动物行为学软件EthoVision的应用

EthoVision与小鼠

小鼠作为模式动物应用广泛,因其基因组计划完成、生理生化和发育过程与人类相似、基因改造技术成熟以及繁殖能力强而成为最好的模式动物之一。

以转基因为例,Lucas在2001的文献里利用软件在转基因小鼠里实验,做了四种实验, Munc 18-1失能小鼠在旷场试验中进入一个区域的时间、不同时长攻击小鼠在旷场实验中某个区域内的时间和区域外的时间、CREB基因突变的小鼠在水迷宫实验中的表现、trkB基因突变的小鼠在水迷宫的表现,证明了在四种实验中EthoVision的应用,并探讨了最新的技术和未来视频追踪系统的方向(Noldus 2001)。

针对特定的研究领域,利用软件分析小鼠的焦虑行为与条件恐惧行为是比较普遍的。Andrew Holmes研究基底外侧杏仁核复合体的体积大小与恐惧、焦虑、抑郁相关行为的联系以及与对压力的glucocorticoid肾上腺皮质激素反应的关系,他们利用焦虑相关实验:利用EthoVision测量小鼠在开放旷场的移动距离、移动时间、在中心区域的时间;利用软件测量小鼠在高架十字迷宫中开放臂的时间、进入开放臂和闭合臂的次数;研究发现相对小的外侧杏仁核复合体体积的小鼠对声音刺激和环境刺激有更强的恐惧反应以及肾上腺酮反应,并且对新情况有更大的运动抑制(Yang, Mozhui et al. 2008)。 

而Marcelo A. Wood研究条件恐惧实验用来评估啮齿类动物的学习记忆能力,介绍评估利用EthoVision软件测量条件恐惧的可靠性与准确性,借助Phenotyper的装置,利用软件测量不动的时间,与手动记录进行比较,证明了手动记录和软件自动记录基本一样,而且经过改造的Phenotyper硬件提供了高通量的可靠并准确的测量手段(Pham, Cabrera et al. 2009)

 

另外有对小鼠的自发活动的研究,利用Y迷宫或者转棒实验,Marc De Ryck利用Y迷宫用来测量啮齿类动物的空间工作记忆,介绍如何利用EthoVision记录小鼠的自发持续性的改变行为,优化区域的设计,利用软件记录Y迷宫的转换,通过优化设计以及自动分析程序使得软件输出与认为观察达到了100%的符合(Ryck 2010)。L. Ver Donck等人利用转棒实验用来评估药物对啮齿类动物的运动协调的影响,但小鼠有解决方法便是抓住杆这会影响到结果给出错误结论,本文介绍利用软件测量第二参数即turnaround转圈次数,利用软件自动测量turnaround behavior转圈行为,通过软件中的次序分析,划定三个区域的转变能够精确代替测量小鼠的转圈行为(Donck 2012)。

随着新的技术的不断涌现,神经科学家也正在利用EthoVision来研究动物的行为,同时将其作为一个窗口以窥探大脑的功能。考虑到给小鼠一个没有压力的环境,Science特别报道利用EthoVision软件和家居箱Phenotyper硬件对自闭症小鼠或其它基因敲除小鼠做深入的研究(Smith 2016)

EthoVision与大鼠

在某些方面如认知行为等,大鼠是比小鼠更接近人类的实验动物,与小鼠相比,大鼠体型较大,其生理学特征易于研究,是多种人类疾病的重要模式动物。这其中对多巴胺的研究以及对海马体区域的研究较多。

Haghparast A等人研究多巴胺受体1对于FD食物缺乏和药物启动引起的条件位置偏好的重新建立的影响,利用软件记录与条件位置偏好相关的数据,比如停留在不同箱体的时间和运动活性,发现基底核中的多巴胺受体1拮抗以后减弱了FD食物缺乏和药物启动引起的条件位置偏好的重新建立(Haghparast A 2015);他们同样研究海马体的的齿状回内的D1/D2样的受体在吗啡引起的条件位置偏好的角色,利用软件同样的功能,发现海马体的的齿状回内的D1/D2样的受体在吗啡引起的条件位置偏好中有重要角色(Haghparast 2015)

德国的C Korth等人研究全长DISC1蛋白质的错误组装与多巴胺动态平衡以及行为学缺陷的联系,利用软件检测大鼠的探索行为,识别新物体以及新的地方的时间,结合分子学的研究以及观察到的行为学表型包括DISC1的错误表达引起的心理疾病的表型、高度探索行为、转棒实验缺陷等,发现DISC1蛋白的组装与多巴胺的动态平衡相关(Trossbach, Bader et al. 2016)

EthoVision与灵长类动物

灵长类动物由于其与人类最为接近,在研究与人类最接近的课题研究中得到广泛应用。

Richard Grondin等人以恒河猴为模型探讨非人灵长类动物与年龄相关的运动功能的改变,他们通过EthoVision软件客观定量分析6只年轻、6只中年、12只老年雌性恒河猴的运动能力,研究发现年轻猴子的移动距离是中年猴子的两倍,移动速度快48%,年轻猴子移动距离是老年猴子的三倍,移动速度快67%。而且年轻猴子更加活跃(20/60min,中年猴子(10/60min,老年猴子(1/60min,得出结论EthoVision是一个可靠而且客观的追踪方法(Walton, Branham et al. 2006)

EthoVision与斑马鱼

斑马鱼由于个体小,养殖花费少,能大规模繁育,体外发育,胚胎发育同步且速度快,胚体透明并且斑马鱼品系多基因数据库可供查询和下载的资料也多,所以备受研究者的喜爱,作为广泛应用的模式动物之一。

Nature Protocols就详细介绍过EthoVision在斑马鱼上的使用,Allan V Kalueff研究成年斑马鱼的焦虑行为以及内分泌表型,主要应用的实验是novel tank test新鱼缸潜水实验,测量乙醇以及咖啡因对斑马鱼的行为影响,包括在鱼缸上部分的时间、移动距离、狂躁行为等用来判断焦虑行为的参数(Cachat, Stewart et al. 2010)。

今年的诺贝尔奖授予了节律,其实斑马鱼与EthoVision在节律上的合作也发生着。Charles N. Falany研究SULT4A1磺基转移酶4A1基因突变的斑马鱼的行为,在正常的昼夜节律情况下观察48小时内的野生型斑马鱼和突变型斑马鱼的活动情况,研究发现SULT4A1突变的斑马鱼与野生型的斑马鱼比较而言增加了不活动的时间和频率,减少了白天的活动水平(Crittenden, Thomas et al. 2015)

EthoVision与果蝇

果蝇作为模式动物,饲养容易,繁殖快,染色体数量少(只有四对)而且形状有明显差别,果蝇性状变异很多,这些特点对遗传学研究也有很多好处。一百年以来,科学家们因为研究果蝇而获得1933194719952011以及2017今年的诺贝尔奖,可以看出果蝇的明星气质。

Abha Chauhan等人研究Bisphenol A双酚A对果蝇行为的影响,使用EthoVision软件测量果蝇的运动行为,使用了不同的参数distance traveled运动距离, walking speed行走速度, spatial movement空间运动, mobility移动, turn angle转角, angular velocity and meander角速度和无目的走动,使用的实验包括开放旷场实验和社交行为, 在开放旷场实验中,BPA处理的果蝇运动模式扰乱,反复行为增加,社交行为也出现异常。表明果蝇可以作为神经行为学紊乱症的实用便易模型(Abha Chauhan 2015)

Alper RH等人追踪第三龄的果蝇幼虫的运动情况,借助DanioVision的装置以及EthoVision软件分析正常果蝇以及基因突变RdI的果蝇的不同运动活性,通过GABBA受体拮抗剂PTX处理的正常果蝇运动活性减少,基因突变(对PTX反应弱)的果蝇运动活性影响不大,强调软件自动追踪的优势(Alper RH 2016)

另外针对果蝇的社交行为也广有应用,世界著名生物学家北京大学饶毅教授研究果蝇的侵略行为并研究其中的分子机制,利用EthoVision对果蝇的locomotion也有测量(Zhou, Rao et al. 2008)

EthoVision与其它物种

英国的ANTHONY S CLARE研究纹藤壶,由于之前的方法得到的信息量太少,利用EthoVision软件追踪藤壶的行为用来优化环境参数,在30mm的培养皿里观察藤壶幼虫的行为,利用软件测量多个参数比如移动距离、速度等7个参数(Table II, EthoVision提供的数据与参数具有高的参考价值,应该被广泛应用到幼虫的抑制或促进行为研究,使用显微镜有可能应用软件到更小的生物,比如藻类孢子、硅藻等(ANTHONY S CLARE 2004)

美国的Sandra A. Allan研究亚致死剂量的除虫菊酯对雌性蚊子的宿主寻找行为的影响,借助风洞,利用软件测量蚊子的飞行时间、速度、转角和角速度,发现亚致死剂量除虫菊酯处理的蚊子显著减少了飞行激活的时间和飞行方向(Allan 2011)

加拿大的N. W. Milgram研究费洛蒙项圈和安慰剂项圈对的恐惧以及焦虑行为的影响,利用软件测量狗进入隐蔽区的次数,以及由观察者标记的事件的发生频率和持续时间,发现费洛蒙项圈减少了狗对闪电声音的恐惧以及焦虑行为,增加了隐蔽区的使用(Landsberg, Beck et al. 2015)

Evans进行研究,利用软件尝试研究自由生活的鸟的雏鸟喂食行为(Evans 2015)

Noor K. Abraham等人研究ATR莠去津(一种除草剂)对于雄性和雌性龙虾对食物气味的化学感知反应,使用软件EthoVision测量龙虾对于食物气味(fish)的反应,指标是气味定位行为和运动行为,发现对照组龙虾比ATR处理的龙虾花费更多的时间在测试区附近的区域以及气味来源的区域,表明ATR改变了龙虾的化学感知能力(Belanger, Peters et al. 2015)

Kiera-Nicole Lee等人使用Novel Object Recognition (NOR) 新物体识别实验探索豚鼠多巴胺受体所介导的记忆巩固信号,借助Phenotyper的装置以及EthoVision的三点追踪实施新物体识别实验,研究发现通过阻断剂阻断多巴胺1受体和2受体减弱了豚鼠对接下来新物体的区别,而对照组则没有,表明多巴胺信号参与了调控记忆巩固的关键后获取因素(acquisition (which involved familiarization to two similar objects)(Lee and Chirwa 2015)

另外还有蜜蜂淡水鱼头虱等不胜枚举。

且不说今年获得诺贝尔奖的生物钟的重要问题并未全部解决,机理并非完全清晰,例如,研究的最多、时间最长的Per,但迄今并不清楚Per蛋白质如何调节基因转录,再加上一直困扰人们的帕金森疾病、阿尔兹海默疾病等行为学、病理学、分子机制都需要精诚合作,彼此佐证以开科学智路,希望EthoVision动物行为学软件能继续发挥它的重大辅助作用!

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