本文介绍了一种利用名为 Erasmus Ladder 的设备，对精细运动能力以及在面临挑战时的适应性和联合性运动学习进行无创且自动化评估的实验方案。该方法可调节任务难度，以检测从显著到细微不同程度的运动功能障碍。
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方法文章
使用 Erasmus Ladder 监测小鼠的精细运动与联合运动学习
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
行为由动作塑造，而动作需要力量、协调性和学习等运动技能。如果没有从一个姿势转换到另一个姿势的能力，维持生命所必需的任何行为都将无法实现。然而，多种疾病都可能导致运动技能受损。因此，从细胞、分子和神经环路水平研究运动功能的机制，并理解运动障碍的症状、病因及进展过程，对于开发有效的治疗方法至关重要。小鼠模型常被用于此类研究。
本文介绍了一种利用一种名为 Erasmus Ladder 的自动化工具监测小鼠运动表现和学习能力多个方面的实验方案。该检测包含两个阶段：第一阶段为训练小鼠穿越由不规则横杆组成的水平梯子（"精细运动学习"）；第二阶段则在动物行进路径中设置障碍。该干扰可以是突发性的（"挑战性运动学习"），也可以在干扰前伴随一个听觉提示音（"关联性运动学习"）。该任务操作简便，且全程由自动化软件支持完成。
本报告展示了如何通过敏感的统计方法分析该测试的不同读数，从而利用少量小鼠对小鼠运动技能进行精细监测。我们提出，该方法将能够高度敏感地评估由环境改变引起的运动适应，以及运动功能受损的突变小鼠在早期阶段的细微运动缺陷。
引言
已开发出多种测试方法用于评估小鼠的运动表型。每种测试可提供有关运动行为特定方面的信息1。例如，开放旷场实验用于评估一般运动活性和焦虑状态；转棒实验和行走横梁实验用于评估协调性和平衡能力；足迹分析用于研究步态；跑步机或转轮实验用于研究强制性或自主性体力活动；而复杂转轮则用于研究运动技能学习。为了分析小鼠的运动表型，研究人员必须依次进行这些测试，这通常需要大量时间和精力，并涉及多个动物群组。如果已有细胞或神经环路水平的信息，研究人员通常会选择监测相关行为方面的测试，并据此展开后续研究。然而，目前尚缺乏能够以自动化方式区分运动行为不同方面的实验范式。
本文介绍了一种使用Erasmus Ladder2,3的实验方案，该系统可用于对小鼠多种运动学习特征进行综合评估。该方法的主要优势在于其可重复性和高灵敏度，同时能够调节运动难度，并将运动表现缺陷与关联性运动学习障碍区分开来。系统主要部件为一个水平梯子，其横档高低交替排列（高横档H，低横档L），并配备触敏传感器，用于检测小鼠在梯子上的位置。梯子由2 × 37个横档组成（低横档L，6 mm；高横档H，12 mm），横档间距为15 mm，左右交替排列，间隔30 mm（图1A）。各个横档可独立移动，以生成不同难度等级，例如....
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方案
在本研究中，使用了成年（2-3月龄）C57BL/6J小鼠，雌雄均有。动物每笼饲养2至5只， 随意摄取 在动物实验单元中，动物可自由获取食物和水，并置于温度可控、12小时明暗循环的环境中饲养。所有实验程序均遵循欧洲及西班牙相关法规（2010/63/UE；RD 53/2013），并经巴伦西亚自治区伦理委员会和米格尔·埃尔南德斯大学动物福利委员会批准。
1. 行为学实验房间的设置
- 每天在同一时间预约行为测试室，并确定待使用小鼠的名单和顺序，以及它们的饲养安排。
- 在未进行测试时，将实验小鼠安置在测试室外，以避免其听到空气压缩机和Erasmus Ladder发出的声音。
- 检查Erasmus Ladder系统的各个组件是否正常并已准备就绪：网络路由器、安装有软件的计算机（参见材料表）、空气压缩机、两个目标箱，以及踏板已正确安装的梯子。
- 每只动物测试结束后，用清水彻底清洁目标箱、梯子及踏板；每天训练结束后，再使用清水和70%乙醇进行彻底清洁。
2. 行为学测试方案
- 创建一个实验并将实验方案输入软件中（补充图 S1).
- 打开软件。 ....
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结果
Erasmus Ladder 设备、设置及所采用的实验方案如图所示 图1该方案包括四个无干扰阶段和四个挑战阶段（每个阶段包含42次试验）。每次试验指小鼠从起始目标箱到终点目标箱在梯子上行走的一次完整运行。在每个阶段开始时，将一只小鼠放入其中一个起始箱中。经过15 ± 5 s的固定时间（“静息”状态）后，开启光源（提示1，最长3 s）。随后施加轻柔气流刺激（提示2，最长45 s），以促使小鼠离开箱体并走向梯子的另一端。小鼠对气流刺激的反应时间因个体和阶段而异，可作为评估不同组间动机或焦虑状态的参数。当小鼠到达终点目标箱后，立即开始下一次试验。
在第1至第4天期间，野生型小鼠的静止时间以及对光提示的反应时间未见差异，但对气流提示的反应时间在第1天到第2天之间略有减少（图2A）。小鼠穿越梯子所需时间的测量结果显示，从第1天到第4天呈现出显著的学习曲线，可用幂回归曲线拟合（R = 0.50，*p = 0.047，.......
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讨论
与现有方法相比，Erasmus Ladder 在运动表型评估方面具有显著优势。该测试易于实施，具有自动化、可重复的特点，并允许研究人员利用同一批小鼠独立评估运动行为的多个方面。在本研究中，得益于设备特性、实验设计和分析方法的优势，可重复性使得仅用少量野生型小鼠即可获得可靠的数据。例如，与传统的横梁行走实验相比，Erasmus Ladder 通过添加诱导入梯路径的动机性提示（气流和光线）以及推动小鼠完成试验的尾随气流，提高了实验的一致性，并避免了实验人员干预——后者是导致变异性的主要来源。
需要使用空气压缩系统产生气流，该气流可调节方向和位置以对准小鼠。当小鼠在预定试验开始前试图离开目标箱时，气流会从相反方向产生30 km/h的迎面风，迫使小鼠返回目标箱。在试验过程中，气流还会产生持续的尾随风（1至16 km/h），直至小鼠完全通过梯子并进入对面的目标箱。若无加压气流作为穿越梯子的激励因素，小鼠常会在梯级上停留并缓慢地调头返回，从而引入不利于分析的探索性变量。
本文所述的标准方案可在8天的时间范围内，评估基本的精细运动协调能力与.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
我们感谢音视频技术员兼视频制作人 Rebeca De las Heras Ponce，以及兽医主管 Gonzalo Moreno del Val 在小鼠实验过程中对良好操作规范的监督。 本工作由加泰罗尼亚自治区政府卓越计划（GVA Excellence Program，项目编号 2022/8）和西班牙研究署（Spanish Research Agency，项目编号 PID2022143237OB-I00）资助，资助对象为 Isabel Pérez-Otaño。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| C57BL/6J 小鼠（Mus musculus） | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder 装置 | Noldus，荷兰瓦赫宁恩 | ||
| Erasmus Ladder 2.0 软件 | Noldus，荷兰瓦赫宁恩 | ||
| Excel 软件 | Microsoft | ||
| Sigmaplot 软件 | Systat Software, Inc. |
参考文献
- Brooks, S. P., Dunnett, S. B. Tests to assess motor phenotype in mice: a user's guide. Nat. Rev. Neurosci. 10 (7), 519-529 (2009).
- Noldus. , https://www.noldus.com/erasmusladder (2023).
- Cupido, A., et al. Detecting cerebellar phenotypes with the Erasmus ladder[dissertation]. , Erasmus Universi....
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重印与许可
