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方法文章

利用巴恩斯迷宫和遇险少女范式分析小鼠的空间学习与亲社会行为

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DOI：

10.3791/58008

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2018年11月17日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biology, Hampden-Sydney College, 2College of Medicine at the Medical University of South Carolina, College of South Carolina

本文内容

摘要

本方案采用巴恩斯迷宫测量空间学习和记忆能力。通过一种新颖的“危难中的少女”范式来评估小鼠的运动活动性和亲社会行为。

摘要

巴恩斯迷宫是一种可靠的测量空间学习和记忆的方法，无需食物限制或施加极度应激刺激。巴恩斯迷宫还可评估其他小鼠行为，例如逃离迷宫平台的一般动机以及探索行为。该迷宫可用于检测基因突变或环境变量是否会影响空间记忆的获得与保持，并提供有关小鼠所采用搜索策略的信息。本文中，我们利用巴恩斯迷宫检测成年小鼠在单次发育期乙醇暴露后是否出现记忆缺陷。“困境中的少女”范式（Damsel-in-Distress paradigm）使雄性小鼠暴露于一只被困在开放场地中央区域小室中的雌性小鼠。该范式为小鼠提供了对被困雌性做出社会性反应并表现出亲社会行为的机会。“困境中的少女”范式也可用于研究小鼠在新型场地中的行为，并测量其运动活动性。巴恩斯迷宫和“困境中的少女”实验方案均无需高昂经费投入，且大部分实验装置可利用常见的实验室耗材构建。这些灵活且易于获取的工具还可用于检测发育过程中行为的变化。

引言

本实验方案的目的是利用巴恩斯迷宫检测小鼠的空间学习和记忆能力，同时采用“困境中的少女”范式评估其社交反应性和运动能力。常用于啮齿类动物的空间学习和记忆测试包括放射臂迷宫，该迷宫通过测量小鼠在多臂装置中寻找某一臂内隐藏食物的能力来评估认知功能；以及莫里斯水迷宫，该方法将小鼠置于盛有大量水的水槽或水池中，记录其找到隐藏于水下的平台所需的时间。通常，这些实验范式需要进行多次训练试验，能够通过短期和长期记忆测试来评估学习获得速度以及记忆保持能力。

尽管放射臂迷宫和莫里斯水迷宫是检测啮齿类动物记忆的可靠方法，但对某些研究者而言存在操作上的困难。这两种迷宫均依赖剥夺手段或强烈的厌恶刺激作为强化方式1。放射臂迷宫通过食物剥夺来确保啮齿类动物有足够动机去寻找食物奖励。而在莫里斯水迷宫中，被迫游泳所引起的压力效应可能会影响小鼠的行为结果2。

Barnes迷宫是一种替代性的空间感知任务，要求啮齿类动物学会识别一个洞的位置，以便逃离明亮且开阔的迷宫表面3。通过施加较弱的厌恶刺激（如光线或声音），可提高小鼠逃离平台的可能性。Barnes迷宫不需要食物剥夺，因此动物准备的工作量较放射臂迷宫更少。对于研究与进食行为、激素调节或下丘脑通路相关行为或分子的研究人员而言，该方法可在无干扰的情况下使用。

Barnes迷宫相较于Morris水迷宫也具有优势。它比Morris水迷宫带来的应激性更低，导致小鼠体内皮质酮水平升高较少4。此外，该实验装置组装更为简便，在测试过程及储存期间所需专用空间也更少。

困境中的雌性小鼠实验是一种简单的两部分实验，可用于评估动物的运动活性，随后评估其亲社会行为。该实验旨在评估雄性啮齿类动物对被困雌性啮齿类动物所表现出的探索行为和社会反应性。一种常用于评估社会性（以及对社会新奇性的偏好）的方法是 Crawley 三室社会性实验，该方法通过检测小鼠自由选择在其他小鼠附近或远离其他小鼠的时间来评估其社会偏好5。

与克劳利的三室社交性测试类似，落难少女实验（Damsel-in-Distress assay）也用于测量小鼠在另一只小鼠存在时如何自由分配时间的选择行为，但它还能进一步评估社交功能的更深层次方面：1）在落难少女实验中，被困的雌性小鼠被置于开阔场地的中央，因此雄性小鼠对开阔场地可能存在的厌恶感会与其探索或调查一只处于困境中的同种雌性小鼠的社交动机形成竞争。2）落难少女模型还提供了一种评估对被困小鼠产生亲社会行为和共情行为的方法，而这类行为在小鼠中尚未被频繁研究。

动物共情显然可以被观察和测量，但目前用于此目的的实验范式并不多。例如，在大鼠中，一只被困的同伴能够诱发一种亲社会动机状态，使大鼠会主动努力解救被困的个体。事实上，大鼠甚至会优先选择帮助被困的同伴，而不是先打开另一个装有巧克力零食的相似容器获取食物，之后再取食巧克力并与刚被解救的大鼠分享6。

在小鼠中，共情的测量通常涉及施加疼痛；事实上，观察其他小鼠遭受疼痛的小鼠自身对疼痛更为敏感7,8。限制性应激是啮齿类动物中一种特征明确的现象，已被与电击结合用于研究应激反应，作为小鼠共情的一种测量方式9,10。

诱发疼痛或电击涉及伦理问题，因此需要采用不引起疼痛或电击的应激替代方法。我们开发了“困境中的少女”范式，用于在不施加疼痛或电击的情况下测量共情行为。在本范式的实验流程中，被困小鼠因无法在狭小容器内转身，仅数分钟后即表现出明显的痛苦迹象；然而这些小鼠并未受到伤害，同时为其他小鼠提供了对其痛苦做出反应的机会。

开始“困境中的少女”评估时，将一只雄性小鼠放入一个大型的新环境中，该环境包含一个位于中央的小型空圆筒。记录数分钟内的探索行为，包括小鼠穿越的区域格数以及在中央开阔区域所花费的时间。该方法可快速简便地排除运动功能障碍对需要协调运动才能成功完成的学习任务可能造成的干扰。同时，该方法也可提供对中央开阔区域回避程度的基本评估。这两项指标均可能影响巴恩斯迷宫的表现。

初步探索结束后，将雄性小鼠从实验区域移除，并将一只雌性小鼠放入一个封闭的、透明的小型中央圆柱形容器中（类似于用于采集小鼠血液的装置）。随后，将原来的雄性小鼠重新引入实验区域，再次记录其探索行为。困境中的雌性小鼠范式（Damsel-in-Distress paradigm）用于评估小鼠在存在被困雌性时是否对社交互动感兴趣（通过在中心方格停留的时间和挖掘行为次数进行评分），以及该小鼠是否对被困雌性表现出亲社会行为（通过探究圆柱体的次数以及与被困雌性接触事件的数量进行评分）。根据研究人员选择将熟悉的小鼠还是新异小鼠置于困境中，Damsel-in-Distress检测可用于测量小鼠对社交新奇性的倾向性（类似于Crawley的三室社交偏好测试）。

Barnes迷宫实验与遇险小鼠实验相结合，可在不使用高度应激性刺激的条件下，准确评估小鼠的学习能力和社会反应性。与所有行为学检测一样，这些实验应充分考虑动物的体验，尽可能减少动物所经历的不适。

与大多数迷宫实验类似，运动活动性的差异可能会影响巴恩斯迷宫中的表现，因此研究人员还应评估动物的运动活动性，尤其是在利用巴恩斯迷宫检测可能存在运动障碍的突变小鼠（例如亨廷顿病小鼠模型，或暴露于可能引起过度活跃或运动迟缓的毒素如乙醇的小鼠）的学习能力时。此外，每次实验后应彻底清洁迷宫和实验箱表面，并更换垫料，以避免气味线索的干扰。

重要的是，所有材料均可在现场制备，几乎无需大量资金投入 ，且这些检测方法占用空间小，意味着实验几乎可在任何环境中重复进行，具有很高的灵活性。这种可及性使得资源有限的小型科研机构，或在缺乏充分支持的情况下需要快速获取初步数据的研究场景，也能够开展高质量的科学研究。

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方案

本文所述所有方法均经汉普登-悉尼学院或兰道夫-马康学院的机构动物照护与使用委员会（IACUC）批准（部分工作此前在这些机构完成）。

1. 小鼠的基本饲养

  1. 将小鼠饲养在底部和侧面为塑料材质的笼子中，笼内铺有柔软的垫料和筑巢材料（如碎纸屑）。使用由粉碎的玉米芯或木屑制成的垫料，并确保定期更换垫料以保持卫生。
  2. 提供自由摄取的食物和水（ad libitum）。塑料笼盖上设有饲料槽，通过饲料槽 提供配制合适的小鼠颗粒饲料，并配备饮水瓶。确保笼盖装有空气过滤器，以保护小鼠免受外界污染物侵染。
  3. 维持饲养环境中的自然昼夜节律，采用12小时光照-12小时黑暗的循环周期。行为学测试应在每天相同的时间进行，最好在动物的黑暗周期内，例如傍晚时段。
    注意：应采取措施区分饲养中的小鼠个体。可采用多种区分方法，例如耳孔标记、耳标或尾部标记。

2. 巴恩斯迷宫测试：构建

  1. 准备一个直径为 120 cm 的圆形木板。
  2. 在圆周边缘周围切割 20 个直径为 4.5 cm 的圆形孔洞。每个孔洞距离迷宫边缘 2.5 cm，相邻孔洞之间相距 13 cm。
  3. 打磨表面并涂上亮白色油漆（建议使用明亮的颜色）。
  4. 在迷宫板的一侧，为每个圆形孔洞附近约 2–3 cm 处安装小号杯钩 ，每个孔洞两侧各安装两个钩子（每个孔洞两侧各一个）。
  5. 使用浅黑色（塑料）圆盘覆盖带有钩子一侧的孔洞。利用钩子固定粗橡胶带，以将圆盘固定在迷宫底部。
  6. 将巴恩斯迷宫牢固地安装在离地面 120 cm 的高度，并远离其他类似高度的物体（如桌子或椅子）。可使用箱子或凳子支撑迷宫中央。
  7. 在迷宫三面墙上的大白色海报上分别绘制一种形状（三角形、圆形和十字形），作为迷宫外线索。每次试验时均需保持这些海报在迷宫周围墙上的位置不变。
  8. 在迷宫最后一侧设置一个实心黑色窗帘，以遮挡观察者，确保研究人员不会被迷宫上的小鼠看见，从而准确记录数据。
  9. 在迷宫正上方悬挂一台摄像机，使其能够以俯视视角完整拍摄整个迷宫表面。
  10. 每次小鼠实验前后，均需先用清水、再用 70% 乙醇溶液彻底清洁迷宫的所有表面（包括黑色圆盘和目标箱）。
  11. 在迷宫中心正上方 25 cm 处悬挂一个 100 W 的光源（在试验开始/结束时打开/关闭），并确保圆盘和钩子朝向地面。
    注意：测试期间应关闭房间内所有其他顶灯。建议在 100 W 光源旁悬挂一个超声波发声装置，并在每次试验开始/结束时同步开启/关闭。

3. 巴恩斯迷宫测试：操作步骤

注意：每次试验前后，务必使用水和70%乙醇溶液清洁迷宫的各个组件，并留出足够时间使其完全干燥后再继续测试。确保准备好清洁用品以及试验用计时器。

  1. 将小鼠分组饲养，并采用可靠的标记方法进行识别。在不进行迷宫测试时，将小鼠置于测试室外，以确保它们不会过早暴露于超声发声装置。
  2. 抓取和握持小鼠时，应轻柔地抓住其尾根部，同时使其四肢保持在操作者的手掌上。
  3. 训练期间，每天让小鼠在迷宫中运行一次，连续7天，以评估其学习与获取能力。
    注：可在后续时间进行一次长期试验以评估记忆保持能力。本实验方案从出生后第32天 开始训练青春期小鼠，并在成年期（4月龄）进行长期试验。
  4. 为每只小鼠随机分配一个目标孔，并在整个测试期间固定使用该孔。可在迷宫底部或迷宫外围外侧标记1-20编号，确保小鼠在迷宫内无法看到这些标记。
  5. 将分配的目标孔圆盘替换为一个小型黑色箱体（23 × 11 cm），并使用橡皮筋将其牢固地固定在巴恩斯迷宫上，连接至最近的挂钩。
    注：目标箱应足够浅，以便小鼠可轻松步入其中，或内置台阶，确保小鼠无需跳跃即可进入。
  6. 将小鼠放置于迷宫中心，并用杯子罩住，使其适应环境30秒，随后开始测试。同时启动视频记录。
  7. 打开光源和超声发声装置，通过绳索装置提起杯子，以避免对动物初始行进方向造成干扰。启动计时器，并坐在帘幕后进行观察。
  8. 当小鼠进入目标孔后，立即用与试验开始时相同的不透明杯子或文件夹盖住该孔，并关闭超声发声装置。若小鼠在5分钟内未进入目标孔，则引导其进入目标孔。
    1. 确保小鼠完全进入孔内。当小鼠进入目标箱后，盖住孔洞并关闭发声装置，让小鼠在目标箱内不受干扰地停留1分钟。
  9. 尽管每只小鼠在整个训练期间的目标孔保持不变，但每天应以随机顺序进行测试，以避免小鼠依赖前一只小鼠留下的线索或气味。

4. 巴恩斯迷宫测试：数据分析

  1. 在巴恩斯迷宫实验过程中，记录以下时间数据：小鼠在迷宫中的总停留时间、找到目标所需时间，以及若进入目标孔洞时进入目标孔的时间。
  2. 追踪小鼠的整体运动情况，以确定在找到目标前后所犯错误的次数（即探索的错误孔洞数量）。同时记录从目标孔到首次探索孔的距离（以相隔孔洞数量衡量），并记录任何显著的理毛行为。
  3. 在每次实验过程中，使用带有迷宫示意图的纸张记录每只动物的运动轨迹，用于分析其搜索策略，并统计在目标所在象限对侧象限中探索的孔洞数量。通过视频分析验证运动路径。

5. 受困少女测试：束缚室的构建

  1. 将一个透明圆筒切割至长度等于雌性小鼠从尾基部到鼻尖长度的¾。确保圆筒的尺寸使放入其中的小鼠无法转身。
    注意：我们通过将50 mL锥形管的锥形端切下，制成适用于1月龄小鼠的4 cm长管和适用于4月龄小鼠的8 cm长管。
  2. 将圆筒两端封口，其中一端的封口可拆卸并重新安装。在每个封口上打3–4个孔，直径约0.5 cm。确保孔足够大，以允许小鼠之间鼻部接触及正常呼吸12。
    注意：也可使用小鼠采血时用于固定的小鼠束缚装置。

6. 受困少女测试：准备实验场地

  1. 确保实验区域为一个不透明、无顶盖的塑料方形箱，尺寸为 38 x 38 cm，侧壁高 19 cm。将玉米芯垫料均匀铺满箱底，厚度约为 2.5 cm。
    注：使用玉米芯垫料可使挖掘行为更易于被观察。
  2. 在实验区域正上方悬挂一台视频摄像机，确保整个实验区域均在视野范围内。

7. 受困少女测试：探索行为测量

  1. 将密闭且空置的应激室置于实验区域中央。
  2. 启动悬置摄像头开始录像。
  3. 选取一只雄性小鼠。若小鼠已标记以供识别，请记录该雄性小鼠的身份信息；若未标记，则对该小鼠进行标记，以便在放回笼中后仍可辨识。
  4. 轻轻地将雄性小鼠放置于实验区域左下角的一个倒扣杯下。30 秒后，通过绳索装置移除杯子。
  5. 让小鼠自由探索 10 分钟，在此期间注意避开其视野范围。10 分钟结束后，将小鼠从实验区域中移出，并放回饲养笼中静置 5 分钟12。
  6. 停止录像，并使用适当的标识符保存视频文件。

8. 受困少女测试：社会反应性测量

  1. 使用与探索行为测量相同的实验装置和录像设备。
  2. 选择一只雌性小鼠。如果小鼠已标记用于识别，请记录该雌性小鼠的身份信息；若未标记，则对该小鼠进行标记，以便在放回笼子后仍可辨识。
    注意：可根据研究问题选择同窝小鼠、同笼小鼠或陌生小鼠。若进行多次试验，应保持所有试验中小鼠间关系类型的一致性。
  3. 必要时，轻轻抓住雌性小鼠尾根部或采用颈部固定法，将其放入固定装置中。关闭后端开口，确保其无法转身。
    注意：建议佩戴防咬手套，因为雌性小鼠可能会抗拒进入固定装置。
  4. 启动悬置摄像机开始录像。
  5. 将装有被固定雌性小鼠的固定装置置于共情实验箱中央，让雌性小鼠适应环境10 min。操作过程中注意避开雌性小鼠的视野范围。
  6. 雌性小鼠在固定装置中放置5 min后，按照之前相同的方法将标记过的雄性小鼠重新放入共情实验箱中。允许雄性小鼠再用5 min时间探索实验箱，操作时仍需注意避开小鼠的视野。
  7. 停止录像，并使用适当的标识保存视频文件。
  8. 5 min结束后，将两只小鼠从实验箱中取出并放回各自笼中。更换玉米芯垫料，并使用70%乙醇对实验箱和应激室进行消毒12。

9. 受困少女测试：数据分析

  1. 可以使用追踪软件，也可以手动分析视频。当视频文件在计算机上可见后，将一张透明片覆盖在屏幕上，用记号笔勾勒出实验区域的方框，并将该方框均分为九个相等的区域。
  2. 回顾雄性小鼠初次探索阶段前5分钟的视频数据。记录小鼠穿过的区域数量（运动活性/探索行为）、在中央区域停留的时间（开阔场地回避）、挖掘和理毛行为发生的次数，以及小鼠触碰空置中央束缚装置的次数。
    注意：雄性小鼠10分钟初始探索阶段的后5分钟不进行评分，且当雌性小鼠被困于中央腔室而雄性不在场时的10 分钟也不进行评分。
  3. 在将雄性小鼠重新放入实验区域与被困雌性共处后，立即回顾社交反应性测试阶段5分钟的视频数据。记录项目与初始探索阶段相同，此外还需记录雄性小鼠与被困雌性小鼠鼻部接触的次数。

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结果

巴恩斯迷宫

为了说明如何使用巴恩斯迷宫，我们研究了单次早期乙醇暴露是否会在小鼠发育过程中引起学习能力的差异。在出生后第6天，C57Bl6/J小鼠分别接受两次间隔两小时的注射，注射物为2.5 g/kg乙醇溶液（n = 8）或生理盐水（n = 6）。我们在青春期（P30）对动物进行巴恩斯迷宫训练，然后在成年期（4个月）进行一次长期记忆测试。我们收集的数据可分为以下几个主要类别：1）随时间变化的准确性和错误率，2）目标洞口进入情况，以及3）探索路径的映射。

准确率随时间及错误率的变化：

时间测量包含多个重要方面：到达第一个洞的潜伏期（小鼠在试验开始后探索任一第一个洞所...

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讨论

巴恩斯迷宫和落难少女实验是评估小鼠空间学习能力、运动活动性和亲社会行为的低成本、快速且相对简便的方法。其他优点包括无需对动物施加明显的应激源、疼痛或食物限制。与大多数学习/记忆范式类似，巴恩斯迷宫的一个缺点是动物需要经过多次试验才能学会目标孔的位置并进入其中。

数据收集：

在两种实验范式中观察小鼠活动和行为时，应持续一致地收集数据。对于巴恩斯迷宫实验，这包括记录小鼠首次到达孔洞的时间、探索错误孔洞（错误次数）的数量、到达目标孔洞的时间以及进入目标孔洞的时间。此外，研究人员应绘制每只小鼠在迷宫中的运动路径。可在小鼠运行迷宫的同时，使用巴恩斯迷宫的纸质图进行手动轨迹记录，并通过视频回放确认时间节点和孔洞编号。在手动追踪动物路径时，建议每隔一分钟更换一次笔的颜色，以便区分可能重叠的孔洞探索行为。目前已有多种计算机辅助追踪系统可用于提高数据的准确性和可靠性，例如 idTracker、Ctrax 或 tracktor，其中部分系统为免费或开源软件。

在“遇险少女”实验中，记录的数据...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们汉普登-悉尼学院对肖恩·沃尔登、扎克·莱特纳、亨特·李和安东·凯拉尼参与巴恩斯迷宫和困境中的少女实验方案的测试工作表示感谢和诚挚的谢意。我们还要感谢兰道夫-麦肯学院的詹姆斯·福斯特建造了巴恩斯迷宫，并感谢兰道夫-麦肯学院生物学系提供实验场地。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
困境中的少女
50 mL 圆锥形离心管Fisher Scientific14-432-22任何品牌的 50 mL 圆锥形离心管均可使用
橡胶带Sprano 品牌n/a尺寸为 62，用于将盖子固定在胶合板上
锤子Grainger6R252任何标准锤子均可使用
钉子（8D 规格）Grainger4NFE3类似尺寸的钉子同样适用
不透明、无顶塑料箱AcmePlasticsCUT-TO-SIZE-ACRYLIC-CAST-BLACK-SHEET-2025不透明塑料，裁剪至合适尺寸（长 30 cm × 宽 19 cm × 高 3–6 cm）。可增加台阶结构，确保小鼠入口深度不超过 3.5 cm。 
摄像机（智能手机）N/AN/A任何配备摄像头的智能手机均可使用
防咬手套Kent ScientificGLVDYN02任何能提供适当防护的品牌均可
透明胶片Staples954145任何品牌的透明塑料片均可，用于评分 
巴恩斯迷宫
培养皿Corning353025喷漆后用作巴恩斯迷宫孔洞的盖子
胶合板（3/4 英寸）LP Building Products22487用于构建巴恩斯迷宫
喷漆Krylon1274937用于将培养皿盖喷成黑色，白色喷漆用于涂刷胶合板
杯钩（5/8 英寸）Ace Hardware5360615在通气孔两侧各使用 2 个；橡胶带缠绕在钩子上以保持盖子平整
海报板Creatologyn/a置于迷宫边缘，作为额外的视觉线索
灯泡Phillipsn/a100 W 灯泡，用于实验过程中照明
橡胶带Sprano 品牌n/a尺寸为 62，用于将盖子固定在胶合板上
超声波发声器Victor mini PestChaserM753SN用作厌恶刺激

参考文献

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