动物运动轨迹跟踪系统与水迷宫在阿尔茨海默病研究领域的具体应用

本文以五篇文献研究实例为参考基础,将从以下四个方面为大家阐述:水迷宫试验与阿尔茨海默病、水迷宫特征简介、EthoVision XT(动物运动轨迹跟踪系统)如何助您完成水迷宫试验、研究结果。旨在为您提供更清晰的水迷宫试验方法,传递更前沿的科研资讯。参考文献在文中将简称为(R1~R5),所有研究实例都采用了EthoVision XT进行视频追踪水迷宫试验。

水迷宫试验与阿尔茨海默病

 

Morris水迷宫试验是英国心理学家Morris于20世纪80年(1981)代初设计并应用于脑学习记忆机制研究的一种实验手段。不仅用于研究与空间学习记忆相关的脑区功能评价, 还被广泛应用于学习记忆、老年痴呆、海马/外海马研究、智力与衰老、新药开发/筛选/评价、药理学、毒理学、预防医学、神经生物学、动物心理学及行为生物学等多个学科的科学研究和计算机辅助教学等领域,在世界上已经得到广泛认可,是医学院校开展行为学研究尤其是学习与记忆研究的首选经典实验。众所周知,阿尔茨海默病(以下简称AD)是最常见的痴呆症,它是一种伴随记忆障碍的神经退行性疾病,也是最常见的神经退行性疾病之一。

某些研究提到了引起AD的危险因素。首先提到的是抗胰岛素性和糖尿病(R1,R2,R3),因为越来越多的证据表明这与AD患者的记忆问题密切相关。

其次是腺苷。腺苷存在于我们身体的每一个细胞中,起到抑制大脑神经递质的作用。Orr等人(R4)探讨了腺苷A2A受体阻滞剂对AD模型小鼠记忆形成的影响。

神经性炎症在AD病理学中也有重要作用。GABA是另一种被认为在神经性炎症和记忆形成中起作用的神经递质,因此GABA系统也可能是AD治疗的一个有趣的靶点。Pilipenko等人(R5)研究了两种GABA受体激动剂:muscimol 和baclofen。

水迷宫试验原理

 

AD伴随着记忆障碍,因此在AD上进行的许多神经行为研究涉及水迷宫测试。那水迷宫试验的原理是什么呢?老鼠是天生的游泳健将,能够在水中活动自如。但是,即便是天生的游泳健将,并不意味着它们喜欢在水中的状态,也就是说它们厌恶处于水中的状态

此外,游泳本身就是十分消耗体力的活动,对老鼠而言也不例外。在水中时,老鼠会本能的寻找能够休息的场所。寻找休息场所这一行为过程涉及到复杂的记忆过程,除了要收集与空间定位有关的视觉信息之外,还需对这些信息进行处理、整理、记忆、加固、然后再取出,最终达到成功航行并且找到隐藏在水中的平台这一目的,顺利从水中逃脱。

水迷宫试验其中最为经典的便是定位航行试验(place navigation)和空间探索试验(spatial probe)。

定位航行试验(place navigation),也叫学习阶段试验。在学习记忆阶段,动物的起始位置可能会改变,但平台的位置不会改变(R2)。此试验历时数天,每天将大鼠面向池壁分别从4个入水点放入水中若干次,记录其寻找到隐藏在水面下平台的时间(逃避潜伏期,escape latency),在为期四至五天的试验期间,动物每天大约进行四次试验。

其目的是在视觉线索的帮助下学习对隐藏平台的定位(R1,R2,R5),时间限制为1(R1,R2,R3,R4)至2分钟(R5)。若动物还未找到平台,则试验人员要进行指导,可将动物放在平台上10~15秒。通常情况下,动物依赖于自身的空间学习能力,快速定位和找到平台的速度会变得越来越快。

一些研究学者进行试验前进行预训练,如Majkutewicz等人(R3)在可见平台上进行了60秒的试验。Orr等人(R4)在一个带有平台的矩形通道中进行预训练

 

空间探索试验(spatial probe)是在定位航行试验后去除平台,然后任选一个入水点将大鼠放入水池中,记录其在一定时间内的游泳轨迹,考察大鼠对原平台的记忆。若大鼠依然去原平台所在位置去寻找,则说明大鼠对原平台的存在是有记忆的。

大多数研究者希望在最后的学习试验和探索试验之间至少间隔24个小时。否则,很难区分短期和长期记忆的形成。

除了空间学习任务之外,进行附加学习试验也备受欢迎与关注。例如,改变平台的位置,通过另一组试验来测试动物的反向学习能力。Majkutewicz等人(R3)通过改变平台每天的位置(每天4次试验)来测试工作记忆学习。

水迷宫特征简介

 

通俗地讲,水迷宫是一个大的圆形水池,在尺寸、材质和色彩方面各不相同。Noldus(诺达思)能够根据您的需求,帮您定制最合适的水迷宫。所有的水迷宫都与我们的动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)的视频追踪完美匹配,于此同时,我们还提供摄像头、电脑等硬件设备打包服务。在选择和配置水迷宫时,需要结合您的研究注意以下几个方面:

01尺寸和颜色

五个研究中(R1~R5)使用小鼠进行试验的水迷宫大小为122~150cm, 使用大鼠进行试验的水迷宫的大小为150~180cm,而绝大多数水迷宫制造厂家提供的尺寸为100~180cm,您可以根据试验需求自定义水迷宫大小。水迷宫颜色的选择要根据具体情况而定,常见的颜色包括:蓝色、黑色、灰色和白色。

02平台

平台的大小从直径为10cm~15cm不等。在平台被隐藏的测试阶段,要被淹没在水平面以下1至2厘米。许多制造商可提供自动平台,可通过动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)的视频追踪来控制平台。这种情况下,平台在试验过程中可以被提升或折叠。使用四个平台可切换平台的象限位置(通过降低其它),无需人工在水池中切换平台位置;当然您也可以用人工方式进行切换平台位置。

03水的颜色与温度

许多研究学者认为大鼠的游泳能力要优于小鼠,这样大鼠在进行试验时寻找平台的动机就没那么强;也有研究学者认为大鼠不喜欢在冷水里。本文中提到的五个研究实例中(R1~R5),温度在20~25摄氏度之间,变化为1~2度之间。因此,水温是影响试验结果的重要因素之一,进行水迷宫试验时要设定合适的水温。

除水温之外,水的颜色也是影响试验结果的重要因素。特别是白色的水池,水通常是不透明的白色。这样可以提高与视频追踪对象的对比度。Caccamo(R1)等人提到,这样可以阻碍动物看到平台。水可以用无毒染料(R1,R4)或奶粉制成白色。

04视觉线索

因为这是一个定位航行试验,动物要从不同的起始点学习平台的位置,视觉线索就显得极其重要。视觉线索可放置在迷宫的墙壁(R3)或者其它地方(R1,R4)。

EthoVision XT如何助您完成水迷宫试验

 

可以说,水迷宫试验中极为重要的参数是逃避潜伏期(escape latency)。换言之,逃避潜伏期(escape latency)是测量对象到达平台的速度的量度。尽管可以通过手工测量这个参数(如使用秒表),但通过视频追踪会更精准,因为动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)可以客观地判断动物何时到达平台,并且以完全相同的方式追踪每个试验对象。

 

那么视频追踪如何运行的?摄像机安装在水迷宫的上方,并且此摄像机与安装了动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)视频追踪软件的电脑相连接。您可以对视频进行实时追踪,也可对事先录好的视频进行追踪。

动物在水池中游泳时,动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)可以自动监测和追踪动物的运动及活动。通过这种方式,我们可以获知动物的具体位置,在某个位置所停留的时间、游泳速度及游泳路径。

 

动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)可以画出视频图像中您比较感兴趣的区域,您能够很容易的看到每个象限及平台的位置。此外,该系统能够自动将距离、速度、持续时间及潜伏期与感兴趣区域联系起来。这些参数和区域均可通过动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)来进行数据筛选和分析。

尽管逃避潜伏期(escape latency)是水迷宫试验中最常用的参数,但是在水迷宫试验中还有其它更重要的变量。逃避潜伏期或到达平台的潜伏期是指试验对象到达平台所花费的时间,所有的水迷宫试验都使用这个参数。

在探索试验中,我们还测量了动物到达平台所在地点所用的时间及到达正确象限/平台区域的时间。动物在正确象限中所花费的时间在探索试验中非常重要,因为它意味着动物是否找到了正确的位置。

游泳路径指动物正在使用的搜索策略。它可能不使用外部线索,例如,简单地在圆圈中游泳直到它撞到平台上。通向平台的小路蜿蜒曲折,也可以看出动物是如何自信地朝着它的目标前进的。

速度反映运动能力和动机。它主要用于排除额外的治疗效果。如果治疗本身影响运动,这可能导致的结果是:水迷宫参数的差异不是由记忆缺陷引起的,动物可能需要更多的时间才能到达平台,只是因为速度较慢,而不是因为记忆受损。

此外,EthoVision XT 还可以分析Whishaw失误率,以上参数都可以通过动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)进行测量和分析。EthoVision XT允许您同时记录多个水迷宫的视频材料,并进行数据筛选、分析和可视化;此外,它还能帮助您全自动执行试验,提高研究的通量和效率。

 

研究结果

 

mTOR基因去除

2型糖尿病(原名叫成人发病型糖尿病)增加了AD的发病风险,因此Cacamo(R1)等人研究了在胰岛素信号通路中起着至关重要作用的mTOR基因。通过杂交,他们删除了在Tg2576 AD老鼠模型中的mTOR基因副本。所有的小鼠在五天内学会定位平台,但它们的学习速度不同。在探索试验中,基因去除弥补了AD小鼠的记忆缺陷。mTOR基因去除改善了认知和其他病理特征(斑块和缠结)。

半乳糖治疗

胰岛素抵抗被认为是AD的病理生理核心。Knezovic等人(R2)探索了葡萄糖半乳糖是否可以减轻AD(脑内链脲佐菌素给药或STZ ICV模型)大鼠的记忆损伤。口服给药2个月后,结果发现受损的学习、记忆功能开始趋于正常化,大鼠的学习能力和记忆力显著提高。

DMF治疗

MaGuktWiCz等人(R3)也研究了胰岛素抵抗,并研究了DMF(dimethyl fumarate)的抗氧化和免疫制作用。他们使用STZ ICV大鼠作为AD模型。研究人员发现,老年性STZ大鼠的空间记忆和神经退行性变更严重,但DMF治疗也更有效。

腺苷阻断剂

Orr等人(R4)使用小鼠作为AD的模型,以测试腺苷A2A受体拮抗剂(日本治疗帕金森的一种改良药物)是否也能改善AD患者的记忆问题。虽然在AD小鼠中的学习与对照组相同,但用该拮抗剂进行的低剂量治疗确实提高了hAPP-J20小鼠的空间记忆,这表明它可以改善AD患者的记忆问题。

GABA受体激动剂

Pilipenko等人(R5)用GABA受体激动剂(muscimol和 baclofen)治疗这些“AD大鼠”,研究了GABA记忆形成在STZ ICV大鼠中的作用,结果表明这两种物质都发挥了增强记忆(和抗炎)的作用。

 参考文献 

1、Caccamo, A.; Belfiore, R.; Oddo, S. (2018). Genetically reducing mTOR signaling rescues central insulin dysregulation in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiology of Aging, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2018.03.032.

2、Knezovic, A.; Osmanovic Barilar, J.; Babic, A.; Bagaric,R.; Farkas, V.; Riederer, P.; Salkovic-Petrisic, M.(2018). Glucagon-like peptide-1 mediates effects of oral galactose in streptozotocin-induced rat model of sporadic Alzheimer’s disease. Neuropharmacology, 135, 48-62.

3、Majkutewicz, I.; Kurowska, E.; Podlacha, M.; Myslinska,D.; Grembecka, B.; Rucinski, J.; Pierzynowska, K.;Wrona,D.(2018). Age-dependent effects of dimethyl fumarate on cognitive and neuropatho”-logical features in the streptozotocin-induced rat model of Alzheimer’s disease.Brain Research, 1686, 19-33.

4、Orr, A.G.; Lo, I.; Schumacher, H.; Ho, K.; Gill, M.; Guo,W.; Kim, D.H.; Knox, A.; Saito, T.; Saido, T.C.; Simms.J.; Toddes, C.; Wang, X.; Yu, G.-Q.; Mucke, L. (2018).Istradefylline reduces memory deficits in aging mice with amyloid pathology. Neurobiology of Disease, 110, 29-36.

5、Pilipenko, V.; Narbute, K.; Beitnere, U.; Rumaks, J.;Pupure, J.; Jansone, B.; Klusa, V. (2018). Very low doses of muscimol and baclofen ameliorate cognitive deficits and regulate protein expression in the brain of a rat model of streptozocininduced Alzheimer’s disease. European Journal of Pharmacology, 818,382-399.

 

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