本文所述实验方案的目的是在大鼠中诱导出类似强迫的行为,以用于研究强迫症(OCD)。该行为是通过减弱表明压杆反应能够有效获得食物的信号而诱发的。
本文所述实验方案的目的是在大鼠中诱导出类似强迫的行为,以用于研究强迫症(OCD)。该行为是通过减弱表明压杆反应能够有效获得食物的信号而诱发的。
在强迫症(OCD)的信号衰减大鼠模型中,大鼠按压杠杆以获取食物后,会呈现一个复合刺激作为反馈提示。随后,通过反复单独呈现该刺激而不给予食物(且大鼠未执行按压杠杆反应),使该反馈逐渐减弱。在下一阶段,在消退条件下评估大鼠的按压杠杆行为(即不再给予食物)。在此阶段,大鼠表现出两种类型的按压行为:一种是按压后试图获取奖赏的行为,另一种则无此尝试。后者是该模型中类强迫行为的测量指标。一种对照程序中,大鼠不经历反馈提示的衰减过程,可用于区分信号衰减效应与消退效应。信号衰减模型是一种经过高度验证的强迫症模型,能够区分类强迫行为与虽重复但非强迫性的行为。此外,该程序中采集的指标可排除被测试组间差异的其他解释,且具有定量性、无偏倚性,并不受实验者间变异的影响。该模型的主要缺点包括设备成本较高、需要一定的技术经验,以及相较于其他强迫症模型更为耗时(共11天)。该模型可用于检测药物或非药物干预对强迫行为的抑制或促进作用,并可用于研究强迫行为的神经基础。
强迫症(OCD)是一种主要的精神疾病,在普通人群中的发病率为1%至3%1,2。患有强迫症的个体常出现反复、侵入性且不受意愿控制的思维(强迫观念)和/或重复的仪式性行为(强迫行为)3。目前,强迫症具体的神经病理机制尚未完全阐明。然而,已有研究证实,5-羟色胺能4-7、多巴胺能8,9以及谷氨酸能10系统在该疾病中发挥作用。此外,眶额皮层、扣带皮层、基底神经节以及顶叶内的某些脑区也被认为参与了强迫症的病理生理过程7,11-13。最后,有报道指出,与卵巢激素水平波动相关的生活事件(例如,分娩、排卵)可诱发或加重女性患者的强迫症症状14-16,提示卵巢激素在强迫症中具有调节作用17。
由于目前对强迫症(OCD)潜在机制的理解仍不充分,因此使用能够准确模拟其行为和神经表现的合适动物模型,对于推进我们对其生物学基础的认识至关重要。此外,这类模型有助于开发新的治疗手段。这一点在强迫症的研究中尤为重要,因为许多患者对治疗无反应,或仅表现出症状的部分缓解18,19。事实上,近年来针对强迫症的遗传学、药理学和行为学动物模型(详见文献20-28综述)已不断扩展并深化了我们对该疾病的认识。
强迫症(OCD)最广泛使用的动物行为模型之一是信号衰减大鼠模型(综述见29)。该模型的理论假设是,目标导向行为成功执行后所伴随的反馈功能缺陷,会导致强迫性反应30-37。该模型由Joel及其同事开发28,基于大鼠的操作性行为。在初始训练阶段,大鼠按压杠杆后会获得食物颗粒作为奖励。一次成功的按压杠杆动作,除了给予食物奖励外,还会同时触发食盒灯亮起和声音提示,从而为大鼠提供反馈,表明按压杠杆的行为已成功获得食物。接下来,通过反复呈现该刺激但不给予奖励的方式,有意削弱刺激对奖励传递的信号作用(重要的是,此阶段箱体内无杠杆)。类强迫行为在训练的最后阶段出现。在测试阶段(在消退条件下进行),按压杠杆后仅呈现刺激,但不给予食物奖励。所谓“强迫性”行为表现为多次按压杠杆后,大鼠并不尝试获取奖励。抗强迫/促强迫效应则表现为“强迫性”按压杠杆次数的减少/增加。由于信号衰减涉及消退过程,因此有必要区分信号衰减效应与单纯的消退效应(per se)。因此,在对照组(常规消退组)中,复合刺激在测试阶段前未经历衰减处理。具有抗强迫/促强迫作用的干预措施不应改变该组中“强迫性”按压杠杆的次数。(更多细节参见29)。
“强迫性”压杆行为模仿了强迫症(OCD)患者所表现出的过度且无必要的行为特征。因此,信号衰减模型具有良好的表面效度。此外,基于该模型开展的研究表明,其同时具有良好的预测效度和结构效度(详见文献20,21)。该模型的预测效度源于多项研究结果,这些研究显示,已知可改善强迫症症状的药物能够减轻模型中的强迫性压杆行为38,39,而对丘脑下核进行高频刺激同样具有抑制作用40,这种刺激方式在人类强迫症患者中已被证实具有抗强迫作用41,42。此外,一些在强迫症治疗中无效的药物,在该模型中也未表现出抗强迫效应38,39。该模型还具备良好的结构效度,因为研究表明,强迫症的临床症状与通过信号衰减在大鼠中诱导出的类强迫行为涉及相似的神经机制。因此,在强迫性压杆行为中,已证实5-羟色胺能系统43–46、多巴胺能系统39,46和谷氨酸能系统47的参与,以及与强迫症相关的脑区的作用40,44,48–50。此外,研究发现卵巢激素可调节雌性个体中的强迫性压杆行为51。因此,信号衰减模型是探索强迫症神经机制以及筛选新型抗强迫疗法的有力工具。有关信号衰减模型的临床相关性及其在强迫症研究中的应用价值的全面讨论,参见文献20–22,29。
注:所有实验方案均遵循以色列特拉维夫大学机构动物护理与使用委员会以及美国国立卫生研究院(NIH)的指导原则。所有努力均旨在尽量减少使用动物的数量及其痛苦。
1. 动物准备
2. 实验设置
3. 动物处理与食物限制
4. 训练程序
以下结果基于 Brimberg et al., 200752。所有图示均已获爱思唯尔(Elsevier)许可重新印刷。
在本研究中,我们检测了Sprague Dawley(SD)雄性大鼠在信号衰减模型中的行为表现。首先,在实验1中,我们测试了选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRI)帕罗西汀在PTSA实验中的三个剂量效应(每组n = 10)。在测试阶段,帕罗西汀呈剂量依赖性地减少了ELP-C的数量(图1A;方差分析显示剂量主效应显著,F(3,22) = 5.15,p < 0.01)和ELP-U的数量(图1B;方差分析显示剂量主效应显著,F(3,22) = 7.99,p < 0.001)。

图 1. 该图展示了一项典型的剂量-反应实验,比较选择性5-羟色胺再摄取抑制剂帕罗西汀在不同剂量下对雄性大鼠信号衰减后ELP-C与ELP-U的影响。 显示在PTSA实验程序测试日接受溶剂或1、5或10 mg/kg帕罗西汀处理的大鼠,其额外压杆行为的平均值与标准误:(A) 随后伴随食盒进入的额外压杆次数(完成试验中的额外压杆,ELP-C);(B) 未伴随食盒进入的额外压杆次数(未完成试验中的额外压杆,ELP-U)。经52许可重印。
在实验2中,我们测试了在实验1中最有效的药物剂量(5 mg/kg),并在PTSA和RE两种程序中进行了验证(每组n = 10)。在测试阶段,帕罗西汀在PTSA和RE两种程序中均减少了ELP-C的数量图2A;双因素方差分析,操作的主效应,F(1,32) = 6.50,p < 0.05;药物主效应,F(1,32) = 8.69,p < 0.01;程序 X 药物相互作用,F(1,32) = 0.43,p = 0.52),此外还表现出抗强迫效应, 即, 减少了PTSA中的ELP-U数量,但在RE手术中未见减少(图2B;操作的主效应,F(1,32) = 9.60,p < 0.01 < 0.005;药物的主效应,F(1,32) = 5.75,p < 0.05;药物相互作用的程序 X,F(1,32) = 4.83,p < 0.05 < 0.05).

图2. 本图展示了一项代表性实验,比较信号衰减(SA)与常规消退(RE)对经生理盐水和帕罗西汀处理的雄性大鼠ELP-C与ELP-U的影响。 在PTSA和RE实验测试日,接受溶剂或5 mg/kg帕罗西汀处理的大鼠的(A) ELP-C和(B) ELP-U数量的平均值及标准误。经52许可重印。
强迫症的信号衰减大鼠模型是一种研究强迫样行为的强有力的行为学模型。该模型具有较高的表面效度、预测效度和构念效度20,21,已被广泛用于研究该行为的神经基础39,43-45,48、对药物干预的反应38,39,43,47,53,54、对深部脑刺激的反应40,46,50,以及卵巢激素对该行为的调节作用51。因此,该模型是研究强迫症的一种有价值的动物模型。
在信号衰减模型中,强迫性压杆行为相较于其他实验诱导的重复性行为(如消退爆发和持续性行为)具有多项优势。首先,强迫性压杆行为与人类强迫行为之间的相关性已得到充分证实,而其他重复性行为(常被称为类强迫行为)的有效性较低,或从未经过验证20-22。值得注意的是,行为重复/持续现象广泛存在于多种精神疾病中55-62,因此,准确验证目标行为是否具有类强迫特征至关重要。此外,在PTSA实验过程中收集的多种行为指标(即大鼠在测试阶段对无强化作用的压杆的按压次数,或总的鼻触次数)有助于排除各实验组之间在强迫性压杆行为上差异的其他解释。例如,过度压杆可能反映的是整体运动活动的增加,在这种情况下,通常会伴随无强化压杆按压次数的增加(因此,该指标也可避免额外进行如旷场实验等其他行为测试)。另一方面,若某些干预措施导致大鼠总体鼻触次数普遍增加,则可能间接导致强迫性压杆行为减少,即使这些干预本身并不具备真正的抗强迫效应。在测试阶段之前收集的其他指标(如压杆训练阶段的过度压杆次数、信号衰减阶段完成的试验次数)可帮助实验者排除测试阶段组间差异源于前期学习能力差异的可能性。值得注意的是,实验各阶段收集的所有行为指标均为定量数据,因而具有客观性,不受主观解释影响,且不受实验者间差异的干扰。
信号衰减模型的一个缺点是需要特殊设备(由计算机操作的条件反射箱、用于操作这些箱子的相应软件), 等等。这使得该实验既昂贵又具有一定复杂性,需要操作人员具备专业技能,能够熟练进行临时故障排除以及日常设备维护。此外,由于该模型基于习得性而非自发性行为,且包含多个阶段,因此与其他一些强迫症动物模型相比,耗时相对较长(11天)。然而,根据我们的经验,经过适当培训后,掌握该实验所需的专业技能相对容易。同时,由于所有设备均由计算机控制且几乎完全自动化,可高效地同时运行大量大鼠,从而降低了时间成本。此外,实验结果易于计算,无需手动编码或特殊处理。最后,操作箱具有高度多功能性,一旦配备,除信号衰减实验外,还可用于多种行为学实验,因此具有极高的成本效益。
另一个在使用该模型时应予考虑的因素是,由于其过程耗时且包含多个阶段,可能并不适用于慢性治疗或发育研究。为了不影响大鼠在行为实验初始阶段的学习能力,若需实施慢性治疗,则必须中断实验流程,这将进一步增加实验的时间成本。此外,该中断不能发生在测试阶段之前,因此接受慢性治疗的大鼠将在治疗影响下经历信号衰减阶段,这可能在测试阶段开始前就改变其行为,从而使结果的解释变得困难。关于发育研究,同样由于该模型耗时较长,无法用于极年幼的大鼠例如, 小于46日龄的大鼠不可用于测试)。此外,大鼠无法进行重复测试,因此在每个研究年龄阶段都必须训练新的大鼠,从而排除了使用纵向设计的可能性。
上文提到的信号衰减模型的一个重要方面是,大鼠动情周期中卵巢激素水平的波动会调节强迫性压杆行为51。这一方面对于研究女性性腺激素如何影响强迫行为机制的研究人员尤为重要。尽管尚未检测雄性性腺激素对强迫性压杆行为的影响,但这些或其他因素可能会影响该模型中雄性大鼠的表现,因为在该模型中,雄性和雌性大鼠在各项反应指标上的变异性相似51。因此,对于不旨在研究性腺激素作用的研究人员,可同时使用雄性和雌性大鼠,而无需测定这些激素的水平。
总之,尽管强迫症信号衰减大鼠模型存在一些不足之处,例如实验周期较长,且需要特殊设备和一定的技术知识,但它为评估大鼠的强迫行为提供了一种敏感且可靠的方法。此外,该模型能够区分真正的强迫行为与其他非真正强迫性的重复性/持续性行为。因此,该模型非常适合用于评估潜在的抗强迫治疗手段,采用该模型的研究有助于拓展我们对强迫症神经基础的认识,而目前这些神经机制仍尚未被充分阐明。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由以色列科学基金会(资助编号 592/12)资助给 DJ
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 大鼠用模块化测试箱 | Campden Instruments Ltd. | Model 80003M | |
| 模块化测试箱用食丸槽 | Campden Instruments Ltd. | Model 80210M-R | 带头部进入口和门 |
| 低剖面可伸缩反应杠杆 | Campden Instruments Ltd. | Model CI4460-M | 每箱配备2个杠杆 |
| 刺激灯 | Campden Instruments Ltd. | Model 80221 | |
| 食丸分配器 | Campden Instruments Ltd. | Model 80209-45 | 配备45 mg可更换食丸尺寸转轮 |
| 小鼠鼻触装置 | Campden Instruments Ltd. | Model 80116S | 带刺激灯 |
| Sonalert 声音刺激系统 | Campden Instruments Ltd. | Model SC628 | |
| ABET II 完整起始套装 | Campden Instruments Ltd. | Model 88501*C | 配备220 VAC/50 Hz电源 |
| 隔音测试箱 | Campden Instruments Ltd. | Model 80600A-SAC | 配备观察孔和28 VDC通风风扇面板 |
| 动物行为环境测试系统(ABET)II | Lafayette Instrument Neuroscience, Indiana, USA | Model 89501 | |
| 个人计算机 | 最低配置1.8 GHz处理器,运行Microsoft Windows XP(SP3)或Win7操作系统 | ||
| 45 mg无尘精密食丸 | PMI Nutrition International, Indiana, USA | Formula. P/AlN-76A | 容器须严密封闭,以防受潮 |