小鼠琴键式运动行为分析系统

实验方案

小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)的步道共由74个琴键组成,分别放置在左右两侧。每侧琴键高低交错。小鼠需要沿着横梯前进,所有琴键都配备了触敏传感器,使系统可以检测小鼠在梯子上的位置并确定前爪的位置。

沿横梯行走

小鼠琴键式运动行为分析系统的横梯琴键之间保持着特定的距离,对于对照组小鼠而言具有足够的挑战性,但对于具有重度运动功能障碍的小鼠而言,交叉穿越并不太困难。小鼠踏在高位琴键上最方便舒适,踏在低位琴键则被记为踏步错误。验证表明对照组和实验组小鼠在开始时会出现踏步错误,但经过几次训练后,实验组的突变型小鼠始终能够完成任务。

激励小鼠前进

小鼠琴键式运动行为分析系统的横梯两端是两个可拆卸的目标箱,并装备了灯光和压缩空气等刺激装置。明亮的光线会刺激小鼠离开其当前的目标箱,越过横梯跑到另一个较暗的目标箱中。为防止小鼠停留在横梯上探索阶梯或反向行进,系统还配备了压缩空气装置:通过吹风激励小鼠以一致的方式越过梯子并且不会中途停下。  

小鼠琴键式运动行为分析系统实验方案

小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)的标准实验方案由荷兰鹿特丹Erasmus医学中心设计开发,包括每个动物8个实验阶段。前4个阶段是训练阶段,用于评估运动表现和运动学习能力,后4个阶段包含由条件刺激和非条件刺激组成的挑战(前导音和突发障碍),可具体地对小鼠的联想运动学习能力进行评估。标准实验过程如下,您也可以通过更改会话,实验次数或实验的组成(例如通过调整灯光和压缩气流的时间)进行自定义实验。

每个试验环节是怎样的?

每个试验均由小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)软件完全控制。您可以在软件中进行实验计划并收集数据。 设备将在显示屏上显示下一只小鼠的信息。 将小鼠放置于某个目标箱后,实验将自动开始。在此处阅读有关软件程序的更多信息。点击此处阅读有关小鼠琴键式运动行为分析系统软件系统的更多信息。

激励小鼠离开目标箱

实验开始后,系统会亮起灯光以激励小鼠离开目标箱,并自动开始计时,如果在灯光亮起后一定的秒数后小鼠没有离开目标箱(标准实验流程中将超时时间设定为5秒),则通过压缩空气刺激小鼠穿过横梯。如果小鼠试图在休息时间内离开目标箱,一个反向的气流会使它回到箱体内。

前4次实验:训练阶段

通常,实验的前4个阶段用于教导小鼠有效地越过横梯,并评估其运动表现和运动学习能力。 

一旦小鼠离开目标箱踏上横梯,系统会从背后提供第二股气流(气压会随距离调整),从而刺激小鼠以连续一致的方式穿过横梯。当小鼠进入对侧的黑暗目标箱后,气流停止并开始下一次反向运动的倒计时。 

完成一次实验后,小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)将全部数据发送至软件进行存储和分析。软件将自动重置设备,并准备好评估下一只小鼠的运动表现。

测试运动表现和运动学习

失误的次数以及在连续实验中失误次数的变化是评估小鼠运动学习能力的指标。 研究表明,野生型小鼠的步伐时间长——它们走得更慢,爪子放置得更小心。与实验组老鼠相比(在该研究中,实验组为共济失调综合征,一种神经退行性疾病的模型),野生型老鼠失误次数更少。 最后,实验组小鼠表现出更大比例的踏步错误,表明与野生型小鼠的运动表现(学习越过梯子的效率)存在差异。

后4次实验:应对突发障碍

小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)可以评估小鼠的小脑功能。小鼠会面临障碍物——突然弹出的高于跨步平面12mm的琴键。障碍物被精准地定位和定时在小鼠将要放下前爪的位置。在障碍物出现前,系统会发出前导音(条件刺激)作为提示,前导音的时间点可由用户定义。

标准实验流程对小鼠进行了4次无刺激训练后,将进行4次条件刺激实验。 

评估小脑功能

小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)的标准实验流程中,声音和障碍物之间的时间间隔为250毫秒,这意味着小鼠在听到声音时已经开始朝下一个梯级运动。 为了避开障碍物,小鼠需要改变其运动。为此,小脑的正常功能至关重要。

实时计算评估

小鼠琴键式运动行为分析系统(ErasmusLadder)的关键特征是,障碍琴键的抬起基于该实验中该特定老鼠的独特跨步模式。软件实时处理数据并计算动物在奔跑开始时的运动方式,从而预测其放置爪子的位置和时间,在正确时间和位置抬起琴键。 琴键抬起前,会有前导音提示小鼠。软件可确保在连续实验中不会出现相同的障碍。

在每次实验后,数据都会发送回计算机。您可以选择,可视化,分析,存储和导出实验数据。

联想运动学习功能障碍

具有正常联想运动学习功能的小鼠将会通过实验学习突然弹出的障碍,并将相应地调整其踏步模式以避开障碍。研究表明,野生型小鼠在听到提示音后立即减少了步伐时间(提高了速度)。 而突变体小鼠(共济失调综合征模型)在摄动(受挑战)的训练过程中表现出明显的运动学习缺陷,在训练过程中它们的步伐时间或失误没有明显差异。 

系统可测量的参数

  • 运动表现:跨步时间,跨步距离,踏步错误
  • 运动学习:连续试验中的参数变化
  • 联想运动学习:小鼠如何学习面对与条件刺激对应的障碍物