本文介绍了一种用于量化小鼠筑巢行为的实验方案,该行为已知在多种神经系统疾病和障碍中会受到损害。本方案评估了四种材料的适用性,并提供了量化评分者间一致性的机会,从而提高该检测方法的有效性和可靠性。
方法文章
本文介绍了一种用于量化小鼠筑巢行为的实验方案,该行为已知在多种神经系统疾病和障碍中会受到损害。本方案评估了四种材料的适用性,并提供了量化评分者间一致性的机会,从而提高该检测方法的有效性和可靠性。
筑巢是雄性和雌性啮齿类动物的一种先天行为,即使在实验室环境中饲养的个体也具备这种行为。因此,许多研究人员会为啮齿类动物提供合成材料和/或天然材料(如麻绳、纸巾、棉花、纸张和干草),以评估其整体健康状况,并作为预测认知功能可能下降的辅助指标。通常,筑巢行为的改变(例如无法形成正常巢穴)提示动物健康或福利状况发生了变化。此外,筑巢行为对多种环境和生理挑战以及多种与病理疾病状态相关的遗传突变均具有敏感性。以下实验方案描述了一种研究筑巢行为的范式,该范式考察了四种不同类型筑巢材料的使用情况。此外,该方案采用组内相关系数分析表明,当使用碎纸作为筑巢材料时,不同评分者之间的一致性高于使用其他常见筑巢材料(如棉垫、卷纸和软玉米芯垫料)的情况。本实验所选用的方法学及统计学考量(即组内相关系数)对于开展小鼠生活质量评估研究的研究人员可能具有参考价值。
筑巢是许多动物(如鸟类、鱼类、啮齿类和类人猿)的一种先天行为,因其在研究以幸福感下降和日常生活活动能力受损为特征的神经系统疾病和障碍方面的潜在用途而受到越来越多的关注1。雄性和雌性小鼠均会建造大小相似的巢穴,用于繁殖、保温和庇护;更重要的是,即使在实验室环境中饲养,它们仍会持续表现出这种行为2。Hess、Petrovich 和 Goodwin3认为,诱导筑巢等生物学上适当的行为,关键在于提供生物学上适宜的刺激;然而,已有多种天然和人工材料被用于评估筑巢行为,例如干草、大麻纤维、棉线、纸条、棉制牙科球以及压制成型的棉垫2。筑巢行为的改变(即无法利用所提供的材料筑成巢)通常提示健康状况或福利水平发生了变化。大多数情况下,缺乏筑巢行为可归因于多种对福利产生负面影响的因素。已知可有效降低小鼠筑巢质量的因素包括极端温度、疼痛刺激、诱导性疾病与感染、基因突变,以及内侧视前区、隔区和海马体的脑损伤4,5,6。
阿尔茨海默病是一种进行性神经退行性疾病,其特征是脑组织丧失、细胞外淀粉样β斑块积聚,以及由过度磷酸化的微管相关蛋白tau组成的细胞内神经原纤维缠结7。此外,阿尔茨海默病最显著的特征是学习与记忆功能缺陷,以及日常生活活动能力受损。在小鼠中,日常生活活动能力通常通过昼夜节律跑轮行为进行评估8,9,10,11,尽管一些新的替代方法(如筑巢行为)正变得越来越受欢迎。研究表明,筑巢行为对已被确认为阿尔茨海默病风险因素和/或致病因素的操作(例如基因突变、环境应激)具有敏感性。因此,筑巢行为可作为多种模拟阿尔茨海默病特征的小鼠品系中的一项附加或互补性检测手段。例如,Deacon及其同事12检测了携带瑞典型淀粉样前体蛋白(APPswe)和早老素1(PS1)基因突变的Tg2576小鼠的筑巢行为。群养的Tg2576小鼠在3月龄和12月龄时所建巢穴的质量均显著差于野生型对照组。与这些发现一致,Filali等人13报道,单只饲养的APPswe/PS1雄性小鼠在给予两块5 × 5 cm棉絮后,其筑巢质量在1–5分评分标准上显著较低(1分=棉絮未被触碰,5分=近乎完美的巢)。转基因小鼠在6、9和12月龄时所建巢穴质量始终差于野生型对照小鼠,某些情况下,APPswe/PS1小鼠甚至完全未能利用所提供的棉絮筑巢。
本实验室先前的研究表明,与CRND8和CRND8/E4小鼠相比,野生型C57BL/6J小鼠使用棉垫构建的巢穴显著更完善9。然而,大多数使用压制棉垫的实验结果表现出较大变异性,野生型小鼠未能表现出预期的高评分,而本应表现出极低筑巢能力的转基因小鼠也未达到预期低分2,这可能部分导致估计参数(即均值差异)缺乏差异性和统计学显著性。这种无显著差异的现象可能部分归因于小鼠年龄不足或筑巢时间分配不够。此外,筑巢材料本身可能构成额外变量,由于研究人员在材料种类和用量上的方法学偏好不同,可能导致实验结果变异性增加,甚至与小鼠品系产生交互作用。例如,Robinson-Junker及其同事14向C3H/HeNCrl小鼠和BALB/cAnNCrl小鼠分别提供了经过处理或未经处理、不同尺寸(即小片或大片)的垫料材料,这两种小鼠通常分别被认为是筑巢能力较差和较强的品系。当提供未经处理的垫料时,C3H小鼠构建的巢穴结构较简单,但质量与BALB/c小鼠的巢穴相似。 同样,Martin及其同事15比较了不同筑巢材料对鹿鼠筑巢复杂性的影响,鹿鼠是Mus musculus物种的远亲,具有明显的进化差异(例如更倾向于在树上和灌木下挖掘洞穴,在圈养条件下活动性更强),但其饲养管理方式与普通实验小鼠相似,且会利用任何可获得的柔软纤维材料筑巢16,17,18。 携带幼崽的雌性及繁殖期个体在家中笼舍内构建的巢穴比雄性更复杂,作者认为这些行为差异可能与鹿鼠体内孕酮浓度的变化有关15。更重要的是,小鼠使用棕色纸张构建的巢穴最为复杂,其次是棉垫和棉条,而使用白色纸张和分散的小型棉球构建的巢穴复杂性最低。
尽管筑巢实验的应用日益广泛,但关于其科学有效性、成本效益和时间敏感性方面的考量却鲜有讨论。鉴于上述方法学和经济性方面的挑战,本方案探讨了不同筑巢材料——棉垫、纸条、碎纸和加工过的垫料——在筑巢行为中的应用价值。具体而言,我们将所有这些筑巢材料分别提供给老龄化的C57BL/6J野生型对照小鼠和阿尔茨海默病APOE e4小鼠,以探究基因型与材料之间在筑巢质量上可能存在的交互作用。此外,本实验还旨在评估由不同材料构建的巢穴在评分者之间的可靠性。综合来看,本方案表明,在本研究样本中,碎纸作为筑巢材料在巢穴质量和评分者一致性方面均表现出优越性,旨在提高筑巢实验的有效性和可靠性。
所有实验程序均经乔治梅森大学机构动物照护与使用委员会批准,并符合实验室动物照护评估与认证协会所制定的指南。
1. 动物及评估前的注意事项
2. 房间与巢穴设置

图1:每种材料的笼具设置。 所有小鼠均对每种材料完成一次试验,共进行四次试验。装有纸条、压缩棉块和碎纸的笼具底部均铺满玉米芯垫料。软质玉米芯垫料均匀分布在笼内,以促使小鼠将小棉块从玉米芯垫料中分离出来。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 筑巢实验
4. 评分与评估评分者间信度

图2:使用碎纸(首选材料)作为评分标准的示例。 从左至右:1 — 碎纸完全未被触碰;2 — 部分纸张被筑成巢穴,但大部分碎片仍散落在笼中;3 — 已形成明显的巢穴结构,但仍有多块碎片散落四周;4 — 大部分碎片已被用于筑巢,但仍有少量碎片散落在巢旁;5 — 所有碎片均被用于构建巢穴。请注意,照片中显示了小鼠的编号,以避免实验者无意中识别个体而造成偏倚。卡片颜色为随机选择。研究人员应让小鼠保留在笼内进行观察,以避免惊扰动物,否则可能引起巢穴结构的破坏。请点击此处查看该图的高清版本。
5. 统计学考虑
野生型小鼠和 APOE e4 小鼠对四种不同筑巢材料的实验结果解释如下。根据现有标准,三位编码者对所有四种筑巢材料的组内相关系数(ICC)均显示出高度一致性(碎纸材料 ICC = 0.94;方块材料 ICC = 0.91;垫料材料 ICC = 0.87;扭条材料 ICC = 0.87);因此,将三位编码者的评分取平均值,为每种提供的材料生成一个单一评分。2 × 4 混合因素方差分析显示,基因型的主效应显著,F(1, 19) = 31.30,p < 0.01,ηp2 = 0.62。在所有四种提供的材料中,野生型小鼠的筑巢质量评分(3.18 ± 0.20)显著高于 APOE e4 小鼠(1.98 ± 0.16)。此外,混合方差分析显示材料类型的主效应也显著,F(3, 57) = 57.48,p < 0.01,ηp2 = 0.75。经 Bonferroni 校正的成对比较显示,碎纸材料的评分(4.11 ± 0.20)在质量上显著高于方块材料(1.95 ± 0.21)、垫料材料(2.21 ± 0.21)和扭条材料(1.94 ± 0.20)(p < 0.05),而方块、垫料和扭条材料之间的评分差异无统计学意义(所有 p > 0.99)。基因型与材料类型之间无显著交互作用。数据见图3。
我们实验室的其他实验在早发性阿尔茨海默病模型中也获得了类似结果。例如,如图4所示,5.5月龄的P301L rTg4510(htau)小鼠使用碎纸筑巢的能力显著差于同龄的野生型对照小鼠31。同样,双转基因J20(hAPP)/htau小鼠以及单转基因htau小鼠在3.5月龄和7月龄时,使用碎纸筑巢的能力均差于野生型小鼠及仅携带CAMKIIa启动子的小鼠32(数据未显示)。

图 3:提供给野生型和 APOE e4 小鼠的不同材料所筑成巢穴的质量评分。 基因型的主效应(*p < 0.01)表明,与 APOE e4 小鼠相比,野生型小鼠使用碎纸、压缩棉块、纸绳和软玉米芯垫料所筑的巢质量始终更高。材料类型的主效应(**p < 0.01)也显示,使用碎纸构建的巢在质量评分上高于其他三种材料。根据组内相关系数(ICC)评估,碎纸材料的评分者间信度最高。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:野生型和htau小鼠在含或不含锌水条件下的碎纸筑巢情况。(A)5.5月龄野生型和htau小鼠在对照(自来水)或添加10 ppm锌(一种与阿尔茨海默病相关的生物金属)的水中构建的代表性巢穴。巢穴质量根据既定标准按1–5分进行评分。从左至右依次为:野生型+含锌水(4.54±0.52);野生型+对照水(4.15±0.80);htau+对照水(3.08±0.64);htau+含锌水(2.46±0.97)。(B)基因型与饮水处理的交互作用显示,饮用含锌水的htau小鼠所建巢穴质量显著差于其他各组(*);此外,简单效应分析表明,饮用含锌水的htau小鼠所建巢穴质量低于饮用对照水的htau小鼠。相比之下,饮用对照水或含锌水的野生型小鼠所建巢穴质量更高,且两者之间无明显差异。改编自《阿尔茨海默病杂志》第64卷,Craven KM, Kochen WR, Hernandez CM, Flinn JM,《锌加重Tau小鼠模型中的Tau病理》,第671–630页,版权(2018),经IOS Press许可转载31。该出版物可通过http://dx.doi.org/10.3233/JAD-180151在IOS Press获取。请点击此处查看本图的放大版本。

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补充文件 2:AD 研究嵌套评分.csv 请点击此处下载该文件。
筑巢是一种在进化上具有重要意义的啮齿类动物行为,已被用于评估小鼠的日常生活活动能力及总体健康状况2操作简便、结果可靠以及表面效度高使其成为 筑巢行为是许多行为学实验(如挖掘、昼夜节律和理毛行为)的实用补充。然而,随着筑巢实验在实验室中的应用日益广泛,其实施、量化和解读方法的组合也愈加多样。因此,有必要进一步研究以探索在方法学和实际操作上均科学可靠的筑巢实验流程,确保在降低测试成本、缩短测试时间及其他减轻测试负担的操作过程中,不牺牲该检测方法的有效性和可重复性。
筑巢质量确实对所提供的垫料类型和基因型敏感。总体而言,无论使用何种筑巢材料,野生型小鼠的筑巢质量均显著优于APOE e4小鼠;然而,与其余三种筑巢材料相比,野生型和APOE e4小鼠均能利用碎纸片构建出显著更高品质的巢穴。其他研究也支持碎纸片的优势:小鼠使用碎纸条构建的巢穴比使用压缩棉垫、纸巾和白杨木屑时更为复杂33。此外,使用碎纸条构建的巢穴在定性评估中被认为比其他材料更具有"自然性",其特征表现为巢穴本身的形状以及巢腔周围墙壁的高度,从而形成穹顶状结构6,33。因此,在该实验中选择合适的材料至关重要,以便在相对受控的环境(即实验室条件)下更好地观察自然行为。更重要的是,尽管本方案仅在9–12月龄时进行了一次筑巢评估,但我们强调应在多个年龄阶段进行筑巢测试。由于该方案操作简便,可多次实施,理想情况下应在神经退行性病变相关功能缺陷出现之前进行。通过重复测量,可有机会记录神经退行性病变在筑巢能力下降中可能起的因果作用。
不同遗传背景品系小鼠的自然筑巢行为存在差异34,因此,巢穴的整体质量和形状差异可能并非由目标转基因引起,而是由背景品系导致。例如,C57BL/6小鼠的祖先被认为 "“洞巢”型,而BALB/C小鼠的祖先是被认为 "表面“筑巢者”35C3H 背景的小鼠或与此品系的杂交小鼠,例如 Graybeal 等人研究中使用的 E4 小鼠(C3H/He-C57BL/6 杂交种)9 也被认为是较差的筑巢者;因此,研究人员应强烈考虑使用与转基因小鼠相同遗传背景的对照小鼠,这将有助于更准确地评估转基因本身而非遗传背景在神经退行性变及随后筑巢行为缺陷中的直接因果作用。
某些实验通常采用单名评分者对巢穴复杂性进行定性判断;然而,我们主张应纳入更多评分者,更重要的是,这些评分者应对实验条件设盲。通过该方法,我们采用了三名独立且对实验条件设盲的评分者,并使用组内相关系数评估评分者之间的一致性。这些评分者在经过基本培训后,获得了较高的组内相关系数,表明评分者间具有较高的信度以及对巢穴质量判断的高度一致性。此外,由碎纸和棉片构成的巢穴评分具有最高的组内相关系数,说明评分者之间的判断一致性更强、更稳定。高度一致的结果也为将多个评分取平均值提供了合理依据,而这一策略在行为学研究中以往常被随意使用。尽管该策略需要更多人员,并可能耗费更多评分时间,但它能有效降低筑巢等定性评估中的偏倚。
本实验所用筑巢材料的价格大致相当,但软玉米芯垫料除外。对于某些实验人员而言,商用筑巢垫料可能具有较好的经济性;然而,Martin 等人15指出,与皱纹纸等其他材料相比,棉片是市售筑巢材料中最昂贵的之一。这可能归因于其易于获取、储存和使用,但在面对设施内动物数量庞大、筑巢试验次数多、评分时间受限以及笼具成本较高的情况下,其他研究人员可能会选择同样有效且可靠的替代材料。因此,碎纸可能是一种更可行且合适的选择。此外,本方法的数据采集可立即进行(即现场评分),但强烈建议拍摄照片,以便记录、保存并在需要时对巢穴进行重新量化,用于后续评估评分者间和评分者内的一致性。如前所述,我们特别强调应纳入多名评分者进行"测试-重测”操作,以评估评分一致性,因为这些方法学上严谨的步骤常常被忽视。
综上所述,我们认为本实验的方法学和统计学考量(即组内相关系数)可能对评估小鼠生存质量、总体健康状况以及日常活动能力的实验具有参考价值。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Kevin Quant、Mario Martinez 和 Edwin Portillo 在巢穴评分方面的帮助,感谢 Rachel Barkey 在拍摄准备过程中的协助,以及 Stephen Lippi 和 Deborah Neely 对本稿件的校对。我们还要感谢心理学系为本实验承担了笼具费用,以及 Krasnow 研究所动物设施的饲养人员所提供的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 玉米芯垫料 | Envigo | 7092 | 1/8 英寸垫料,用于棉垫、碎纸和纸条实验 |
| 棉垫 | Envigo | Iso-Blox | |
| 钻石状纸条 | Envigo | 7979C.CS | 实验方案中使用的纸条 |
| 小鼠 - APOE4 e4 | Jackson Laboratories | #012307 | 纯合 APOE4 e4 小鼠与半合子 J20 小鼠杂交 |
| 小鼠 - C57BL/6J | Jackson Laboratories | #000664 | 作为对照的野生型小鼠 |
| 小鼠 - J20 | Jackson Laboratories | #006293 | 半合子小鼠与纯合 APOE e4 小鼠杂交以产生后代 |
| Rstudio | R Core Team | V1.1.463 | 运行环境为 R 版本 3.5.3 (2019-03-11) — "Great Truth"。注意:提供的代码中包含额外的 R 软件包,可从 CRAN 安装 |
| Soft Cob | Envigo | 7087C |
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