一种用于研究大鼠社会结构与相互作用的复杂潜水觅食任务

摘要

本方案描述了一种在大鼠模型中研究社会等级的方法。大鼠执行一项复杂的潜水取食任务，根据其潜入水下并游泳获取食物颗粒的意愿形成明确的等级关系。该方法用于理解高度社会性动物在小群体中的决策行为及社会关系。

摘要

对于许多物种而言，地位是一种影响健康的关键动机因素，社会等级关系会显著影响其行为。包含支配-顺从关系的社会等级在动物和人类社会中均十分常见。这些关系会受到个体之间以及个体与环境之间相互作用的影响，因此在受控研究中难以分析。这种结构并非简单的支配等级，而是一种复杂的呈现形式，使大鼠能够避免攻击行为。地位可能保持稳定，也可能发生变化，从而导致复杂的社会分层。本文介绍了一种复杂的潜水取食任务，用于研究啮齿类动物的社会等级及行为互动。该动物模型可能有助于我们评估多种精神疾病与社会结构之间的关系，并可用于研究治疗手段对社会功能障碍的干预效果。

引言

大鼠具有高度的社会性，是研究社会行为及其与决策关系的理想模型。大鼠会根据支配与顺从的关系形成等级分明的群体。大鼠可被训练完成一系列任务，以表现合作、风险管理、欺骗行为，以及根据其他大鼠的决策而发生变化的行为^1,2。利用表现出这些行为的大鼠模型开展的研究，有助于理解社会结构及其与人类心理学相关的决策机制。

作为一项必需资源，获取食物是大鼠社会行为组织形成的主要原因³。 在食物获取受限的情况下，已观察到未经训练的大鼠表现出社会互动和行为分化^{1,2,4,5,6,7,8}。在一项研究中，成年大鼠需要穿过水下隧道以获取食物，然后将食物通过隧道带回笼中⁹。每组中的个体大鼠可根据其获取食物的方式进行分类。已识别出两种行为模式：第一类为"搬运者"，它们会潜入水中游向食槽，获取食物颗粒，并将颗粒衔在口中游回笼中；第二类为"非搬运者"，它们不主动潜水，仅通过抢夺搬运者获取的食物来进食。在由六只大鼠组成的群体中，约一半为搬运者，另一半则为非搬运者⁹。当大鼠在潜水装置中单独接受训练时，所有个体均表现出搬运行为¹⁰。

类似的动物行为学任务涉及对食物或空间的竞争，已应用于鸡¹¹、啮齿类动物^12,13,14,15和猪¹⁶。在管道测试中，两只小鼠从一条狭窄管道的两端相对进入，其中一只小鼠必须让位于另一只。该测试有助于评估社会支配性^17,18,19。另一种称为“温暖区域测试”的行为学实验，则让小鼠在整体低温的笼子中竞争占据一个较小的温暖区域^19,20。

一项更为复杂的后续取食潜水任务允许携带者大鼠进入一个远离非携带者大鼠的第二笼子，在那里它们可以单独进食⁴。在本方案中，我们提出一种取食潜水任务 ，作为研究大鼠社会等级和行为的替代模型。该取食潜水任务为大鼠提供了一种避开主笼内社会群体的方法，从而逃避其他大鼠的攻击行为和社会互动。该任务引入了回避型社会行为的选择，有助于加深我们对社会性攻击行为的理解。

社会功能是指个体履行正常社会角色的能力，可能受到抑郁症等疾病的影响³。抑郁症患者常面临失业问题，社交联系较少，且很少参与休闲活动³。抑郁症治疗是否有效，通常以社会功能和人际功能的改善作为衡量标准²¹。然而，不同抗抑郁治疗方法在改善与抑郁症相关的社会功能障碍方面，其疗效存在差异³。

在本方法中，我们通过慢性应激实验在大鼠中诱导出类似抑郁的状态，并利用蔗糖偏好实验评估大鼠的快感缺失程度，快感缺失是类似抑郁状态的特征之一。与对照组相比，我们通过觅食潜水任务对出现快感缺失的大鼠以及接受抗抑郁药物治疗的快感缺失大鼠进行了监测。

先前提到的觅食任务类似于食物竞争测试，这类测试通常仅使用一对动物或一种二分法作为比较依据，例如携带者与非携带者，并通过单一分析来比较顺从与支配行为^15,17,22。我们的方法通过将行为划分为多种类型，定义了大鼠之间更为复杂的社会互动，包括：携带者与非携带者、争夺食物与不争夺食物的个体，以及分享食物或前往不同笼子的个体。我们认为，该实验方案是目前唯一一种利用等级结构来评估动物群体中复杂社会互动模式的方法，而非局限于成对个体间的分析。该方法将有助于基于食物偏好的优势地位研究，同时也适用于探索超越简单支配-顺从模型的更复杂等级关系的研究。

在本实验方案中，我们详细描述了一种复杂的觅食潜水任务，用于研究大鼠在个体行为发生变化（特别是快感缺失形成后）时的社会组织及相互作用。该动物模型也可用于研究其他与社会行为及等级结构改变相关的精神疾病状况。

方案

实验遵循《赫尔辛基宣言》和《东京宣言》的建议，以及欧洲共同体实验动物使用指南。本实验已获得内盖夫本-古里安大学动物护理委员会的批准。本实验的授权编号为 IL-55-8-12。

1. 大鼠准备

1. 获得机构动物护理和使用委员会（IACUC）对实验的批准。
2. 选用成年Sprague Dawley大鼠。排除表现出异常生理特征（如癫痫发作或其他运动功能障碍）的动物。
   注：本方案中，我们使用成年雄性大鼠，体重300−350 g，年龄4-8个月。雌性大鼠也可使用。
3. 将大鼠饲养在室温（22 °C ± 1 °C）环境中，保持12小时光照和12小时黑暗的光照周期。自由供应大鼠饲料和饮水。每笼饲养3只大鼠。
   ​注：同一笼内的所有大鼠必须属于同一实验组。
4. 将120只大鼠随机分配至三个实验组之一。使用第1组（n=60）作为对照组。对第2组（n=30）施加如下所述的应激刺激，作为实验组。对第3组（n=30）施加快感缺失刺激，随后给予抗抑郁治疗。实验方案的时间线见图1。
5. 实验开始时使用彩色记号笔标记大鼠，以便进行个体识别。
6. 所有实验均在上午6:00至中午12:00之间进行。
7. 在整个实验过程中每日称重大鼠体重，监测可能的体重下降。体重下降超过20%的大鼠将被排除出研究。参见第3.1.3节。

2. 大鼠快感缺失的诱导

1. 慢性不可预测性应激模型
   1. 采用慢性不可预测性应激模型诱导实验组及接受治疗的实验组大鼠产生类似抑郁状态的特征，具体方法如前所述²³。
2. 慢性不可预测性应激模型
   1. 采用慢性不可预测性应激模型诱导两个实验组大鼠出现类似抑郁的行为，具体方法如前所述²³。
      注：大鼠每天随机接受7种应激因素中的2种，白天1种，夜间1种，持续5周^24,25。
   2. 以下应激因素按随机顺序引入：
      1. 每笼饲养6只大鼠（而非3只）持续18小时。
      2. 将笼子沿垂直轴倾斜45°放置3小时。
      3. 剥夺动物食物18小时。
      4. 剥夺动物饮水18小时，随后放入一个空的水瓶。
      5. 保持垫料污染状态8小时，并在垫料中洒入300 mL水。
      6. 每周连续光照并颠倒光/暗周期48小时。
      7. 将环境温度升高至40 °C，持续5分钟。
   3. 通过蔗糖偏好实验确认快感缺失（抑郁样状态的特征之一）的形成。见第4节。
3. 抗抑郁治疗
   1. 对实验组大鼠每日一次腹腔注射20 mg/kg盐酸丙米嗪（三环类抗抑郁药），连续给药3周^26,27,28。
      ​注：实验组中一个亚组（每组n=3）在3周内每日一次腹腔注射0.9%生理盐水（安慰剂），注射体积与抗抑郁药治疗组相同。

3. 社会组织测试（复杂的潜水觅食任务）

注意：实验装置已在先前的研究中描述过^9,29,30，仅做了少量修改。装置的所有部件均应由透明有机玻璃制成。

1. 准备装置并使大鼠适应环境。
   1. 通过隧道（45 cm x 15 cm x 15 cm）将两个笼子（50 cm x 50 cm x 50 cm）连接至一个水族箱（130 cm x 35 cm x 50 cm）（图2）。确保不经过潜入水族箱就无法从一个笼子进入另一个笼子²⁵。维持水温在25 °C。
   2. 在水族箱一端放置装有食物颗粒的管子（每根管子中放一个食物颗粒）。
      注：逐渐减少出发笼内食物颗粒的可获取性，可促使大鼠潜入水中获取食物，从而避免其养成偷食习惯。
   3. 实验第1天，将每组6只大鼠引入无水的实验装置中，进行为期3小时的适应性训练。训练结束后将大鼠放回标准笼具。
      1. 仅在3小时训练期间提供食物，其余时间不提供任何食物。
      2. 若大鼠体重下降超过其基础体重的20%，则将其及其社交群体移出实验，并给予自由摄食和饮水（ad libitum）。
      3. 使用毛巾手动擦干大鼠，或提供热源使其完全干燥后，再放回常规饲养环境，以避免低体温。
      4. 在第2至第3天重复上述训练过程。
         注：在3小时训练期间持续录像记录大鼠在装置中的行为。确保摄像机设置为高清（720p），并关闭自动对焦功能。
2. 执行觅食潜水任务
   1. 在第4至第17天，逐步加水直至达到最高水位，具体操作如前所述⁴。在第17至第21天维持最高水位。
   2. 观察大鼠为获取食物颗粒而进行的潜水行为。
   3. 记录每只大鼠的以下参数：
      1. 评估进入隧道的频率。
      2. 统计每次尝试潜水获取食物的次数。
         注：从笼子到水族箱再返回笼子的行程不应超过5-6秒，以确保食物颗粒仍可食用。
      3. 评估会游泳取食的大鼠与不会游泳的大鼠之间因攻击行为而获得食物的次数。
      4. 记录由会游泳的大鼠携带食物的次数。
      5. 记录大鼠在分离笼中停留的时间与在原始笼中停留时间的比较。
         ​注：所有数据均通过持续的视觉观察获得。

4. 快感缺失的评估：蔗糖偏好实验

1. 采用蔗糖偏好实验评估快感缺失，方法略有修改，如先前所述^{23,25,31,32,33}。在实验程序的第 -6、0、35、41、62 和 68 天进行该测试（实验时间线见图1）。
   1. 让大鼠自由接触每笼中的两个瓶子，每个瓶子含有 100 mL 蔗糖溶液（1%，w/v），持续 24 小时，允许其自由饮用蔗糖溶液。
   2. 24 小时后，将其中一个瓶子更换为水，再持续 24 小时。
   3. 使大鼠禁水 12 小时³⁴。
   4. 给予大鼠两个瓶子（一个装水，一个装蔗糖溶液）。4 小时后，记录消耗的蔗糖溶液和水的体积。
   5. 计算蔗糖偏好率：蔗糖偏好 (%) = 蔗糖消耗量 (mL) / (蔗糖消耗量 (mL) + 水消耗量 (mL)) × 100%。
      ​注意：当将慢性不可预测应激模型与社会等级行为测试结合使用时，我们建议不仅记录平均蔗糖和水的消耗量，还应记录每只大鼠行为的变化。这将有助于更具体地理解个体在面对如潜水取食任务等等级模型时的行为变化，而非仅关注群体层面的变化。

5. 统计分析

1. 对于非参数数据，使用Kruskal-Wallis检验进行组间比较，随后采用Mann-Whitney检验；对于参数数据，采用单因素方差分析（ANOVA）随后进行Bonferroni事后检验或Student t检验。
   注意：当p < 0.05时，结果被认为具有统计学显著性；当p < 0.01时，结果被认为具有高度显著性。

结果

体重变化
在为期21天的食物潜水任务期间，单因素方差分析（one-way ANOVA）未显示实验各组之间在体重变化方面存在显著差异。从第2天到第21天，所有3个组的体重均发生了变化（p<0.01，表1）。

蔗糖偏好测试
在实验开始时（第0天），诱导产生快感缺失的大鼠实验组（85.6% ± 18.6）、接受抗抑郁治疗的实验组（85.1% ± 18.8）与对照组（85.7% ± 9.9）之间的蔗糖偏好百分比无显著差异。在第35天，与对照组（84.13% ± 12.3）相比，实验组大鼠的蔗糖偏好百分比显著降低（62.69% ± 17.7，p<0.01），接受治疗的实验组也显著降低（68.48% ± 13.9，p<0.01，图3A）。此时，两个实验组之间尚未出现差异。在第62天，未治疗的实验组大鼠蔗糖偏好百分比（68% ± 15）低于对照组（78.5% ± 16）和接受治疗的实验组（77% ± 1...

讨论

社会等级决定了许多物种（包括人类）的行为，通常由基于攻击与顺从关系的互动所定义。这些关系除了依赖社会结构外，还常常受到环境因素的影响³⁵。基于支配与顺从的社会结构具有多面性^36,37。在人类中，攻击行为被描述为一系列从非身体欺凌到战争和暴力的行为^38,39,40。这些社会结构可能受到抑郁症及其他功能障碍状态的影响^3,21。

在复杂的食物潜水任务中，大鼠可以选择回避攻击行为，返回到一个没有其小型社交群体中其他大鼠的笼子。实验装置的设计迫使大鼠必须潜入水中并游泳约1米。由于食槽的位置设置，大鼠必须返回笼子才能进食。进入替代...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精	Pharmacy		将99%药用酒精稀释至5%，用于每只大鼠实验前清洁旷场实验箱
瓶子	Techniplast	ACBT0262SU	150 mL瓶子，分别装有100 mL水和100 mL 1% (w/v) 蔗糖溶液
觅食潜水任务设备（有机玻璃）	本·古里安大学自制		通过隧道将两个笼子（50 x 50 x 50 cm）连接至一个水族箱（130 x 35 x 50 cm）
盐酸丙米嗪	SIGMA	Lot# SLBB9914V	（三环类抗抑郁药）20 mg/kg，腹腔注射，每日一次，持续3周
普瑞纳饲料	Purina	5001	啮齿类动物实验室饲料，供大鼠、小鼠和仓鼠食用，是一种全生命周期营养饲料，已在生物医学研究中使用超过5年
大鼠笼具	Techniplast	2000P	啮齿类动物常规饲养笼具，实验全程用于大鼠的饲养
摄像机	Canon		数码高清摄像机，用于记录大鼠在高架十字迷宫实验中的行为