感觉运动皮层损伤后小鼠缺血性卒中模型中的代偿性肢体使用及运动技能学习的行为评估

摘要

小鼠模型在行为神经科学研究中日益受到关注。随着模型的发展，开发针对小鼠的敏感行为检测方法变得尤为重要。本实验方案描述了“意大利面矩阵取物任务”（Pasta Matrix Reaching Task），这是一种用于脑卒中小鼠模型的精细运动技能任务。

摘要

小鼠模型在行为神经科学领域，特别是在实验性脑卒中研究中，日益受到关注。随着模型的不断进步，开发针对小鼠的敏感行为测量方法变得尤为重要。本实验方案描述了一种适用于小鼠脑卒中模型的精细运动任务。意大利面矩阵取物任务（Pasta Matrix Reaching Task）是一种多功能且敏感的行为检测方法，使研究者能够准确收集行为结果数据，并调控肢体使用，以模拟人类临床现象，如代偿策略（即，习得性废用）和集中的康复训练。当与神经解剖学工具结合使用时，该任务还允许研究人员探索脑卒中后功能行为恢复（或恢复失败）的潜在机制。该任务设置和实施简单且成本低廉，为研究损伤后功能结局的多种科学问题提供了丰富的训练和测试选择。尽管该任务已应用于小鼠脑卒中模型，但在其他上肢损伤模型的功能结局研究中也可能具有重要价值。

引言

小鼠模型由于其操作便捷、成本较低，以及存在适用于in vivo成像等多种应用的转基因品系，近年来在实验性卒中研究中日益受到青睐。随着实验模型的广泛应用，人们对开发敏感的行为学评估方法以检测损伤后功能结局的兴趣也不断增长^1-7。建立模拟人类卒中幸存者康复和代偿策略的动物训练方案，有助于将实验动物研究的结果更有效地转化为临床应用⁸。 Pasta Matrix 捉取任务（PMRT）中的运动技能训练已被证实是一种对感觉运动皮层缺血性损伤后运动功能结局具有高敏感性的行为学评估方法³。

脑卒中研究的主要关注点之一是康复，以及促进损伤后功能恢复的行为策略的开发与理解。目前，人类采用的康复策略只能实现不完全恢复⁸。此外，康复治疗师必须应对脑卒中幸存者在恢复过程中形成的代偿性行为策略，这些策略可能妨碍其充分恢复受累肢体的功能。例如，在影响上肢功能的单侧脑卒中后，人类倾向于依赖受累程度较轻的肢体^{9, 10}。尽管这种对患肢的习得性废用在短期内可提高个体的功能能力，但动物模型研究表明，这可能会限制患肢最终的功能恢复潜力^11-13。动物研究的这些发现有助于推动人类约束诱导运动疗法的发展与应用¹⁴。动物模型有助于改进康复策略，使研究人员能够探索支持和促进功能恢复的神经生物学机制。除了作为评估脑卒中后功能的有效行为检测手段外，前肢运动再....

方案

以下方法均符合德克萨斯大学奥斯汀分校和伊利诺伊卫斯理大学动物护理与使用委员会批准的方案。 建议研究人员在对任何实验动物进行行为训练时佩戴手套或采取适当的预防措施（操作前后洗手）。在为动物实施手术做准备以及手术过程中，必须佩戴手套。

1. 习惯化与食物限制

注意：由于 PMRT 是一种趋近性任务，建议在训练开始前限制动物的进食量和进食时间，以激发其抓取反应，并防止在训练过程中出现饱足现象。

1. 在开始任务训练前至少一周，将小鼠置于限制性喂食计划中。在开始食物限制之前称量每只小鼠的体重，以确定自由进食状态下的体重，该体重定义为每只动物在限制喂食第一天的体重。
   1. 每天喂食一次，每只小鼠每日给予约 2.5 g 标准啮齿类动物饲料（例如，若一个笼子中饲养 4 只小鼠，则该笼子每日共给予 10 g 饲料）。确保每天在同一时间进行喂食，最好安排在每日训练结束的时间点。
   2. 定期称量动物体重，确保任何小鼠的体重下降不超过其自由进食体重的 10%。注意：应根据体重变化相应调整每日食物供给量，以维持适当的体重。小鼠在成长过程中通常会增重，即使食物摄入量保持恒定。在整个 PMRT 训练与评估期间，小鼠均需持续保持食物限制。
2. 在正式训练前数次于小鼠的饲养笼中提供较短的意大利面片段（切成 1.6 cm），以克服其....

结果

PMRT 分析的结果应包括被折断的意大利面数量以及成功抓取的模式。图3A展示了感觉运动皮层损伤小鼠的实验结果，表明缺血性损伤会影响成功抓取的次数以及实际抓取动作的模式^{3, 19}。图3B展示了典型的模式变化。PMRT 能够模拟小鼠中习得性不用现象，这一点通过在非受损肢体训练后受损肢体功能恢复受阻得以证实^{13, 20}。因此，仅对使用受损肢体的成功抓取行为进行分析。对感觉运动皮层缺血性损伤小鼠的研究结果表明，在缺血性卒中后对非受损肢体进行两周训练，会至少在七天内抑制受损肢体的使用¹³。如图4所示，在单侧缺血性损伤后接受15天非受损肢体训练的小鼠，在随后七天的受损肢体评估中，成功抓取尝试次数更少。而在卒中后15天内未接受任何训练（对照组）的小鼠，则能在七天的受损肢体评估期内恢复成功获取意大利面的能力。该效应在非受损肢体训练结束后，可持续至后续长达28天的受损肢体评估期²⁰。

PMRT 还可用于评估抓取动.......

讨论

PMRT 代表了一种简单且定量的方法，用于评估小鼠的熟练抓取能力。尽管耗时，但即使是先前无经验的本科生，也只需经过几次培训即可学会收集可靠且可重复的数据。该任务足够敏感，能够检测到小鼠在缺血性损伤后运动技能发生的轻微变化^{3, 13, 15}，许多研究已引用其在多种训练方案下可检测到长期的功能缺陷^{15, 20, 22}。由于该任务为单侧性操作，因此可指定小鼠使用哪一侧肢体完成任务。PMRT 的这一特性使其在研究损伤后的适应性行为与神经可塑性，以及因依赖较少受损肢体而导致的非适应性与代偿性改变方面均具有有效性。此外，该任务也适用于双侧肢体协同使用的研究，此类研究已在大鼠模型中开展，但目前尚未在小鼠中进行²³。

当前方案最关键的方面包括：在训练前准确确定小鼠的偏好肢体、在损伤前训练小鼠熟练掌握精细运动任务，以及在术后训练的第一周内将小鼠从偏好/受损肢体取食转换为非偏好/较少受损肢体取食。为在训练前准确确定偏好肢体，重要的是在塑形阶段允许小鼠在完整矩阵中取食意大利面。应鼓励小鼠进行取食动作，但不应奖励其取食行为，以免无意中强化其.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
取食室			取食室由实验室自制，材料为有机玻璃（Plexiglas）
意大利面矩阵块			意大利面矩阵盒由实验室自制，使用一块较重的塑料块加工而成
细意大利面（Capellini）	DeCecco		DeCecco 品牌的细意大利面可在杂货店或通过亚马逊等在线零售商购买