本文介绍了使用改良的自动化装置进行小鼠T迷宫测试以评估其学习和记忆功能的实验方案。
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摘要
摘要
使用T型迷宫进行强迫交替和左右辨别任务已广泛用于评估啮齿类动物的工作记忆和参考记忆。在本实验室中，我们利用该装置的自动化版本，对超过30种基因工程小鼠品系的这两种记忆类型进行了评估。本文以视频形式展示了由计算机控制并配备视频追踪系统的改良型T型迷宫装置及其操作方案。T型迷宫装置由滑动门分隔的跑道组成，滑动门可自动向下开启；装置包括起始箱、T形通道、位于箱体一侧并配备自动颗粒饲料分发器的两个目标箱，以及两条L形通道。每条L形通道均与起始箱相连，使小鼠可自行返回起始箱，从而排除实验人员操作对小鼠行为的干扰。该装置还具有以下优势： 体内 微透析， 体内 电生理学和光遗传学技术可在小鼠执行T迷宫任务时进行，因为迷宫的门设计为可降入地面。在本视频文章中，我们描述了使用自动化装置进行的T迷宫任务，以及据报道在八臂放射迷宫任务中表现出工作记忆缺陷的α-CaMKII+/-小鼠在T迷宫中的表现。我们的数据显示，α-CaMKII+/-小鼠存在工作记忆缺陷，但参考记忆未受损，该结果与既往使用八臂放射迷宫任务所得的发现一致，验证了本实验方案的有效性。此外，我们的数据还表明，突变小鼠倾向于表现出逆转学习缺陷，提示α-CaMKII缺乏会导致行为灵活性下降。因此，使用改良自动化装置的T迷宫测试可用于评估小鼠的工作记忆、参考记忆及行为灵活性。
方案
1. 仪器设置
- 自动改良T型迷宫装置（O’HARA & Co.，日本东京）由白色塑料跑道构成，两侧墙壁高25 cm1。通过可自动向下开启的滑动门（s1、s2、s3、a1、a2、p1、p2）（图1），将迷宫分隔为6个区域（A1、A2、S1、S2、P1、P2）。T型迷宫的主干由区域S2（13 × 24 cm）组成，两臂则分别为区域A1和A2（11.5 × 20.5 cm）。区域P1和P2为从臂部（区域A1或A2）通向起始区（区域S1）的连接通道。
- 每个臂的末端均配备一个颗粒分配器，可自动提供蔗糖颗粒（20 mg，Formula 5 TUT，TestDiet，美国印第安纳州里士满）作为奖励。小鼠摄入颗粒的行为由红外传感器检测，并由计算机自动记录。
- 在装置正上方安装电荷耦合器件（CCD）摄像机，用于监测小鼠的行为，装置及小鼠的图像由计算机采集。
- 尽可能将T型迷宫装置放置于隔音室（170 × 210 × 200 cm，O’HARA & Co.，日本东京）内。在本实验室中，装置由荧光灯以100 lux的光照强度照明。光照强度可低于此照度值，但在所有实验过程中应保持恒定。
2. 动物准备
- 根据当地动物护理与使用委员会制定的指导原则和操作规程，将每2至4只小鼠饲养于温度受控的房间（23±2°C）内，并保持12小时光照/12小时黑暗循环（光照开启时间为早上7:00）。
- 在首次试验开始前至少30分钟，将所有含小鼠的笼子从饲养室转移至隔音室。
- 所有实验应始终在相同时间段内进行（例如上午9:00至下午6:00）。在测试期间，不同基因型或实验条件的受试动物应以交叉平衡的顺序进行测试，因为一天中的时间可能对任务表现产生潜在影响。
3. 食物限制
- 在实验开始之前，让小鼠自由摄取标准颗粒饲料和水。
- 从预训练阶段开始前1周起，每天称量小鼠体重，并给予标准颗粒饲料，使其在整个实验期间维持在自由进食体重的80%至85%。
- 在预训练阶段开始前，每天在小鼠的饲养笼中额外提供8粒蔗糖颗粒，与标准颗粒饲料一同给予，以使其适应蔗糖颗粒。
4. 仪器适应与预训练
- 在装置的每个六个隔间中央各放入六颗蔗糖颗粒，同时在每个食物分配器的托盘中各放入一颗颗粒。
- 将所有小鼠放入装置的笼内，打开所有门，让小鼠自由探索装置30分钟。
- 适应期结束后第1天起，每天对小鼠进行预训练。关闭所有门，并在食物托盘中放置一颗颗粒，将小鼠放入区域A1。若小鼠吃掉颗粒或5分钟时间已到，则将小鼠转移至区域A2，并重新开始预训练。每天重复此训练五次，持续训练直至小鼠消耗颗粒的比例超过80%。
- 完成预训练后，对小鼠进行强制交替任务或左右辨别任务。
5. 强制交替任务
- 在强制交替任务中，每次试验包括一个强制选择运行阶段，随后是一个自由选择运行阶段。
- 启动任务程序（Image TM），并将小鼠放入起始箱（区域 S1）。
- 点击开始按钮，启动强制选择运行。在此阶段，起始箱的门（门 s2）以及区域 A1（门 a1）或区域 A2（门 a2）中的其中一个门会被打开，同时一粒蔗糖颗粒会自动送入该开放区域的食物托盘中。允许小鼠进入该区域并摄取颗粒。当小鼠吃完颗粒后，小鼠当前所在臂的食物托盘附近的门（门 p1 或 p2）将被打开。随后，小鼠接近与起始箱相邻的门（s1 或 s3），此时门 p1 或 p2 关闭，门 s1（或 s3）打开，使小鼠能够返回起始箱。如果小鼠在 30 秒内未能吃完颗粒，则记录为“遗漏错误”。随后，颗粒会自动从食物托盘中移除，小鼠所在臂的门（p1 或 p2）被打开，小鼠可返回起始箱。
- 强制选择运行结束后，自由选择运行自动开始。门 s2 以及两个臂的门 a1 和 a2 均被打开，小鼠可自由选择进入任一臂。如果小鼠进入的是在强制选择阶段中未被选择的对侧臂，则判定为“正确”反应，小鼠将获得一粒蔗糖颗粒。如果小鼠在 30 秒内未能吃完颗粒，则记录为“遗漏错误”，颗粒将自动从食物托盘中移除。如果小鼠进入的是在强制选择阶段中已访问过的同一臂，则将其限制在该区域内 10 秒作为惩罚（“错误”反应）。随后，门 p1（或 s1）和 p2（或 s3）被打开，小鼠可返回起始箱。
- 每只小鼠每天进行一次包含 10 次连续试验的测试（截止时间为 50 分钟）。对照组小鼠需每日训练，直至达到每轮测试中平均 80% 正确反应的标准。每组的正确反应平均值通过计算该组每只小鼠在单次测试中的正确反应百分比的平均值获得。
- 当对照组和/或实验组小鼠达到训练标准后，可通过在强制选择运行与自由选择运行之间插入 3、10、30 或 60 秒的延迟，进一步测试小鼠在延迟交替任务中的表现。
- 每次测试结束后，将小鼠放回其饲养笼，并使用超低浓度次氯酸水（pH 6–7）清洁装置，以避免因嗅觉线索导致的偏差。
6. 左右辨别任务
- 在左右辨别任务中，每只小鼠进行10次或20次自由选择的试验。蔗糖颗粒始终被递送到其中一个臂的食物托盘中，即目标臂。小鼠需要学会进入目标臂。目标臂的位置在各次试验和训练阶段中保持不变，并在对照组和实验组小鼠之间进行平衡分配。
- 启动任务程序（Image TM），并将小鼠放入起始箱（区域S1）。
- 点击开始按钮，开始一次自由选择试验。在此过程中，门s2以及两个门a1和a2均被打开，颗粒分配器自动将一颗颗粒送至目标臂的食物托盘中。小鼠可自由选择进入左侧或右侧臂。当小鼠进入目标臂时，视为正确反应。若小鼠吃掉颗粒或经过30秒后，门p1（或p2）打开。当小鼠通过区域P1（或P2）返回接近起始箱时，门s1（或s3）打开，使小鼠能够回到起始箱。
- 通常情况下，每只小鼠每天进行10至20次连续试验（截止时间为50分钟）。对照组小鼠需每日训练，直至其在单次训练阶段中的平均正确反应率达到80%。正确反应的组平均值通过计算每组中每只小鼠在单次训练阶段内的正确反应百分比的平均值得出。
- 当小鼠达到标准后，可根据需要为其提供额外的训练阶段，以评估记忆保持和再学习能力（在训练阶段之间插入数周的延迟期），或通过将奖励放置在相反的、先前未放置奖励的臂中（即反转学习）来评估行为灵活性。
- 每次训练结束后，将小鼠放回其居住笼，并使用超低浓度次氯酸水（pH 6–7）清洁装置，以避免因嗅觉线索导致的偏差。
7. 图像分析
- 使用连接到计算机的摄像机记录T型迷宫装置中的行为，图像以TIFF格式存储。用于采集和分析行为数据的应用程序（Image TM）基于公共领域的Image J程序（由美国国立精神卫生研究院的Wayne Rasband开发，可从http://rsb.info.nih.gov/ij/获取），并由Tsuyoshi Miyakawa进行了修改（可通过日本东京的O'HARA & Co.获取）。
- Image TM程序自动生成文本文件，包含正确反应百分比、完成一次实验所需的时间（秒）、实验期间移动的距离，以及实验中遗漏错误的次数。此外，还生成并保存每次运行中小鼠的轨迹图像、原始位置数据以及原始反应数据（正确、遗漏或错误）。
8. 统计分析
采用双因素重复测量方差分析（实验条件（例如，基因型）× 实验阶段 或 实验条件 × 延迟时间）对每项行为学数据进行分析。
9. 代表性结果
图2-4展示了α-CaMKII+/-雄性小鼠及其野生型对照小鼠（C57BL/6J背景）在T型迷宫中的表现示例（年龄11-18周，每组n=10，用于强制交替或左右辨别任务）。由于α-CaMKII+/-小鼠对同笼小鼠表现出高度攻击性2,3，因此突变小鼠和对照小鼠在断奶后均单独饲养于塑料笼中（22.7 x 32.3 x 12.7 cm）。实验已获得藤田保健卫生大学机构动物护理与使用委员会的批准。
在强制交替任务中，对照组小鼠会逐渐学会做出正确选择，通常在1至2周内达到平均80%正确反应的标准（图2A）。与对照组小鼠相比，α-CaMKII+/-小鼠的正确反应率显著较低（基因型：F(1,18)=29.04，p<0.0001），反应潜伏期更短（基因型：F(1,18)=8.88，p=0.008；基因型×实验阶段：F(9,162)=2.24，p=0.0218），行走距离也更短（基因型：F(1,18)=8.67，p=0.0086；基因型×实验阶段：F(9,162)=3.19，p=0.0014）（图2A、B和C）。在遗漏错误方面，基因型无显著影响（图2D）。此外，在延迟交替任务中，α-CaMKII+/-小鼠在任何延迟时间点的正确选择百分比均显著低于野生型小鼠（基因型：F(1,18)=38.781，p<0.0001；延迟时间：F(3,54)=8.074，p=0.0002；基因型×延迟时间：F(3,54)=0.223，p=0.88；图3）。这些结果表明，尽管突变小鼠完成任务的速度快于对照组，但其表现能力较对照组小鼠受损，提示α-CaMKII缺乏会导致工作记忆缺陷。
在左右辨别任务中，α-CaMKII+/-突变小鼠的正确选择百分比随着实验阶段的推进逐渐上升，与对照组小鼠相似（图4A）。此外，当各阶段之间插入一个月的延迟间隔时，突变小鼠与对照小鼠在正确率方面无显著差异。与强制交替任务中的表现类似，在整个训练阶段中，α-CaMKII+/-突变小鼠完成每个阶段所需的时间显著更短（基因型：F(1,18)=12.12，p=0.0027），在装置中行进的距离也显著更短（基因型：F(1,18)=25.08，p<0.0001；基因型×阶段：F(15,270)=2.83，p=0.0004），均低于对照组小鼠（图4B和C）。这些数据表明，α-CaMKII缺乏对此任务所评估的参考记忆无明显影响。然而，在反转学习阶段中，α-CaMKII+/-突变小鼠的正确反应百分比显著较低（基因型：F(1,18)=10.92，p=0.0039；基因型×阶段：F(5,90)=5.54，p=0.0002；图4A），遗漏错误次数也显著更多（基因型：F(1,18)=17.12，p=0.0006；图4D），相较于对照组小鼠。这些结果提示，α-CaMKII+/-突变小鼠的行为灵活性有所下降。
图1. (A) 用于强制交替和左右辨别任务的T型迷宫装置。该图引自Takao et al. (2008)。(B) 图像由安装在装置上方的CCD相机拍摄。T型迷宫通过滑动门（s1、s2、s3、a1、a2、p1、p2）被划分为6个区域（A1、A2、S1、S2、P1、P2）。(C) 装置在隔音室内的配置与朝向以及外部迷宫线索的布置。两个装置被放置在隔音室内，朝向同一面墙，周围设有物体作为线索，例如房间的门、天花板上的荧光灯、房间的墙壁、装置的CCD相机以及用于放置小鼠笼具的架子。
图2. T型迷宫强制交替任务。小鼠每轮接受每日10次试验。图中显示（A）正确反应百分比、（B）反应潜伏期（秒）、（C）移动距离（厘米）和（D）遗漏错误次数的数据，均以每两个会话为一个区组，用均值±标准误表示，并采用双因素重复测量方差分析进行统计分析。与对照组小鼠相比，α-CaMKII+/-小鼠在整个实验过程中表现出更低的正确反应率（p<0.0001），更短的反应潜伏期（p=0.008），以及更短的移动距离（p=0.0086）。
图3. T型迷宫强制交替任务，延迟时间为3、10、30和60秒。在最后一次训练约24小时后，小鼠接受了五次带延迟的测试。各延迟时间下的正确反应百分比以均值±标准误表示，并采用双因素重复测量方差分析进行统计分析。在所有延迟时间点，α-CaMKII+/- 小鼠的正确反应率均低于对照组小鼠（p<0.0001）。
图 4. T型迷宫左右辨别任务。小鼠每天接受10次或20次试验。图中（A）正确反应百分比，（B）反应潜伏期（秒），（C）移动距离（厘米）和（D）遗漏错误次数的数据以每20次试验为一个区组的均值±标准误表示，采用双因素重复测量方差分析进行统计分析。在初始训练阶段以及最后一次训练结束1个月后的重新学习阶段，α-CaMKII+/-突变小鼠与对照小鼠的正确反应百分比无显著差异。然而，在反转学习阶段，突变小鼠的正确反应百分比显著低于对照小鼠（p=0.0039）。
讨论
使用T型迷宫进行的强制交替任务和左右辨别任务被广泛用于分别评估啮齿类动物的工作记忆和参考记忆4,5。已知在T型迷宫任务中，啮齿类动物可依据空间和非空间线索（如迷宫外线索、房间内线索的构型、迷宫的方向等）采用不同的策略来完成任务6,7,8。迷宫在房间内的朝向及其稳定性、房间内是否存在极化线索，以及啮齿类动物能否看到房间内的线索，均可能影响其策略选择。因此，研究人员在开展实验及解释行为学数据时，必须考虑实验装置的布局、迷宫的朝向以及房间内线索的设置。在本实验室中，我们将两套装置并排朝向同一面墙放置于隔音室内，并设置若干物体作为小鼠可能利用的迷宫外空间线索，例如房间的门、天花板上的荧光灯、房间的墙壁、装置上的CCD摄像头以及用于放置小鼠笼具的架子（见图1C）。
在许多情况下，T型迷宫实验由人工实验者手动进行，具体操作如下：在每次试验中，实验者将一粒蔗糖颗粒放置在食盘上，然后打开装置的推拉门以开始测试。当小鼠进入任一迷宫臂后，实验者关闭门，记录小鼠的行为，并用手将小鼠从迷宫臂移回起始箱。人工操作可能引入混杂因素，这些因素与小鼠基因型或实验条件之间的交互作用可能影响T型迷宫的表现。在过去十年中，已采用一种改良的T型迷宫实验，用于连续交替任务，该任务无需将动物从目标臂手动移回起始箱9-11。即使在装置、实验方案以及许多环境变量被严格匹配的情况下，标准化的行为测试在不同实验室之间也并不总能产生一致的结果12,13。具体执行测试的实验者通常是各实验室特有的，也可能影响小鼠的行为表现。此外，人类实验者通常容易出现错误，例如放置蔗糖颗粒位置错误、误开或误关其他门，以及在记录试验次数和计时方面出现失误。为了减少混杂变量的影响以及人为错误的发生，我们开发并使用了一种由基于Image TM程序的视频追踪系统控制的自动化T型迷宫装置。改进后的T型迷宫装置还具有其他优势，允许我们在小鼠执行T型迷宫任务的同时进行微透析、电生理学和光遗传学实验，因为其门设计为可下降至地面以下。因此，该自动化装置是一种有助于研究啮齿类动物工作记忆与参考记忆神经生物学机制的有力工具。
为了实现单次实验中一系列试次的自动且连续执行，我们的实验方案存在一些潜在的局限性。例如，在强制交替任务中，小鼠从A1或A2区域返回S1区域所需的时间可能会影响其行为表现。然而，这一问题可能并不严重，因为停留在P1或P2区域本身即可作为一种空间线索，且在强制选择试次中，在任一区域停留时间的长短可能并不会改变空间记忆负荷。另一个潜在问题是，小鼠可能依赖自身留下的气味轨迹，而非空间工作记忆来完成任务。但经过少数几次试次后，气味轨迹会被多次覆盖，从而难以被有效用作行为线索。此外，在左侧光辨别任务中，气味轨迹可能作为嗅觉线索帮助小鼠在连续试次中定位奖励位置，这些线索可能影响单次实验中跨试次的学习与记忆过程，这可能构成一定问题。然而，小鼠在每次实验的第一个试次中无法利用气味轨迹策略，因此首个试次的表现可作为排除气味轨迹策略干扰的行为指标。
如代表性结果所示，在两项任务中，对照组C57BL/6J小鼠的正确反应百分比随着训练阶段的推进逐渐上升。研究结果证实，C57BL/6J小鼠能够在改良的自动T型迷宫中学会做出正确选择。在本研究中，即使经过大量训练，小鼠的正确选择率仍维持在约80%左右，未能进一步提高（见图2A）。考虑到它们在整个训练过程中持续出现一定数量的遗漏错误，其动机水平可能不足以促使小鼠达到更高的表现水平。在强制交替任务中，α-CaMKII+/-小鼠的正确反应百分比低于对照组小鼠，表明突变小鼠在此任务中的表现较对照组受损。该结果与先前在八臂放射迷宫实验中获得的研究结果一致2,14，进一步证明α-CaMKII缺乏会导致工作记忆缺陷，且自动T型迷宫中的强制交替任务能够准确检测突变小鼠的工作记忆缺陷。在左右辨别任务中，结果表明α-CaMKII缺乏并不影响参考记忆。然而，如逆转学习阶段的结果所示，α-CaMKII缺乏可能会降低行为灵活性。在逆转学习阶段，突变小鼠也比对照组小鼠表现出更多的遗漏错误。遗漏错误数量的增加可能减少了小鼠学习哪个臂与奖励相关联的机会。因此，学习获得的延迟可能是由于初始阶段遗漏错误数量增加所致，而非逆转学习能力受损。另一种可能是，突变小鼠可能因规则改变而产生困惑，从而导致遗漏错误并干扰执行功能。因此，为得出合理结论，除正确选择百分比外，还应同时分析遗漏错误情况。
Image TM 程序会生成完成一次实验会话的潜伏期和移动距离的附加结果，以及正确反应百分比和遗漏错误次数。完成一次会话的潜伏期和移动距离的差异可能反映在运动活动水平、选择臂的冲动倾向、执行任务的动机、对任务的习惯化程度、不同的学习策略等方面的差异。在代表性结果中，α-CaMKII+/- 小鼠的潜伏期更短，移动距离也比对照组更短。事实上，与对照组小鼠相比，α-CaMKII+/- 小鼠表现出更高的运动活动性3，这一表型可能是各项指标差异的基础。
在我们的实验室中，我们使用自动化装置通过T迷宫实验评估了36多种转基因小鼠及野生型对照小鼠，以阐明基因、大脑与行为之间的关系15,16。我们已获得超过1200只小鼠的大量原始数据，并已在多种突变小鼠品系的T迷宫表现方面发表了相关数据3,16-22。已在研究论文中发表的小鼠品系数据已被收录于公开数据库“小鼠行为表型数据库”中（网址：http://www.mouse-phenotype.org/）。部分研究显示，Dtnbp11、Nrd120 或 Plp121 基因突变的小鼠表现出工作记忆缺陷。因此，我们采用自动化装置进行T迷宫任务的标准化实验方案，适用于检测突变小鼠与野生型对照小鼠之间记忆功能的遗传效应。行为学实验方案需要在不同实验室之间实现标准化、可重复性以及结果的可比性。改进后的T迷宫装置实现了测试流程的自动化，有助于推动各实验室间实验方案的标准化。
如本视频文章所示，当前版本的装置和程序允许我们测试黑色或阿古提小鼠，但不能测试白化小鼠。目前，我们正在开发该系统的改进版本，以实现对白化小鼠的测试。该系统的一个优势在于，在T型迷宫测试过程中可以同时进行in vivo微透析、in vivo电生理学和光遗传学实验，因为装置的门设计为可下降至地板下方。例如，一些研究人员可能希望在小鼠选择迷宫臂的过程中研究海马神经元的电生理特性，尽管可能需要对装置进行某些改进，以尽量减少来自门体和颗粒移除机构执行器的电噪声。
综上所述，利用改良的自动装置进行T型迷宫强制交替和左右辨别任务，可用于评估小鼠的工作记忆、参考记忆以及行为灵活性。
披露
未声明任何利益冲突。
致谢
感谢中西一夫在开发用于行为分析的 Image TM 程序方面提供的帮助。本研究得到了日本文部科学省科学研究费补助金探索性研究（19653081）、科学研究费补助金（B）（21300121）、创新领域研究（综合脑科学网络）资助、神经信息学日本中心（NIJC）资助，以及日本科学技术振兴机构（JST）的 CREST 与 BIRD 项目的资助。
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