使用平衡木评估小鼠的运动平衡与协调能力

摘要

可通过平衡木实验评估精细运动协调能力的缺陷。小鼠在平衡木上的表现通过其通过平衡木的速度以及在平衡木上打滑的次数来量化。

摘要

脑损伤、基因操作和药物处理可能导致小鼠运动技能的改变。精细运动协调能力和平衡能力可通过横梁行走实验进行评估。该实验的目标是让小鼠保持直立姿势，并沿一根架高的狭窄横梁行走至安全平台。该测试持续3个连续日：前2天为训练期，第3天为测试期。小鼠在横梁上的表现通过其穿越横梁所需的时间以及过程中前肢打滑的次数来量化。本文报告了我们实验室所采用的实验方案，并展示了C57BL/6小鼠群体的代表性结果。该任务特别适用于检测其他运动功能测试（如转棒实验）难以发现的细微运动技能和平衡障碍。

方案

1. 本方案基于Southwell的方法 等 (2009) 和 Carter 等 (2001).

1. 平衡木装置由长度为1米、表面平坦的木条构成，木条宽度为12 mm或6 mm，通过两根立柱固定在距实验台面50 cm的高度。在木条末端放置一个黑色箱子作为终点。木条、立柱和箱子可使用胶合板或其他类型的木材制作，材料可在大多数五金店购得。在黑色箱子中放入来自小鼠饲养笼的筑巢材料，以吸引小鼠前往终点。在起始点上方使用一盏带有60瓦灯泡的台灯照射，作为厌恶刺激。通过两个运动探测器（由Visopia公司自制）测量小鼠通过中间80 cm区段所需的时间：一个位于0 cm处，用于启动计时器；另一个位于80 cm处，用于停止计时。在木条下方约7.5 cm高处（距实验台面）拉伸一个尼龙吊床（可从本地布料店购买），以缓冲小鼠跌落时的冲击。将一台摄像机架设在三脚架上，用于记录实验过程。本演示中使用的装置为现场搭建。
2. 建议每组实验条件至少使用10只小鼠进行本测试。在可能的情况下，小鼠以群养方式饲养，维持12小时光照（上午7点至晚上7点）与12小时黑暗的循环周期，并在行为实验室内适应其饲养笼环境至少2周，之后再开始实验。训练或测试前约10分钟，可将小鼠转移至放置平衡木装置的房间。
3. 在训练日，每只小鼠需先在12 mm宽的木条上往返3次，随后在6 mm宽的木条上往返3次。对于无法通过较窄木条的小鼠或体型较大的小鼠，可使用更宽的木条（例如28 mm）。将小鼠放置于木条一端，通过运动探测器记录其从起始端到达另一端逃生箱（相距80 cm）所需的时间。当小鼠鼻尖进入中间80 cm区域时启动计时，当动物到达80 cm终点时停止计时。在两种宽度木条的训练之间，小鼠返回其饲养笼休息10分钟。在此间隔期间，可依次对另外3–4只小鼠进行训练，以提高时间利用效率。C57BL/6品系小鼠通常能够顺利通过木条，极少出现停顿或停滞。然而，若小鼠出现停滞、嗅探或四处张望而不前进的情况，实验人员应佩戴手套，用手指轻推、戳或从后方推动小鼠，促使其继续向前移动。一旦小鼠进入安全箱，应允许其在其中休息一段时间（约15秒），然后再进行下一次试验。每次训练结束后，小鼠应立即返回其饲养笼，并送回饲养房间。需注意的是，若小鼠训练过度，对任务和装置过于熟悉，反而可能出现更多停滞行为。另一方面，若经过两天训练后小鼠仍未能成功走完全程，则可继续增加训练天数。若对小鼠施加了处理措施，应在处理前先获取其基线行为表现数据。
4. 在测试当天，记录每只小鼠通过各条木条所需的时间。选取两次未在木条上停滞的成功试验取平均值作为结果。视频记录可用于更细致地分析滑倒及其他可观察到的运动功能缺陷。另一种评估平衡木行走能力的方法是采用神经功能评分系统^1,2，该系统将无法通过木条记为“1”分，而能正常行走、双爪始终位于木条表面且脚滑次数少于两次的情况记为“7”分。脚滑定义为足部脱离木条上表面。在此评分体系中，“3”分表示小鼠拖行肢体通过木条。若某动物在两次试验中均得分为1，则不再进行重复测试。有关其他评分对应的行为表现描述，可参见Feeney et al.（1982）和Carter et al.（2001）的研究。
5. 每次更换木条前，需清除木条和箱子上的小鼠排泄物，并先用浸有70%乙醇的毛巾擦拭，再用清水擦拭干净。

2. 代表性结果：

图1. C57Bl6雄性和雌性小鼠在6 mm和12 mm横梁上的典型穿越时间。一组9至11周龄的C57BL/6-NCRL野生型小鼠在经过2天训练后，分别测试了两种横梁上的表现。雄性小鼠（n=14）穿越12 mm横梁的平均时间为4.6 ± 0.4 秒，雌性小鼠（n=11）为3.3 ± 0.3 秒。在6 mm横梁上的穿越时间分别为雄性6.8 ± 0.7 秒（n=13）和雌性5.9 ± 0.5 秒（n=10）（误差以标准误S.E.M.表示）。

讨论

平衡木实验是评估精细协调能力和平衡功能的有效指标，已有先前研究验证其可靠性。该实验可用于检测因年龄、中枢神经系统损伤以及年轻和老年啮齿类动物的遗传与药物干预所导致的运动功能缺陷^2,3,4。具有皮层撞击损伤的小鼠常在平衡木上出现对侧肢体滑落现象^5,6。平衡木实验还被用于随时间推移区分野生型（WT）小鼠与亨廷顿病（HD）小鼠模型的运动技能差异，并评估经治疗后HD小鼠运动功能的改善情况^7,8。另一种通过平衡木检测到运动功能缺陷的遗传性小鼠模型是Sandhoff病小鼠模型，该疾病属于溶酶体贮积症⁹。在检测苯二氮䓬类药物诱发的运动协调障碍时，平衡木实验比转棒实验更为敏感。Stanley（2005）研究表明，地西泮或劳拉西泮仅需占据30%的GABA(A)受体即可在平衡木实验中观察到运动功能缺陷，而转棒实验则需要受体占据率超过70%¹⁰。使用更窄宽度的平衡木可进一步检测出更为细微的行为差异。

在本研究中，我们对一组9至11周龄的C57BL/6-NCRL野生型小鼠在12 mm和6 mm的横...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
横梁：1米长的光滑木条，横截面为小、中、大三种方形（即宽度分别为6、12和28 mm）
支撑架，用于架高横梁的起始段（横截面约∼1.5 cm，高50 cm）
目标箱（每边20 cm），安装在支撑架上（横截面3 cm，高50 cm）
吊床——距桌面约∼7.5 cm
60瓦（W）台灯
摄像机、三脚架和空白录像带
乙醇、纸巾、清洁用品