于人站在峭壁上，使實驗對象產(chǎn)生恐懼和不安心理。高架十字迷宮被廣泛應用于新藥開發(fā)/篩選/評價、藥理學、毒理學、預防醫(yī)學、神經(jīng)生物學、動物心理學及行為生物學等多個學科的科學-研究和計算機輔助教學等領域，是醫(yī)學院校與科研機構開展行為學研究尤其是焦慮抑郁研究的經(jīng)典實驗。
(二) 實驗方法
實驗開始時將小鼠從中央格面向閉合臂放入迷宮，記錄5分鐘內(nèi)的活動情況。觀察指標包括：開放臂進入次數(shù)(必須有兩只前瓜進入臂內(nèi))，開放臂停留時間，閉合臂進入次數(shù)，閉合臂停留時間。計算開放臂停留時間比例，開放臂進入次數(shù)比例，高架十字迷宮中總進入次數(shù)。實驗完成后將小鼠取出，將兩臂清理干凈，噴灑酒精除去氣味。*后用SuperMaze動物行為學軟件進行數(shù)據(jù)分析。
進入開放臂次數(shù)及停留時間與大鼠的焦慮情緒成負相關，進入開放臂次數(shù)越少，停留時間越短，說明老鼠的焦慮情緒越嚴重。
(一) 實驗概述
Y迷宮主要應用于動物的辨別性學習，工作記憶及參考記憶的測試。Y迷宮由三個完全相同的臂組成。每個臂盡頭有食物提供裝置，根據(jù)分析動物取食的策略即進入各臂的次數(shù)、時間、正確次數(shù)、錯誤次數(shù)、路線等參數(shù)可以反映出實驗動物的空間記憶能力。相對而言，Y迷宮簡便、可行，相對八臂迷宮來說更加簡單，有一定的實用性，現(xiàn)常用于學習記憶功能評價。
Y迷宮、八臂迷宮這類食物獎賞型迷宮任務能夠檢測嚙齒類動物與海馬和前額葉腦區(qū)相關的空間參考記憶和空間工作記憶。當動物在迷宮中尋找食物時，動物需要根據(jù)迷宮周圍的視覺標示，記住它已搜尋過的迷宮臂，以避免重復進入同一個臂，從而有效地獲得食物。這種類型的記憶能指導進行中的行為，被稱為工作記憶。
Y迷宮實驗模型用來研究嚙齒類動物的空間識別記憶能力，這相對于被動回避等實驗的優(yōu)點在于：這種迷宮利用了嚙齒類動物對新異環(huán)境天然探究的自然習性，不需要動物學習任何規(guī)則來趨利避害，能夠有效地反映出動物對新異環(huán)境的識別記憶能力。
(二) 實驗方法
1．Y迷宮食物獎賞測試
Y迷宮實驗包含兩個階段，間隔1h。**個階段為訓練期，新異臂被隔板擋住，小鼠由起始臂放入，在起始臂和其他臂中自由活動10min，訓練結(jié)束后，小鼠被放回飼養(yǎng)籠。1h后進行第2個階段實驗。第2個階段為檢測期，抽開新異臂隔板，小鼠由起始臂放入，在3個臂中自由活動5min。錄像記錄5min內(nèi)每只小鼠在各個臂停留的時間和穿梭次數(shù)。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計：Y迷宮實驗中，5min內(nèi)小鼠在各個臂之間停留的時間；Y迷宮實驗中，5min內(nèi)小鼠在各個臂的穿梭次數(shù)。
注：實驗中，隨機安排不同動物對應的Y迷宮的起始臂、新異臂和其他臂，但對于同一只小鼠，在迷宮實驗的兩個階段，三個臂是固定的。由于小鼠對該迷宮測試的記憶時間*長不超過數(shù)小時，所以該迷宮測試可以在同一只小鼠上反復進行，但兩次實驗需間隔至少1周，并改變?nèi)齻€臂的搭配（Dellu et al， 2000）。評價空間識別記憶能力可以用小鼠在各個臂停留的時間作為檢測指標，同時以動物在各個臂的穿梭次數(shù)作為檢測其活動能力的一個指標（Dellu et al， 1992，2000）。
2．Y迷宮電刺激測試
Y-迷宮為一個三等臂式反射箱，三臂的夾角為120°，底部為可通電的銅棒，每臂端有一信號燈，燈亮表示**區(qū)，此臂不通電無電流，另兩臂通電(電壓50~70V，大致固定在能使小鼠產(chǎn)生逃避行為的強度)。實驗時，隨即變換**區(qū)，電擊小鼠，以小鼠立即逃往**區(qū)為一次正確反應。具體方法：每只小鼠先在迷宮中適應3min，每次電擊延遲為5s，直到小鼠的訓練過程中連續(xù)9次正確反應即為學會。記錄小鼠學會所需的訓練次數(shù)，訓練次數(shù)越少，說明學習能力越強。24h后進行記憶保持能力的檢測，以正確反應次數(shù)占總檢測次數(shù)的百分比表示記憶保持能力(正確反應的次數(shù)/總檢測次數(shù)×100%)，此值越高說明記憶力越好。
(一) 實驗簡介
八臂迷宮（放射臂迷宮（radial arm maze））實驗也是*為常用的評價動物學習記憶能力的模型之一，由Olton等人于20世紀70年代中期建立。其基本依據(jù)是，控制進食的動物受食物的驅(qū)使對迷宮各臂進行探究；經(jīng)過一定時間的訓練，動物可記住食物在迷宮中的空間位置。該方法可同時測定動物的工作記憶（working memory）和參考記憶（reference memory）。所用動物包括大鼠、小鼠和鴿子。這一模型對腦區(qū)毀損和多種**均很敏感。后者包括乙醇、東良宕堿（抗膽堿能藥）和MK-801（NMDA受體拮抗劑）等。
(二) 實驗方法
1．動物適應實驗環(huán)境1周后，稱重，禁食24小時。此后每天訓練結(jié)束后限制性地給予正常食料（據(jù)體重不同，大鼠16-20g，小鼠2-3g），以使體重保持在正常進食大鼠的80%~85%。
2．**天，迷宮各臂及中央?yún)^(qū)分撒著食物顆粒（每只4~5粒，直徑約3~4mm）。然后，同時將4只動物置于迷宮中央（通往各臂的門打開）。讓其自由攝食、探究10min。
3．第三天，重復**天的訓練。這一過程讓動物在沒有很強的應激條件下熟悉迷宮環(huán)境。
4．第四天起，動物單個進行訓練：在每個臂靠近外端食盒處各放一顆食粒，讓動物自由攝食。食粒吃完或10min后將動物取出。
5．第五天，將食物放在食盒內(nèi)，重復前**的訓練，**2次。
6．第六天以后，隨機選4個臂，每個臂放一顆食粒；各臂門關閉，將動物放在迷宮中央；30s后，臂門打開，讓動物在迷宮中自由活動并攝取食粒，直到動物吃完所有4個臂的食粒。如經(jīng)10min食粒仍未吃完，則實驗終止。每天訓練兩次，其間間隔1h以上。
(三) 記錄以下4個指標：
1．工作記憶錯誤（working memory errors），即在同一次訓練中動物再次進入已經(jīng)吃過食粒的臂
2．參考記憶錯誤（reference memory errors），即動物進入不曾放過食粒的臂；
3．總的入臂次數(shù)；
4．測試時間，即動物吃完所有食粒所花的時間。此外，計算機還可記錄動物在放射臂內(nèi)及中央?yún)^(qū)的活動情況，包括運動距離和運動時間等。連續(xù)5次訓練的工作記憶錯誤為零、參考記憶錯誤不超過1次時，可以開始**測試或腦內(nèi)核團結(jié)構毀損實驗。一般先給溶劑（如生理鹽水），再給削弱記憶的**（如東良宕堿、MK-801等），然后加用增強記憶的**，劑量由低到高。
(四) 計算與數(shù)據(jù)分析
用兩個指標評價動物的記憶，即工作記憶錯誤頻率（frequency of working memory errors）和參考記憶錯誤頻率（frequency of reference memory errors），分別等于工作記憶錯誤或參考記憶錯誤與總的入臂次數(shù)的比率。用這兩個指標分別評價工作記憶與參考記憶。同時，計算平均探究時間（average exploration time），即測試時間與總的入臂次數(shù)之比，為評價一般運動活性的指標。根據(jù)毀損的腦區(qū)結(jié)構或所給削弱記憶的**的不同，工作記憶錯誤頻率和/或參考記憶錯誤頻率顯著增高，記憶增強**或**可使這種錯誤頻率降低。
(五) 注意事項
1．小鼠放射迷宮設備和實驗程序與大鼠類似，但迷宮規(guī)格應比大鼠迷宮小1/4~1/2，以免增加小鼠行為操作難度。
2．本實驗也可只用來測定工作記憶。方法中**不同的是，在所有放射臂均放置食粒，而不是只選4個臂放置食粒。
3．慢性應激對動物的迷宮操作可產(chǎn)生影響，且存在性別差異。經(jīng)過慢性應激以后，雄性大鼠記憶力減弱，表現(xiàn)為記憶錯誤頻率增加；雄性大鼠的空間記憶反而增強，表現(xiàn)為錯誤頻率減少。
4．即使在限制進食條件下，也應讓大鼠體重每周增加5g，以免動物因營養(yǎng)**而患病。剔除身體狀態(tài)**的動物。
5．迷宮周圍的任何一件物品均可被動物用來作為空間定為的標志。去除或移動這些標志可能使動物操作困難并降低迷宮臂選擇的準確性。
6．根據(jù)實驗目的的不同迷宮放射臂的數(shù)目可不同，包括8、16、24、32、40和48臂迷宮。迷宮臂越少要求動物記住探究過的臂也越小，動物的行為操作就越簡單。增加臂的數(shù)目一方面增加了對動物空間記憶的要求，另一方面也引入了更多的、有必要考慮的干擾因素（例如過去的迷宮學習對目前所測記憶的影響）。所以，通常使用8臂放射迷宮，既可減少不必要的、過多臂的干擾，又可縮短訓練和測試所花的時間。
7．所用食物通常為小塊的、帶巧克力味（動物*喜歡的味道之一）或甜味的早餐圈（每塊10mg）；也可用液體食物（如巧克力奶或水）。后者對于測試某些影響動物對固體食物吞咽的**（如東良宕堿）尤為實用。
8．影響動物迷宮操作主要有兩大因素：對迷宮或觀察者的恐懼與動物探究習性和已知放在迷宮臂內(nèi)食物的驅(qū)使。恐懼因素過強會阻止動物的迷宮操作，使動物始終停留在迷宮的某一個地方而不去探究。缺乏對食物的渴求也會產(chǎn)生類似結(jié)果，增加對動物的撫摸，必要時加高迷宮臂的側(cè)墻，有助于減少動物的恐懼。如食物的驅(qū)使作用不足，可減少食物量，但必須同時監(jiān)測體重和一般身體狀況。通常大鼠體重不應低于禁食前的80%；對多數(shù)大鼠，體重降低15%即可。
9．與水迷宮不同，放射臂迷宮適合反復測試或長期記憶的測試。一般認為，工作記憶代表短期記憶，參考記憶代表長期記憶。
動物行為學實驗專題1----小鼠迷宮實驗
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