2013年5月29日
本文介绍了两种成熟的运动协调任务的实验方案:加速转棒实验和水平横杆实验,以及牛津大学近期开发的另外两种测试方法:静态杆实验和平行杆实验。这些测试不仅能够检测可能具有独立研究价值的运动功能障碍,还可作为其他行为学测试中潜在的影响变量。
本实验的总体目标是测量小鼠的运动协调能力。首先通过加速转棒实验进行测试,随后在方杆上进一步检测运动协调能力。
也可以在静态杆上对动物进行测试。最后,可测量其在平行杆上的表现。最终可获得结果,以显示小鼠是否存在运动协调功能障碍。
通常,初次接触该技术的研究人员会因难以正确地将小鼠放置于实验装置上而遇到困难。对于以下所有测试,在实验前5至20分钟将小鼠带入实验室内,以确保其完全清醒。此处的转棒实验场景由牛津大学构建。
该杆直径为3厘米,表面有一系列平行的凸起,有助于小鼠更有效地抓握。杆的两侧各有一个凸缘,可防止小鼠脱离杆体。凸缘直径为30厘米,相距6厘米。
将杆固定在装置底座上方30厘米处。在底座处放置柔软的垫子,以缓冲试验开始前可能发生的跌落。通过设置起始转速为每分钟4转,加速度为每分钟20转,来准备旋转杆。
首先,抓住小鼠的尾巴,将其以低于水平方向45度的角度朝向横杆提起。当小鼠接近横杆时,迅速松开动物。或者,可将小鼠先放至一根小棒上,再通过该小棒将动物转移至横杆上。
将小鼠放置于转棒上10秒后开始加速,并记录小鼠掉落时的速度。如果小鼠在5秒内掉落,可能由于实验人员放置不当所致,此时不应记录结果;若在10秒内掉落,应重新开始试验。记录时间,并让动物再进行两次尝试。
对于停留时间超过10秒的动物,记录其坠落时的速度。有时小鼠可能会停止行走,从而在杆周围挣扎一段时间后才最终坠落。记录这一现象发生时的速度是有意义的。
性能以各次试验之间的平均速度来计算。例如,一只小鼠第一次在10秒内掉落,第二次则坚持到转速为每分钟12转。第二次的得分为(4 + 12)除以2,等于每分钟8转。
水平杆用于测量后肢力量和协调性,通常使用直径为2毫米的杆。较大直径的杆可能提供更精确的性能评分。长度为38厘米的黄铜杆通过木质支撑柱固定在实验台表面以上49厘米处。
将横杆安装到略微靠拢的支撑架凹槽中时,横杆处于张力状态。从2毫米横杆开始测试。抓住小鼠尾巴,将其放置在仪器前方的台面上。
迅速向后滑动约20厘米,使动物身体快速与横杆垂直。提起动物,使其仅用四肢的爪子抓住横杆中央。
松开尾巴的同时立即启动秒表。如果小鼠未能抓住横杆,且实验者的操作可能是导致原因,则不记录跌落时间,并在短暂休息后重新测试该动物。
如果小鼠在5秒内掉落,且显然并非由于实验人员放置不当所致,可重复最多三次,以获得超过5秒的得分。记录小鼠掉落的时间,或记录直到小鼠四次不良接触柱子的时间,最长测试时间为30秒,取最佳得分为数据,用于评分水平杆表现。若小鼠在1至5秒之间掉落,记为1分;在6至10秒之间掉落,记为2分。
在11秒至20秒之间落下得2分;在21秒至30秒之间落下得3分;30秒后落下,或坚持到30秒仍停留在横杆上,得4分。
得分为五分,如果小鼠接触到末端,同样也得五分。在测试期间可随时使用其四个端口进行支撑。若动物在两毫米直径的横杆上达到五分,则可在短暂休息后测试更粗的横杆。
四毫米和六毫米横杆的评分标准与两毫米横杆相同,最终得分为累计总分。因此,若一只小鼠在两毫米横杆上得分为5分,但在四毫米横杆上13秒后掉落,则其得分为5加分,总计为8分。
在该运动协调性测试中,将直径分别为35毫米、28毫米、22毫米、15毫米和9毫米、长度均为60厘米的木棒或圆杆,用G型夹固定在距地面60厘米高的实验台架上。在靠近实验台一端的木棒上距末端10厘米处做一标记,作为终点线。开始时,将小鼠放置在最粗木棒的远端,使其背对台架,记录动物转向朝向台架所需的时间以及通过全程的总时间。
如果小鼠在定位过程中翻转并倒挂在杆下方,则任意将其赋值为最长得分120秒。该动物不再在其他杆上进行测试,并同样获得最长通行时间值。如果小鼠在定位后掉落或达到最长测试时间120秒,则不再在更细的杆上进行测试。
如果小鼠在横越转棒过程中翻转至倒置状态,则给予最高分。将小鼠放回饲养笼,使其休息后再进行测试。接着使用下一较细的转棒。将动物按前述方法放置于较细的转棒上。
若小鼠在五秒内掉落,则将其放回,并允许最多再尝试两次。记录小鼠翻转身体的时间或直至其掉落的时间。搭建平行杆时,将两根长一米、直径四毫米的杆置于木制支架上,杆间距离为30毫米。
将柱子置于距地面60厘米的高度。将小鼠放置在两根杆的中央,使其长轴与杆垂直。前肢应位于同一根杆上,后肢应位于另一根杆上。
评分方法与静态杆类似。记录两个指标:小鼠转向起始位置90度所需的时间,以及小鼠到达任一末端支撑点所需的时间。同样,小鼠在完成转向和通过过程中不得翻转身体,否则记为最长时限。
如果动物在五秒内掉落,则可能是由于放置不当,应重新测试。最初使用静止杆来监测突变小鼠在有或无环境富集条件下的疾病进展。富集方案显著延迟了小鼠在杆上的运动功能障碍的发生,这一现象与后肢抓握异常的出现时间延迟相一致。
在注射后第16周,感染小鼠在水平杆测试中的表现开始下降,从第18周起在转棒测试中出现异常,从至少第19周起在静态杆测试中也表现出缺陷。海马病变对任何运动能力指标均无影响,但在转棒和静态杆测试中,129Sv小鼠相较于C57黑六品系在发育完成后表现出运动功能受损。该技术为亨廷顿病研究者提供了研究环境富集对亨廷顿病突变小鼠影响的途径。
本文介绍了利用多种任务评估小鼠运动协调能力的实验方案,包括加速转棒实验和水平横杆实验。此外,还引入了两种新近开发的实验方法——静态杆实验和并行横杆实验,可用于识别运动功能障碍。
小鼠运动协调性评估对于神经科学药物研发中的靶点验证去风险化至关重要,可确保所观察到的行为表型反映的是真实的认知或情绪变化,而非由运动功能障碍带来的混杂因素。标准化的运动功能测试通过将运动功能作为独立变量进行分离,可在早期研发阶段提供可预测的置信度,支持靶点验证流程中的决策判断。这些检测方法为从靶点结合到表型筛选的转化研究提供了连续性,有助于降低因意外出现运动相关副作用而导致的后期研发失败率。
该方法适用于从靶点验证到先导化合物鉴定直至临床前筛选的整个发现流程,在评估认知或情绪终点指标之前,可将运动协调性作为关键的混杂因素过滤环节。