本文提供了详细的训练方法，指导如何训练大鼠自愿潜入水下，通过一个长5 m的有机玻璃迷宫。由于大鼠的大脑结构已被充分研究，利用自愿潜水的大鼠可能有助于阐明哺乳动物潜水反应的中枢神经通路。
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本文内容
摘要
摘要
水下潜没会引起几乎所有潜水动物都会出现的自主性生理变化。这种反射性反应包括呼吸暂停、副交感神经介导的心动过缓，以及交感神经介导的血管阻力改变，从而维持对心脏、大脑和运动肌肉的血液供应。尽管海洋动物潜水反应的许多代谢和心肺方面已得到广泛研究，但针对该脑干反射中枢整合机制的研究仍相对不足。由于大鼠的生理学和神经解剖学特征已被充分阐明，因此可利用大鼠来帮助确定哺乳动物潜水反应的中枢通路。本文提供了详细的指导，介绍如何训练大鼠在5米长的聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas）迷宫中游泳并自愿潜入水下。同时给出了关于水箱设计和实验操作室条件的考虑因素。行为训练过程经过精心设计，以减少可能因强制性水下潜没而引发的应激反应，从而最大限度地降低中枢应激通路的激活。这些训练程序在技术上并不复杂，但可能耗时较长。由于动物行为训练仅能为其他实验技术提供模型，本文还举例说明了自愿潜水大鼠如何与其他生理学和神经解剖学研究技术结合使用，以及基本训练程序可能需要如何调整以适应这些技术。这些实验表明，自愿潜水的大鼠表现出与其他潜水动物典型的相同的心肺反应。大鼠易于训练以实现自愿水下潜水，且已有大量来自其他神经生理学研究的现成数据，这使得自愿潜水大鼠成为研究哺乳动物潜水反应中枢机制的理想行为模型。
引言
潜水反应包含一系列在所有脊椎动物类别中均可观察到的自主反射1。当动物潜入水中时，这种反射性诱发的反应表现为呼吸暂停、心动过缓以及血流分布的改变，从而维持对心脏、大脑和正在活动的肌肉的血液供应，同时限制对内脏和非活动肌肉的血流2。哺乳动物潜水反应中的许多代谢及心肺功能特征已被广泛研究2,3，包括人类在内的研究也已有报道4,5。然而，直到最近，关于潜水反应中枢整合机制的研究仍相对不足。在脑干内部发生了什么？在这一自主反射过程中，从传入信号到传出信号的神经元逐级通路是怎样的？要回答这些问题，需要一个合适的动物模型6。比较生理学中有一条格言，即克罗格原理7，指出对于每一个研究问题，总存在某种最适合用来方便地研究该问题的动物。研究潜水反应中枢机制最合适的动物之一是大鼠6,8。这在很大程度上是因为大鼠的大脑在解剖结构和功能上均已得到充分表征，并且已有多种大鼠脑图谱可供使用6。此外，大鼠在心肺研究中特别有用，因为其全身主要器官系统的生理特性已被广泛了解，且大鼠被公认为系统生物学研究中的重要动物模型6。最后，实验室大鼠是野生挪威鼠（Rattus norvegicus）的驯化形式，而这种动物通常会游泳并潜入水中6。基于上述因素，大鼠是研究哺乳动物潜水反应中枢机制的理想选择。相比之下，使用海洋动物来研究哺乳动物潜水反....
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方案
注意：在中西部大学开展的实验方案已获中西部大学动物护理与使用委员会（IACUC）批准。
1. 房间要求
- 准备一个配有冷热水供应的诊疗室，并配备排水设施，通常为地面设置的排水口，以便排出水箱中的水。
- 使用一张实验台放置潜水箱。由于设有地面排水口的房间地面通常为便于排水而设计成倾斜状，需将橡胶垫片裁短后垫在桌腿下方，以确保台面水平，从而使水箱中的水面保持水平。
2. 潜水气瓶
- 潜水箱构造
- 使用厚度为3/4英寸的有机玻璃（Plexiglas）作为底部，1/2英寸厚的有机玻璃作为侧壁，构建一个矩形水箱（100 × 60 × 15 cm）（图1）。使用氰基丙烯酸酯胶水或三氯甲烷等溶剂将水箱的外部有机玻璃部件永久粘接在一起。
- 使用可拆卸的、厚度为1/2英寸、尺寸为85 × 15 cm的有机玻璃板将水箱分隔为5个通道，每个通道长约100 cm。在水箱底部和边缘永久设置凹槽，以便插入这些通道隔板并固定位置。
- 从通道隔板上悬挂水平的有机玻璃板，形成水下潜水“隧道”的“顶盖”。
- 在水箱的一角设置一个可拆卸的抬高平台，作为大鼠完成游泳和潜水训练后出水休息的“终点区”。大鼠通常在终点区梳理毛发并甩干体表水分。在终点区边缘加装较高的侧壁，以确保....
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结果
成功完成所述的游泳和潜水训练程序可降低大鼠在水下潜水时所经历的应激反应。血液皮质酮水平表明，重复的每日训练可降低与自主潜水相关的应激程度，经过训练的大鼠在潜水时所感受到的应激程度并不比每天被人抓握更高（图2；17）。相反，未经潜水训练的大鼠则认为自主潜水具有应激性（图2；17）。此外，无论是否经过训练，大鼠均认为强制潜水是最具应激性的（图2；17）。
通过植入式遥测装置（图3；8,17-20）和拖尾导管（图4；21-23）记录了游泳、自主潜水和强制潜水大鼠的心血管反应。在自主浸没的瞬间，仅一个心动周期内，心率即下降78%，平均动脉血压下降25%17。这些结果表明，自主潜水的大鼠表现出与其他潜水动物典型的呼吸循环变化相同的特征。通过拖尾动脉导管注射毒蕈碱型拮抗剂阿托品，可消除与自主潜水相.......
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讨论
野生状态下的大鼠能够并且确实会利用半水生环境，并且在觅食时经常潜入水下6。因此，大鼠能够非常容易地被训练来自愿进行水下潜水也就不足为奇了。所描述的训练程序可能持续长达6周，使刚断奶的大鼠达到大多数成年大鼠脑图谱中常用的身体大小（约300 g）。因此，这些经过训练的动物的大脑将更易于与这些图谱中所确定的解剖结构进行比较。
将大鼠放入起始区域后，大多数大鼠通常会在20秒内开始水下游泳。然而，偶尔也有大鼠可能需要长达5分钟甚至更长时间才会开始自主潜水。尽管在此阶段可能会倾向于迫使大鼠进入水下通道，但通常应避免这样做，以防大鼠将水环境与负面体验联系起来。啮齿类动物可能较为固执，在训练初期有时会拒绝潜水，但一旦它们意识到离开水的唯一方式是完成迷宫中的潜水路径，通常在被放入起始区域后不久便会主动开始潜水。
重复且系统化的训练程序的一个关键方面是，其实施方式应尽量减少大鼠所经历的压力。允许大鼠探索周围环境，尤其是在试次之间的终点区域时，似乎能进一步降低其压力水平。大鼠常常会重新进入水中游泳，或在仍坐在终点平台时将头部潜.......
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披露
作者是 Stoelting 公司的顾问，并出于商业目的向该公司提供了 McCulloch Dive Tank Maze 的整体设计和规格。
致谢
本研究由中西部大学研究与资助项目办公室的资助支持。同时感谢中西部大学动物设施和 Erik Warren。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| McCulloch 潜水迷宫水箱 | Stoelting 公司 | 60139 | |
| 内径 1 英寸的管路 | Fisher | 14-169-63 | 用于注水或排水 |
| Plexiglas 大鼠固定装置（经济型平底固定器） | Braintree | FB-M/L | 用于强制潜水 |
| 遥测发射器 | DSI | 型号 PA-C40 (270-0040-008) | 用于传输脉动性动脉血压信号 |
| 手持式天线探头 | DSI | 型号 RLA 3000 (272-5007) | 确保在大鼠穿越水下迷宫时，无线电天线靠近发射器 |
| Intramedic PE50，内径 0.023" | Fisher | 14-170-12B | 用作拖尾式动脉插管 |
| N95 口罩 - Moldex #2300N 系列 | Fisher | 19-003-246D | 用于减少吸入大鼠过敏原 |
参考文献
- Butler, P. J., Jones, D. R. Advances in Comparative Physiology and Biochemistry. Lowenstein, O. 8, Academic Press. 179-364 (1982).
- Butler, P. J., Jones, D. R. Physiology of diving birds and mammals). Physiol. Rev. 77, 837-899 (1997).
- Butler, P. J.
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重印与许可
