利用IntelliCage对阿尔茨海默病多种遗传模型进行认知功能的自动化长期行为检测

摘要

本文介绍了一种利用IntelliCage系统对阿尔茨海默病遗传模型进行认知评估的实验方案，该系统是一种基于操作性条件反射的高通量自动化行为监测系统。

摘要

多种因素——如衰老和基因——常与认知功能下降相关。认知功能下降的转基因小鼠模型（例如阿尔茨海默病（AD）模型）已成为阐明其潜在机制并推动治疗进展的有力工具。其中关键的一步是验证和表征这些模型中预期的行为异常，在AD的情况下即为认知功能下降。为研究衰老影响而进行的动物长期行为学观察需要研究人员投入大量精力。IntelliCage系统是一种高通量且成本效益高的小鼠测试平台，可免除每日人工操作的需要。本文描述了该系统在遗传性阿尔茨海默病模型长期表型分析中的应用，特别聚焦于认知功能。本实验采用重复性测试组合，用于评估空间学习能力和执行功能。这种具有成本效益且依赖年龄的表型分析方法，使我们能够识别基因对不同认知方面所产生的暂时性和/或永久性影响。

引言

过去十年中，神经疾病动物模型的开发为理解其发病机制提供了理论基础，并推动了治疗手段的进步^1,2,3。在遗传性动物模型中应用高通量行为测试组合是一种启发式研究工具，可用于探究人类疾病的潜在机制并筛选药物疗法。传统上，适用于衰老和/或痴呆模型长期观察的研究测试组合往往需要实验室投入大量专业人力和时间。而采用笼内监测系统则是一种具有成本效益的策略，可降低人工行为观察的成本。一些研究团队已开发出基于视觉的自动化工具，用于辅助在小型家庭笼具中对单一个体进行行为表型分析^4,5,6。然而，这类方法限制了社会互动、测试环境的大小，以及包含认知功能在内的多种行为测量指标。IntelliCage 是第二代笼内监测系统，专为在社会性家庭笼具中执行多种认知任务而设计。重要的是，该方法可避免每日人为干预，从而实现对认知功能的长期行为监测；同时无需依赖专业操作技术，有助于获得高度可重复的数据⁷。本文描述了利用自动化笼内监测系统，对近期建立的阿尔茨海默病（AD）遗传小鼠模型进行的长期表型分析与验证⁸

方案

所有实验程序均经机构动物护理和使用委员会批准，并依照理化学研究所脑科学研究所的动物实验指南进行。

1. 设置仪器

注意：自动化笼内监测系统的概览如图1所示。每个系统（39 cm × 58 cm × 21 cm）包含一个微处理器和四个角落腔室，每个腔室配备两个水瓶和一个环形天线，用于检测植入动物体内的应答器的射频识别信号（图1A）。微处理器的识别编号由旋转选择器设定（硬件地址）（图1B），各微处理器的识别编号不得重复。每个角落设有两扇门，由计算机控制，用于操作性条件反射实验（图1C）。通常情况下，每个笼具可容纳最多12只小鼠（参见图2以了解群养示例）。使用更多数量的小鼠也可接受，但应确保小鼠之间不会发生过度争斗，并且在执行高度竞争性任务时不会出现过度拥挤的情况。

1. 通过 CAN 电缆将笼子依次连接到计算机。
2. 将电池电缆连接至微处理器的插口（通电）。此时所有 LED 应亮起数秒，且所有门应移动一次。如果 LED 未熄灭或门未移动，请拔下并重新插入电源线（不良的电气连接可能导致设备运行异常）。
3. 确....

结果

在我们之前的研究中，通过使用自动化笼内监测系统进行的实验检测到了阿尔茨海默病（AD）模型中与年龄相关的认知缺陷¹⁰。AD模型在年轻成年和老年个体中的PP任务表现均保持完整；然而，其在PPR任务中的表现则出现显著且进行性的损伤（图6）。此外，在适应阶段观察动物的一般行为或焦虑水平也十分重要，因为这些特征可能影响认知功能¹⁵。AD模型在FA、NP和DSA阶段的访问次数、鼻触次数和舔舐次数方面均未表现出明显异常。因此，AD模型可能具有较低的行为灵活性。

为评估执行功能，记录了SRT和DD中的行为表现。在SRT的最后阶段（SRT-测试2），年老的AD模型（NL-G-F）准确性下降（图8）。在NL-G-F小鼠的年轻成年和老年个体中均观察到强迫行为增强.......

讨论

本文介绍了利用自动化笼内监测系统对遗传修饰的阿尔茨海默病模型进行长期认知与行为检测的方法。最关键的步骤是将应答器植入到适当位置。在进行植入操作前，需确认应答器未超过有效期。第二个重要环节是每日检查系统的运行状况，因为研究过程中出现的微小问题可能随后演变为更严重的问题。即，一扇堆叠的门，脱落的应答器，不良的电气连接， 等等第三，必须具备排除故障的能力，因为在整个实验过程中可能会出现诸多问题。

本文介绍了一套用于认知评估的基础任务包。这些任务参考了传统的行为学测试而设计，但无法完全模拟传统测试。例如，SRT任务未设置选择模式。作为SRT任务模型的五选择连续反应时间任务（5CSRTT）通常在具有9个、5个或3个鼻触孔洞的实验腔内进行，以测量准确性^16,17。我们团队此前曾尝试实现SRT的选择版本，但小鼠在相对较长的时间内（两周或更久）未能学会相关规则。该系统的使用者应意识到这些差异，并谨慎地讨论实验数据。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
IntelliCage	TSE Systems	-	2011年或之后购买
PC	Dell	Inspiron 580s	-
显示器	Dell	SI75T-WL	-
ALPHA-dri	Shepherd Specialty Papers	-	标准垫料
Aron Alpha (Krasy Glue) 2 g	Toagosei (Krasy Glue)	#04612	用于粘合磁铁和黑臂的氰基丙烯酸酯胶水
手持式应答器阅读器	BTS-ID	R-560	可读取Trovan和DataMars两种应答器的阅读器
应答器	DataMars	T-VA、T-VAS或其他系列	应答器及植入工具基础套装
Diamond Grip Plus	Ansel Microflex	DGP-INT-M	实验用手套
异氟烷	辉瑞	1119701G1092	-
小型动物麻醉蒸发器	DS Pharma Biomedical	SF-B01	包含面罩
Neo-Medrol	辉瑞	006472-001	眼膏
乙醇 (70%)	-	-	-
Excel	Microsoft	00202-51382-15524-AA928	用于数据分析