利用视频追踪软件分析小鼠短期与长期运动活动

摘要

运动活动（LMA）是测量小鼠行为的一种简单且易于实施的方法。将视频追踪软件（VTS）与LMA结合，可显著提高检测的特异性和敏感性，尤其相较于手动划线计数的LMA分析方法更具优势。此外，VTS还支持对小鼠LMA进行长期追踪。

摘要

运动活动（LMA）是测量小鼠及其他啮齿类动物行为的一种简单且易于实施的方法。视频跟踪软件（VTS）的进步使其能够与LMA测试相结合，与传统的手动计分划线穿越法相比，显著提高了特异性和敏感性。此外，VTS还支持高通量实验。虽然LMA测试所用的自动视频跟踪技术与旷场实验（OFT）类似，但其独特之处在于允许小鼠停留在其居住笼中，并且在明暗周期的活动阶段不使用强光作为致焦虑刺激。传统上，LMA测试通常仅用于较短时间（分钟级），而较长时间的运动研究（小时至天级）则常依赖植入式发射器和生物遥测技术。如今，借助实时跟踪技术，长期LMA测试与短期测试一样，均可通过录像技术实现。长期LMA测试需要一种特殊但易于构建的笼具，以避免食物和水（通常放置在笼顶）遮挡摄像视野。重要的是，录像技术和VTS能够量化诸如小鼠运动轨迹等参数，而这些参数使用划线穿越法和/或生物遥测法难以甚至无法准确测量。总之，LMA测试结合VTS可更全面地描述小鼠的运动行为，并具备在较长时间范围内检测运动能力的优势。

方案

1. 短期LMA的设置与操作步骤

1. 短期LMA笼具设置
   1. 在单只饲养小鼠的笼具内进行短期LMA测试。为便于基于视频跟踪系统（VTS）的图像分析，应使用与小鼠体色形成高对比度的垫料（例如，白色小鼠使用深色垫料，黑色小鼠使用浅色垫料）。
   2. 在进行短期LMA测试期间，使用带有11个直径¼英寸通气孔的透明¼英寸厚Plexiglas盖子覆盖笼具，以保证适当的通风。
2. 短期LMA测试房间
   1. 在清洁环境中进行小鼠测试，且小鼠应在该环境中适应至少24小时⁸。
   2. 使用带有红色灯泡的育雏夹灯（< 125流明）照亮测试环境。在开始录像前，调整灯具的角度和位置，以消除Plexiglas笼盖上的反光或眩光。
   3. 避免测试房间内噪音超过70 dB。若在小鼠测试期间无法避免间歇性背景噪音，可使用白噪音发生器。
   4. 在测试房间内，将笼具放置的测试台面用与笼具垫料颜色相近的牛皮纸或实验台纸覆盖，以防录像过程中笼底暴露影响分析。
3. 短期LMA录像
   1. 在测试房间的记录区域上方，安装一台具备夜视功能、内存至少120 GB的天花板固定式摄像机，并将其置于中央位置。摄像机视野内放置的....

结果

重复测量的短期运动活动性（LMA）测试结果示例如图1所示。该图显示，在给予脂多糖（LPS）后，饲养于独立通风笼具（IVC）中的小鼠比饲养于普通环境笼具（AEC）中的小鼠更快恢复短期运动活动性⁶。尽管注射LPS的各组在运动活动性初始下降程度上相似，但IVC饲养小鼠恢复至基础LMA水平的速度更快，其运动速度（图1b）和运动持续时间（图1c）的恢复也更为迅速。在该短期LMA测试中采用重复测量模型，可实现对不同组别随时间推移的恢复过程进行观察和比较。

长期 LMA 测试的一个示例如 图 2 所示。该图展示了小鼠在连续两天、每天 12 小时测试期间的运动情况。在这两天之间，移动距离（图 2a）、运动速度（图 2b）或运动持续时间（图 2c）均未发现显著差异（未发表的初步数据）。尽管由于样本量较小导致误差较大，但这些结果表明，在连续多天内.......

讨论

小鼠患病的症状包括嗜睡、对社交和周围环境失去兴趣、不适感以及厌食^2-3。在小鼠及其他啮齿类动物中，可利用自由活动量（LMA）评估免疫激活后的患病状态^4-5。此外，长期LMA能够连续追踪24小时（或更长时间）内的活动情况，从而分析治疗所引起的昼夜节律行为改变或睡眠/觉醒模式的紊乱。与其他疾病评估方法相比，LMA具有多项优势：它属于非侵入性检测，可轻松进行重复测量或连续监测，且干扰因素极少。与其它方法和系统（例如 Phenotyper、Intellecage、光电束系统）相比，使用VTS进行LMA分析的成本相对较低，因为可同时记录和分析多个笼子的数据。尽管本文未采用，但通过加装侧向摄像头，还可进一步分析如直立和攀爬笼壁等LMA相关行为。VTS支持高通量适应性的LMA检测，同时也可对运动进行更全面的分析，包括运动持续时间、移动距离、速度和运动轨迹的确定⁵。轨迹追踪功能尤为强大，因其与焦虑样行为密切相关。

尽管LMA结合VTS具有诸多优势，但其潜在缺陷在于小鼠可能需要被隔离或单只饲养长达（甚至可能超过）24.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
摄像机	Sony	HDR-XR500V	其他类似的摄像机也可能适用。文件存储格式（编码/容器）必须与所使用的视频追踪系统（VTS）兼容。建议在初次建立VTS时，先选择VTS，并与供应商合作选择合适的摄像机，特别是要考虑文件格式和视频分辨率的兼容性。
不透明笼具隔板			根据特定笼具尺寸定制制作。为便于图像分析，隔板颜色应与笼具垫料相近。结构固定的隔板更佳，因其可在多次小鼠实验（如重复测量实验）之间加快设置速度。可使用1/2英寸厚的不透明塑料制作坚固且便于移动的笼具隔板，并通过一系列搭接方式连接。
浅色或深色垫料（与小鼠毛色相反）			可根据所在地区从多家实验动物用品供应商处获取。
透明有机玻璃笼盖			根据笼具尺寸定制制作。
自动化视频追踪软件（EthoVision XT 7）	Noldus Information Technology		市面上存在多种VTS制造商，使用其他软件也可能满足需求。
个人电脑（PC）	Dell Inc.		请参阅VTS软件供应商对PC的最低配置要求
白噪声发生器	Dohm	DS	根据需求可选择多种类型的白噪声发生器。
带红色灯泡的育雏夹灯			有多种尺寸和款式可供选择。所需数量取决于房间大小和照明需求。测试房间内的照度不得超过125流明。
实验台或牛皮纸			纸张颜色应与笼具垫料相同或极为接近。