小型与大型啮齿类动物模型的巴恩斯迷宫测试策略

摘要

干式巴恩斯迷宫被广泛用于测量动物在轻度厌恶刺激下的空间导航能力。在连续数天的测试中，对照组受试动物的表现（例如 找到逃生笼所需的时间）会逐渐改善，表明其具有正常的學習與記憶能力。大鼠與小鼠之間的差異需要對儀器和方法進行相應調整，本文將詳細介紹這些改動。

摘要

实验室啮齿类动物的空间学习和记忆能力通常通过迷宫中的导航能力来评估，其中最常用的迷宫是水迷宫和干迷宫（巴恩斯迷宫）。在多次训练或试验中表现的改善被认为反映了动物对逃生笼/平台位置的学习与记忆。与水迷宫相比，巴恩斯迷宫被认为应激性较低，其结构相对简单，由一个圆形平台顶部构成，平台边缘等距分布着多个孔洞。除其中一个孔通向逃生笼外，其余孔均为盲端或假底。轻度厌恶性刺激（例如 头顶明亮的光线）可促使动物寻找逃生笼。在实验过程中可记录动物找到逃生笼的潜伏期；然而，其他终点指标通常需要视频记录。通过这些视频记录，使用自动追踪软件可生成多种类似于水迷宫实验所得的指标（例如 移动距离、速度/速率、在正确象限停留的时间、运动/静止时间，以及潜伏期的确认）。搜索策略类型（即 随机型、序列型或直接型）也可进行分类。针对小体型啮齿类动物（如小鼠）和大体型啮齿类动物（如大鼠），巴恩斯迷宫的构建和测试方法可能有所不同。例如，对于大鼠有效的迷宫外线索，可能不适用于较小的野生啮齿类动物，后者可能需要依赖迷宫内部线索，并在迷宫周围设置视觉屏障。必须确定合适的刺激因素，以促使动物主动寻找逃生笼。无论是巴恩斯迷宫还是水迷宫，测试过程通常较为耗时，一般需要进行4至7次试验才能检测到学习记忆能力的改善（例如 找到逃生平台或笼子的潜伏期或路径长度缩短）和/或实验组之间的差异。尽管如此，巴恩斯迷宫仍被广泛用于行为学评估，以测量空间导航能力及其可能受到的遗传、神经行为学操作或药物/毒物暴露的影响。

引言

实验室啮齿类动物的空间学习与记忆最初是通过让食物剥夺的大鼠在迷宫通道中寻找食物强化物来进行评估的¹。几十年后，研究者提出了空间参考记忆系统²。与指单次测试会话或试验内记忆的工作记忆不同，参考记忆指的是跨测试会话或试验的记忆，更接近于长期记忆。

已开发出多种迷宫，用于对小型和大型啮齿类动物依赖海马的空间学习和记忆能力进行非侵入性评估（例如 水迷宫、多T形迷宫、放射臂迷宫和旱地迷宫^3-6此处，我们重点介绍由卡罗尔·巴恩斯博士于1979年首次描述的圆形平台，即巴恩斯迷宫。⁷该迷宫已被广泛用于测试多种啮齿类动物模型的空间导航学习和记忆能力，包括大鼠（Rattus norvegicus），小鼠（小家鼠），鹿鼠（Peromyscus maniculatus bairdii），加州小鼠（Peromyscus californicus）和豪猪型啮齿类动物（例如 八齿鼠Octodon degus])^8-13. 使用巴恩斯迷宫进行评估的其他物种包括美洲蟑螂（Periplaneta americana)¹⁴，玉米蛇（Elaphe guttata guttata)¹⁵, 有鳞爬行动物（例如 侧斑蜥蜴Uta stansburiana])¹⁶，以及非人灵长类动物（例如 鼠狐猴Microcebus murinus])¹⁷在我们的实验室中，巴恩斯迷宫的表现已被用作评估发育期双酚A（BPA）或乙炔雌二醇（EE2）暴露后神经毒性的指标^9-1113它也常用于多种小鼠品系的行为表型分析。^18-21，衰老效应的评估^7,22-28以及动物模型中与阿尔茨海默病相关的缺陷^3,29-33, 以及运动和饮食、环境及代谢变化的影响^34-42.

使用巴恩斯迷宫的一个主要优势是，与水迷宫（如莫里斯水迷宫）相比，它对实验对象造成的应激更小⁴³，尽管两者均可在小鼠中诱导血浆皮质酮浓度的急性升高⁴⁴作为一种旱地迷宫，巴恩斯迷宫可能对陆生啮齿类动物具有更高的生态学相关性⁴⁵尽管水迷宫表现已被证明对小鼠的遗传改变更为敏感^3,46,47，Barnes迷宫的表现对某些其他改变更为敏感^48,49在无法使用水迷宫的啮齿类动物模型中，巴恩斯迷宫可对空间记忆保持能力进行精细评估³¹. Barnes迷宫中通常使用的轻度厌恶刺激即 然而，明亮的光线可能不足以激励啮齿类动物寻找逃生笼⁴⁵此外，啮齿类动物可以学会，只要不进入逃生笼就不会受到惩罚。因此，在每次试验中，一些啮齿类动物并不会主动寻找逃生笼，而是长时间主动探索迷宫。正如 Kennard 和 Woodruff-Pak 所综述的那样²⁴因此，探索行为的增加将延长找到逃生笼的潜伏期、增加路径长度，并提高错误次数。因此，对多个参数的测量，包括潜伏期、错误率、在正确象限和错误象限停留的时间、速度、运动时间、静止时间以及搜索策略，综合起来可更全面地反映每个受试对象的空间导航学习与记忆能力^8-10此外，行为表现可通过首次找到逃生笼的潜伏期（主要指标）或进入逃生笼的潜伏期（总指标）来衡量。一些研究者认为，与总指标相比，主要指标更能准确反映空间学习能力。⁵⁰大多数研究（包括此处描述的示例）均采用进入逃生笼的潜伏期来确定错误率和搜索策略。此外，一些追踪软件系统具备三点身体检测功能，可测量对正确位置的嗅探频率 与 错误的孔洞。最后，每次试验之间必须用乙醇彻底清洁迷宫，以去除可能为后续动物提供线索或造成干扰的嗅觉提示。

巴恩斯迷宫的设计有所不同，但通常每个迷宫都有12个或20个潜在的逃生孔，其中仅有一个通向动物的家笼或逃生笼。逃生笼可直接设置在迷宫顶部逃生孔的正下方（适用于无围挡墙的迷宫），或嵌入迷宫周围的围挡墙中。提示物的大小可不相同，范围从迷宫内部约16.5 cm高或宽的标记，到迷宫外部房间墙壁上从地面延伸至天花板、宽21.6 cm的水平线条。图1-5展示了适用于Peromyscus物种（图1）和大鼠（图2-5）的巴恩斯迷宫设计示例。非逃生孔必须用塞子或假底部覆盖，以防止动物从迷宫中掉落。测试房间的大小可以有所变化（约20 m²），但必须足够大，以便容纳迷宫本身、使动物适应环境、安置带视频采集系统的计算机（如使用），并为实验人员提供一个距离迷宫装置足够远（至少约122 cm）的座位，以避免其存在干扰动物的表现。逃生笼的位置分配应在不同处理组和性别之间保持平衡。尽管本文描述的具体实验流程未包括在试验之间旋转迷宫以防止动物利用迷宫内气味线索的做法，但某些研究已采用该方法⁵⁰。在我们的实验流程中，每次试验之间均使用乙醇彻底擦拭迷宫，以消除气味线索。

在寻找逃生笼时，已定义出三种搜索策略（最初由Barnes⁷称为"模式"）：1）随机式，操作上定义为在被穿过迷宫中心路径分隔的孔洞之间进行局部搜索；2）顺序式，定义为沿顺时针或逆时针方向系统地搜索相邻的孔洞；3）直接式或空间式，定义为直接导航至正确象限，穿过迷宫中心不超过一次，且错误次数不超过三次。通常情况下，随着重复测试，啮齿类动物的搜索策略会按上述顺序逐步发展（即从随机式到顺序式，再到直接式）⁵¹。此外，也可采用移除逃生笼的探测试验作为评估记忆的进一步指标⁵⁰。

本文所述的实验方案及代表性结果是针对两种啮齿类动物（Peromyscus 属，又称小型啮齿类）和大鼠建立的。尽管这些通用实验步骤可能也适用于近交系和/或远交系小鼠（Mus musculus），但针对后者的潜在方法学差异，建议参考其他相关研究^18-21。

方案

1. 小型啮齿类动物的 Barnes 迷宫实验步骤

1. 打开迷宫上方的顶灯并放置 "禁止进入" 实验室门外的标识
2. 将小鼠连同其常规饲养笼一起提前约30分钟移至测试房间，以适应环境。若房间内安静，可不使用白噪声；否则，可考虑采取此预防措施。
3. 设置追踪程序。
4. 轻轻将第一只小鼠从其饲养笼中取出，放入高而带盖的塑料箱中。将其逃生用（清洁的）聚丙烯饲养笼（29 cm x 19 cm x 13 cm）置于指定的逃生孔下方。
   1. 确保移除堵塞管路的纸片，并堵住该逃生孔及其他所有孔洞。
   2. 在迷宫周围拉上帘子。
5. 将装有小鼠的塑料盒置于迷宫中央，约8秒后，轻轻将动物从盒中取出并放置于迷宫上。
   1. 将动物放置于迷宫中央后，安静地移至计算机区域（距离迷宫约150 cm处）。
   2. 启动相应的追踪软件程序，该程序应已预先打开，以确保从动物被放置到迷宫上到程序开始记录其行为表现之间的时间最短（在几秒内）。
6. 从计算机显示器观察动物的表现，记录孔位编号、试验次数、搜索策略以及错误次数。错误定义为嗅探错误的孔位。搜索策略的评估可实时进行，也可根据追踪轨迹在后期完成。
   1. 检索策略被归类为 直接 （直接进入逃生笼，且错误次数不超过3次）
   2. 连续的 （沿迷宫边缘移动直至找到逃生笼），或
   3. 随机 （多次穿过迷宫中心以检查各个孔洞）。
7. 当动物的四只爪子均进入逃生笼内时，停止追踪程序。
8. 如果小鼠在5分钟内未能进入逃生笼，则轻轻引导其到达正确位置并进入逃生笼。让小鼠在逃生笼内停留2分钟。
9. 将小鼠从逃逸笼中取出，放回原代笼中。
10. 喷雾处理迷宫顶部和逃逸笼 用70%乙醇擦拭并擦干。将第一只笼子/小鼠放置30分钟后再进行第二次试验。
11. 在开始测试下一只小鼠前，堵住之前正确的逃生孔，并移除指定为下一只实验动物逃生孔的纸塞。
12. 每只小鼠每天进行2次试验，每次试验之间的间隔约为30分钟。
13. 重复上述步骤，直至所有小鼠均连续测试七天，相较于仅收集四天的数据，这可能更有利于观察到行为表现的改善和/或不同处理组之间的差异。

2. 无法获得追踪程序时大鼠的 Barnes 迷宫测试

1. 确保迷宫放置在正确位置（正对光源中心下方），用于阻隔非逃生孔并防止动物掉落的假底部已牢固安装在迷宫中，且第一位受试动物的逃生笼已放置在指定位置。迷宫上方的顶灯应已打开。
2. 确保计算机和摄像头已准备就绪，并备有秒表。
3. 开启白噪音以减弱来自附近其他区域的任何噪声。测试人员的座椅距离迷宫顶部最近边缘约122 cm，并在整个测试过程中保持固定位置。
4. 应备有计时器（设定为2分钟）（仅在测试第1天需要）。计时器不应"发出蜂鸣声"或产生其他声响。测试室的门上应贴有"禁止入内"的标识。
5. 受试动物测试顺序表应列出每只动物的测试顺序、实验阶段编号、每位受试动物对应逃生笼所在的孔位编号，以及用于记录每只动物潜伏期和测试时间的区域，同时还应设有记录必要备注的区域（图6）。
6. 在第一位大鼠开始测试前30至60分钟，将其连同其饲养笼一起带入测试室，以进行环境适应。
7. 每次试验开始时用于放置大鼠的中心管应置于迷宫中央。将标有第一位动物编号的硬纸板放置在上方，以便视频记录能够捕捉到动物编号，从而通过观察视频前几秒内容即可轻松识别每只受试动物。

初始测试第1天：

1. 开始计算机视频录制（若使用），并包含约 5 秒带有动物编号表的试验画面，以便识别受试动物。文件名（或创建日期）将用于标识测试的日期/时间。
2. 从饲养笼中取出第一只动物（若笼中有多只动物，需核对身份），轻轻将其头部朝前放入逃生笼中。用额外的假底盖住逃生笼，并启动 2 分钟计时器，使动物适应逃生笼环境。
3. 2 分钟计时结束后，轻轻将动物从逃生笼中取出（同时移除假底盖，并将其移离迷宫），抬起编号表，立即将大鼠放入中央管中。用硬纸板编号表盖住中央管顶部。
4. 轻轻缓慢抬起带硬纸板盖的中央管，并放置一旁。当中央管被抬离动物时，启动秒表。随后移动至测试者座椅就座。
5. 安静地坐在椅子上，同时观察动物和秒表。每只动物最多有 5 分钟时间找到逃生笼。
6. 若大鼠在 5 分钟内找到逃生笼，停止秒表，并在测试顺序表上记录潜伏期及测试时间。将动物从逃生笼中取出并放回饲养笼。
7. 若大鼠在 5 分钟内未找到逃生笼，应轻轻引导动物进入逃生笼，并等待 15 秒后将其取出并放回饲养笼。
   1. 该 15 秒间隔可通过测试室墙上带秒针的钟表进行计时。
   2. 在测试顺序表上记录测试时间，并注明大鼠未找到逃生笼。
8. 若大鼠从迷宫掉落或跳出，测试者应迅速查看秒表记录时间，随后尽快将动物取回。
   1. 若能在 10 秒内完成取回操作，应将动物重新放置于迷宫中央，并在测试表上记录掉落/跳出时间（若测试者能区分是掉落还是跳出，应予以注明）。继续进行试验。
   2. 若取回动物耗时超过 10 秒，停止秒表，并将动物放回饲养笼。记录掉落/跳出时间（若能区分掉落与跳出，应予以注明）。
   3. 对于动物掉落或跳出且未能在 10 秒内被取回的试验数据，将不纳入统计分析。
9. 停止计算机上的视频录制。记录本次试验的任何备注信息。
10. 清除迷宫表面的尿液或粪便，喷洒 70% 乙醇并彻底擦干。取出逃生笼并用 70% 乙醇清洁。
11. 为下一位受试动物在指定位置放置一个干净的逃生笼。准备多个逃生笼可使其轮流晾干，从而减少乙醇气味。将干净的假底放回之前使用的孔位（确保除一个孔外其余均覆盖假底，而唯一未覆盖的孔中放置逃生笼）。
12. 将带有编号表的中央管置于迷宫中心，为下一位受试动物做好准备。在计算机上开始视频录制。
13. 取出下一只待测动物，将其放入逃生笼（仅限第 1 天/第 1 次测试），并启动 2 分钟计时器（仅限第 1 天/第 1 次测试）。从上述第 2 步继续操作。每只动物每天接受一次试验。
14. 所有动物测试完成后，清洁迷宫和逃生笼，关闭顶灯和白噪音设备，并从门上取下"禁止入内"标识。

第2天至第7天测试

1. 按照上述说明设置测试房间和迷宫。
2. 将中心管置于迷宫中央，并在其顶部放置编号表。开始视频录制。将第一只动物从饲养笼中取出，放入中心管内。
3. 此步骤区分第2–7天与第1天的操作；具体而言，在第2–7天，动物从饲养笼取出后直接放入中心管，不再进行逃逸笼内的2分钟适应期。
4. 从上述第4步开始重复实验流程。

3. 巴恩斯迷宫终点指标的统计学分析

1. 数据分析可能需要进行多种统计检验。连续变量（如潜伏期和错误率）可采用时空裂区设计进行分析⁵²。
2. 若某些动物未能在规定最长时间内找到逃生笼或归巢笼，可将该潜伏期数据赋值为最大时间，并采用SAS 9.2软件中的ProcLife检验进行分析。
   1. 该统计方法适用于存在上限截断值的行为学数据。
3. 搜索策略数据可采用重复测量设计，使用PROC GLIMMIX和SAS 9.2软件进行分析。
   1. 首次分析采用累积logit连接函数和多项分布，将全部三种搜索策略（随机、序列和直接）纳入分析。
   2. 为确定动物是否逐渐学会使用更高效的搜索策略（直接策略），可对搜索策略进行第二次分析，将两种效率较低的策略（随机和序列）合并，并与更高效的直接搜索策略进行比较。
   3. 后一种方法产生二项分布，同样采用PROC GLIMMIX进行分析。

结果

性成熟的雄性鹿鼠依赖于增强的空间导航能力来寻找遍布环境中的潜在交配对象。产前和成年期暴露于睾酮对于组织和激活成年雄性这一行为至关重要。⁵³因此，推测雄性个体在早期接触内分泌干扰物可能会对其后期的这一性状产生干扰。为验证这一假设，对雄性和雌性鹿鼠进行了发育阶段的暴露处理 通过 在无植物雌激素饮食中给予母体多种环境相关剂量的双酚A（BPA），或在无植物雌激素饮食中给予阳性雌激素对照物（炔雌醇[EE2]），或给予基础对照的无植物雌激素精制饮食，成年后评估其在巴恩斯迷宫中的表现。 图1 展示了该物种使用的巴恩斯迷宫装置。暴露于两种较高剂量（而非最低剂量）BPA 的雄性在空间学习能力上表现出相当的缺陷，表现为实验期间潜伏期延长、错误率增加，以及无法转变为直接搜索策略。图7-9）。然而，暴露于EE2和中等剂量BPA的雌性个体表现出空间学习与记忆的雄性化模式，而其他BPA剂量组则未出现该现象（即 潜伏期缩短以及直接搜索策略使用频率增加^9,13.

与一...

讨论

Barnes迷宫测试程序中的关键步骤包括：1）提供适当的轻度厌恶刺激，以促使动物寻找逃生箱；2）确保在动物实验过程中保持条件的一致性例如 测试时间、测试人员、外部噪音控制及其他可能影响表现的刺激），3）若进行视频录制，需优化并确保视频录制正常及文件备份妥善，4）每次试验间使用70%乙醇清洁迷宫以去除嗅觉线索。

确定最佳刺激以促使实验动物寻找逃生笼可能需要进行一些调整和/或故障排除。通常采用的刺激是上方明亮的照明。然而，这种刺激对某些物种可能并不充分。尽管我们仅以轶事方式观察到，但经过广泛行为评估（因此被频繁抓握处理）的大鼠在标准巴恩斯迷宫条件下似乎动机较弱，可能是因为它们变得更加温顺，并对不同的仪器和/或环境产生了习惯化。可以考虑使用听觉刺激（例如 捕食者声音），但这会限制同时让其他动物适应测试房间的能力。其他已被成功使用的刺激包括在迷宫上方使用风扇向迷宫顶部吹风^57,58 ，或将巴恩斯迷宫改为以奖赏驱动而非厌恶驱动的模式⁵⁶。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
注意：仅适用于小型啮齿类动物的项目以**粗体**标出。仅适用于大型啮齿类动物的项目以*斜体*标出。既未加粗也未斜体的项目适用于两者.
12 或 20 个逃生孔的巴恩斯迷宫平台，每 30 度一个°对于大鼠，每个孔的直径为10.5 cm，距迷宫边缘顶部4 cm。若需配合自动追踪程序使用，白化啮齿类动物应采用黑色顶面，而有色啮齿类动物则应采用白色顶面。该圆形顶面的直径，小鼠用为95 cm，大鼠用为122 cm。	美国塑料公司，利马，俄亥俄州	42625	这是 Barnes 迷宫的顶部，也是实验啮齿类动物所处的表面。该平台可由多种材料制成（例如聚甲基丙烯酸甲酯），但在内分泌干扰物相关研究中，使用无双酚 A 的聚丙烯材料最为理想。其中一个孔通向逃生笼，其余所有孔均为盲端或假底。在大鼠使用的迷宫中，平台底面设有小型滑轨，便于逃生笼和假底滑入。
2 英寸聚丙烯管塞（24） 2 在 90 中° 黑色聚丙烯弯头（12） 2 英寸 x 6 英寸聚丙烯管接头（1）	美国塑料公司，利马，俄亥俄州	30724 32086 30712	这些仅在小型啮齿动物（如小鼠）的巴恩斯迷宫中需要。这些改装装置为盲端管/弯头，或其中一根管连接至管接头，再通向逃生笼。
大鼠巴恩斯迷宫的假底部			这些部件由ABS塑料定制而成，并采用真空成型工艺制作，用于大鼠迷宫装置。
迷宫周围环形铝制壁/屏障（50 cm高）	Ace Hardware，密苏里州哥伦比亚市		对于小型啮齿类动物（例如，小鼠）时，该屏障可防止它们从迷宫上跌落；而大鼠装置通常不需要这一结构。对于相对温顺的实验小鼠，可能也不需要该围壁。.
迷宫平台顶盖支撑架	美国塑料公司，利马，俄亥俄州	42625	支架用于支撑迷宫平台顶部，使其高于地面（通常为70-100 cm），以促使啮齿类动物寻找逃生笼。支架可由任意材料制成。
白噪声	SleepMate 声音调节器， Marpac，北卡罗来纳州，罗基角	980A	背景噪音可用于屏蔽可能在不同试验和动物间干扰 Barnes 迷宫测试的周围声音线索
带铝制外壳的灯具及300-500 W灯泡。例如，Utilitech 500 W卤素便携式工作灯。	Ace Hardware 或 Lowes		明亮的光线提供一种轻度厌恶刺激，促使啮齿类动物寻找逃生笼。光源通常悬挂在迷宫顶部上方约150 cm处。
逃逸笼。对于小型啮齿动物，可以使用聚丙烯笼（27.8 cm x 7.5 cm x 13 cm）。	Ancare，纽约州贝尔莫	N40 PP	此处的大鼠逃逸笼为定制，带有一个通向逃逸笼的斜坡。
不透明管（仅用于大鼠）（直径 27 cm；高 23 cm），配有一块厚纸板用于覆盖顶部。			将管道置于迷宫中央，从顶部将大鼠放入管道内，并用纸板盖住顶部。管道外侧设有把手，便于提起管道，从而开始实验。管道可由任意材料制成，但应为不透明材质。
高分辨率视频摄像机（例如，松下数码摄像机	Panasonic，美国新泽西州塞考克斯	ICV19458	视频摄像机置于上方，用于记录实验过程以供后续分析。
迷宫外或迷宫内的几何线索，由高质量的硬纸板卡纸制成	任何办公用品商店，例如 Staples		这些视觉线索帮助动物在迷宫环境中定位，提供有关逃生笼空间位置的提示；在大鼠中，迷宫外墙壁上的线索效果良好，而在需要在迷宫周围设置围墙的小型啮齿类动物中，则必须使用迷宫内的线索。
黑色窗帘（仅用于小型啮齿类动物）	任何布料和手工用品商店，例如 Jo-Ann Fabrics		使用黑色帘布适用于小型啮齿动物（尤其是野生种）， 例如 鹿鼠属以保持在迷宫范围内的注意力.
70% 乙醇	Fisher Scientific	BP2818-4	每次试验后，需清洁迷宫平台表面和逃逸笼，以消除可能残留的气味线索，避免对后续测试的啮齿类动物造成干扰。
追踪软件程序（如 Ethovision）及配备适当视频卡和充足硬盘空间（1 TB 或以上）的计算机。或者，可使用 Win TV（Hauppauge Computer Works, Inc.）等程序将视频直接录制到计算机中，以供后续分析。	Noldus（美国弗吉尼亚州利斯堡）		分析实验所需的追踪软件可用来评估到达逃逸笼的潜伏期、速度、移动距离、静止时间、运动时间、在正确象限与错误象限停留的时间、在逃逸孔周围停留的时间、错误次数或进入错误孔的次数，以及寻找逃逸笼所采用的整体搜索策略。
外置硬盘驱动器（如 Seagate 或 WD），至少 1-2 TB 内存	任何办公用品商店，例如 Staples。		视频记录应在至少一个独立的位置进行备份。
视频录制程序， 例如 WinTV 程序	霍普吉计算机工程公司 纽约州霍普奇		如果测试时没有可用的追踪软件， 应将试验过程进行视频录制，以便后续分析