利用转轮跑动活动测量小鼠的昼夜节律和急性光反应

摘要

本文将综述可用于评估小鼠昼夜节律功能及光反应性的方法。

摘要

昼夜节律是指周期约为24小时的生理功能（circadian——circa意为“大约”，diem意为“日”）^{1, 2}。它们负责调控我们的睡眠/觉醒周期和激素分泌。由于该周期并不精确等于24小时，因此需要通过光信号输入与太阳日同步。这一过程通过视网膜向视交叉上核（SCN）传递光信号来实现，SCN作为主起搏器，协调大脑其他区域及外周组织中的外周生物钟与环境的光暗周期同步^3-7。节律与环境光暗周期的同步使特定的生理事件被安排在合适的时间区间，这对生存至关重要⁸。例如，小鼠在白天睡眠，夜间活动。这种将活动集中于光照期或黑暗期的能力被称为昼夜节律的光同步化（circadian photoentrainment），其依赖于光信号向生物钟的输入⁹。小鼠在夜间的活动尤为显著，尤其在存在跑轮的情况下。测量这种行为是一种微创性方法，可用于评估昼夜节律系统的功能以及光信号对该系统的输入情况。本文将介绍用于研究昼夜节律钟、光信号输入至该系统的过程，以及光对跑轮运动行为直接作用的方法。

方案

1. 仪器设置

1. 在设置任何行为学实验时，动物分组的准备至关重要。对于转轮活动实验，所有小鼠均需为雄性，年龄匹配，并尽可能来自同胞交配的后代。理想情况下，应使用约3个月大的年轻小鼠进行转轮活动实验。
2. 在将动物放置到转轮装置前，需要先完成整个房间的布置。这包括为每个笼子配备1个转轮、1个转轮转数探测器、笼底铺少量小鼠垫料，以及提供足够两周使用的充足食物和饮水。
3. 房间光照条件极为重要。在设置转轮活动笼时，必须测量每个笼子处的光照强度，以确保各笼之间的光照均匀一致。此外，在选择光源时，应选用光谱范围较广、覆盖450 nm–650 nm的光源。许多厂商提供的“日光”或“全光谱”荧光灯管即符合这一要求。（见图1）

2. 实验设置

1. 将小鼠引入转轮活动笼时，应使其光照周期与此前饲养环境中的光/暗周期尽可能一致。
2. 尽量均匀分布小鼠，以确保各组环境条件相似。例如，避免将同一组小鼠全部集中放置于某一特定区域（如单个架子上），以免无意中引入额外变量。
3. 在实施任何光照周期干扰或开始记录活动之前，应给予小鼠约一周时间以适应新笼具和转轮。若小鼠在一周后仍未在转轮上活动，应将其移出笼具并更换为其他小鼠。
4. 当动物群体在转轮上的活动趋于稳定后，即可开始设置不同的光/暗周期以检验各种假设。各类光照周....

讨论

昼夜节律在历史上已被多种生物中测量和记录。尽管我们已具体描述了记录小鼠活动节律的方法，但该技术可轻松修改后用于测量其他啮齿类动物（如仓鼠和大鼠）的节律，这些动物在昼夜节律研究中也常被使用。然而，不同生物的自由运行周期以及重新同步所需的时间会有所不同。例如，仓鼠在持续黑暗条件下的自由运行周期为24.0小时，而小鼠则短于24小时。如果所研究的生物不适合通过转轮活动来测量节律，则可采用许多相似的光照范式，但应观察其他不同的生理节律。最相近的测量指标是总体活动水平。在人类、猴子和狗中，研究人员常使用活动记录仪（actigraphy）来测量个体的运动量。在人类中，体温和褪黑素分泌也常被测量，二者均已被证实具有昼夜节律，并能够发生相位偏移和重新同步^{15, 16}。

尽管我们将这些生理节律视为离散的事件，但实际上它们之间存在密切关联。动物的活动节律通常与体温节律高度重叠，且与睡眠节律呈相反关系。此外，常被用作昼夜节律相位标志物的褪黑素分泌节律，在人类中与正常的睡眠节律非常相似。由于这些节律相互交织，对其中一个节律的研究可以为其他节律的结果提供信息并进行预测。例如，N.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
11.5 cm 跑轮	Mini Mitter
数据采集用 Vital View 软件	Mini Mitter
数据分析用 Clock Lab 软件	Actimetrics