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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
大多数啮齿动物行为实验最初都是为大鼠设计的。由于大鼠和小鼠之间的行为差异,有时需要对小鼠进行改造。我们提出了一种测试小鼠空间工作记忆的方法,最大限度地减少工作记忆任务期间的压力。
该方法论文详细介绍了使用半自动径向 8 臂迷宫 (RAM) 测试小鼠空间工作记忆的协议。RAM 是一种部分封闭的设备,具有 8 个水平、等距的臂,从中央轮毂辐射,可以通过伺服控制的电动门单独控制对每个臂的访问。动物从中央枢纽开始,可以在每只手臂或选定的手臂末端探索迷宫以获得食物奖励。RAM 任务最初是为大鼠设计的,但我们已经为小鼠调整了协议,例如,通过包含更多的习惯步骤。在我们的协议中,所有手臂最初都用甜炼乳作为诱饵,小鼠依次进入四个伪随机选择的手臂以收集奖励(“强制奔跑”),然后一起打开所有门,让小鼠自由奔跑并找到剩余的四个奖励(“自由奔跑”)。在强制运行和自由运行之间引入 5 秒的延迟以挑战工作记忆;如果鼠标在自由运行期间进入任何以前访问过的手臂,则会记录错误。当所有奖励都恢复后,任务就完成了。经过6天的习惯化和9天的迷宫训练,雄性C57BL / 6小鼠定期达到≥80%的每日成功率分数,定义为4 /(4 + E),其中E是错误数。原则上,这种半自动任务 可以与体内 监测方法相结合,例如电生理学、多光子显微镜或钙成像。
工作记忆1 是一种认知过程,可以在短时间内保存有限数量的信息,同时将其纵和用于计划和执行心理任务,例如记住电话号码或从不同位置前往目的地的路线。它与流体智力密切相关,流体智力是快速推理和抽象思考的能力。人们认为工作记忆训练可以提高流体智力2.因此,工作记忆对于研究至关重要。
最流行的啮齿动物行为实验最初是在 1980 年代为大鼠设计的,今天的研究人员经常将这些协议应用于小鼠。然而,大鼠和小鼠之间存在一致的行为差异 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 .特别是,恐惧管理是影响实验结果的重要因素,因为与大鼠相比,小鼠更容易承受压力 3,4,5,6,7,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19.因此,在将这些方案应用于小鼠时,重要的是要考虑差异。在我们的协议中,我们试图在桡臂迷宫中的工作记忆任务中尽量减少压力因素。这是通过使用鼠标跟踪和迷宫控制软件仔细计时关门来完成的。此外,避免了在中心枢纽的会话结束时捕捉老鼠。这种方法允许小鼠选择它们的下一只手臂,而不会将位置与害怕被抓住联系起来。将捕获老鼠推迟到迷宫中收集完所有奖励后,可以确保最后的奖励与被捕获的经历无关。
陆地桡臂迷宫 (RAM) 是一种流行且常用的设备,用于评估空间和非空间学习和记忆,以及测试啮齿动物的工作和参考记忆。它是小鼠空间学习和记忆中最受欢迎的设备之一 20,21,22。RAM 利用啮齿动物除了觅食之外,还探索迷宫、发现新奇事物并反复试验学习空间信息的自然倾向。这种倾向可以通过限制他们的饮食并在迷宫中奖励他们喜欢的食物来增强。现在,RAM装置的几种变体被使用,例如,具有6、8、12或16臂和部分封闭或开放/升高的装置23,24,25。当今大多数协议都基于 Olton 等人的协议20,26,但使用更简单的(6 或 8 臂)迷宫 9,24,27,28,29。在径向手臂迷宫(6 或 8 只手臂)中测试工作记忆比 T 型迷宫(2 只手臂)更强大,因为动物有更多的手臂可供选择进行探索。
最初的RAM由Olton和Samuelson20设计,用于评估使用食物诱饵进行正强化的大鼠的空间学习和记忆,这与使用负强化的莫里斯水迷宫和8臂径向水迷宫等水迷宫不同,即水浸20,30,31,32。Olton 和 Samuelson20发现,老鼠在通过 RAM 时对地方有很好的记忆力。他们表明海马体参与空间信息处理。因此,他们在啮齿动物中引入了双记忆系统的概念,包括工作记忆和参考记忆。这种双记忆系统之前曾由 Honig36 根据鸽子实验提出。Olton等人发现海马体功能对于工作记忆至关重要。这是通过在内嗅区域、菌毛穹窿体、海马体、隔膜或连合后穹窿前方制造病变来实现的,以破坏海马结构 26,33,34,35 的每个主要外在纤维连接。穹窿-菌毛病变不影响参考记忆26。
在现代协议中,动物习惯于环境,让它们连续3天每天自由探索迷宫10-15分钟,然后进行为期1-3周的迷宫训练,在所有手臂或固定选定的手臂末端使用首选食物,测试工作记忆,或工作记忆和同一实验中的参考记忆, 分别为9、29、37。
通常,这些方案没有得到充分描述,并且没有充分考虑大鼠和小鼠之间的行为差异。在这里,我们详细介绍了我们的协议和经验,特别是如何避免根据大鼠和小鼠之间的恐惧管理差异将恐惧体验与地点和时间联系起来。该协议适用于想要研究空间工作记忆并将其应用于使用小鼠的电生理学、实时成像和组织学的研究人员。
所有小鼠实验均已获得伦敦大学学院伦理委员会的预先批准,并根据 1986 年《动物(科学程序)法》和英国政府随后的立法获得授权。
1. 在软件应用程序上准备自动迷宫控制程序
注意:使用了自动径向臂迷宫,如图 1A-C 所示,以及图 1D 中的房间布局。
2. 为个人住房准备家庭笼子
3. 动物收容室的处理、称重和饮食限制(第 -7 天至第 0 天)
4. 将老鼠带到测试室
5. 房间布置
6. 习惯阶段 1 - 无奖励(第 1 - 2 天)
注意:迷宫中没有奖励。这个阶段是让老鼠习惯迷宫门和它们的声音。
7. 习惯阶段 2 - 奖励(第 3 - 4 天)
注意:此阶段是为了鼓励老鼠自由探索迷宫以获得食物奖励。
8. 习惯阶段 3 - 奖励(第 5 - 6 天)
注意:这个阶段是为了让小鼠适应阶段1和2组合的环境。
9. 工作记忆任务 - 奖励(第 7 天 - 第 15 天)
10. 评分
11. 统计
该协议在我们之前的出版物中使用,其中我们询问了使用 MyRF cKO 小鼠和对照50 的空间工作记忆任务表现是否需要新的少突胶质细胞和髓鞘。我们发现,对照小鼠的工作记忆任务性能有所改善,但 MyRF cKO小鼠的工作记忆任务表现没有改善。工作记忆任务刺激和促进野生型小鼠与工作记忆处理相关的大脑区域的少突胶质细胞前体细胞 (OPC) 增殖和分化,以及少突胶质细胞 (OL) 髓鞘形成。我们还执行了 T 迷宫奖励交替任务来评估空间工作记忆。执行此任务以检测 MyRF cKO 小鼠的工作记忆缺陷。然而,在组织学分析中,进行T迷宫奖励交替任务的小鼠组与家庭笼对照组之间没有观察到显着差异。因此,我们得出结论,这里提出的协议在研究工作记忆方面比 T 迷宫奖励交替任务更有效。
每只小鼠每天进行 6 次工作记忆任务试验,总共持续一小时。因此,该协议允许队列中最多有8只小鼠。在习惯化的早期,老鼠在迷宫臂中度过的时间不均匀,动作缓慢。他们在手臂的末端停留了很长时间。直到迷宫习惯的第 5 天结束,他们在迷宫臂中度过了不同的时间,并且可以在不接触奖励的情况下返回中央枢纽(图 3A)。然而,在第六天,动物在 8-15 分钟内至少进入每只手臂一次,在每只手臂中度过了相似的时间,这表明动物已经习惯了迷宫并准备好执行任务(图 3A,第 6 天下行和 图 3B)。
在习惯阶段,它们经常用后肢站立,从手臂或中央枢纽向上看。在工作记忆任务中观察到类似的行为,但它们不一定朝同一方向移动(例如,2 -> 3-> 5 -> 8 [顺时针] 或 8 -> 5 -> 3 ->2 [逆时针])。他们可以改变方向(例如,5 -> 4 -> 6 -> 1)。个体小鼠没有明显的选择手臂序列的公共倾向。在自由运行中,小鼠往往花更多的时间选择最后一个奖励手臂,而不是第一个奖励手臂。这可能是因为他们在自由运行的第一选择中有四个选项可供选择,而最后一个奖励只有一个选项。在自由奔跑开始前至少50(15 + 15 + 15 + 5)秒将强制奔跑阶段的第一只手臂呈现给小鼠。因此,如果没有工作记忆错误,这项工作记忆任务就不容易执行。 补充视频 1 显示了一只小鼠在工作记忆任务训练的第 8 天进行完美试验。
使用任一评分系统,我们发现它们的性能在 9 天 RAM 测试期的前 3 天几乎持平,但之后显着提高(图 4A、B)。经过6天的习惯化和9天的迷宫训练,雄性C57BL / 6小鼠从第8天开始定期达到≥80%的每日成功率分数,定义为4 /(4 + E),其中E是错误数。随着时间的推移,自由滑的平均行驶距离变短,但平均速度和加速度每天都相当恒定(图 4C-F)。小鼠可能在四次额外的手臂访问中产生了被抓住的恐惧记忆,这可能是小鼠在实验结束时花费更多时间的原因之一(图4G)。
在该协议中,习惯步骤持续6天,这可能导致调整实验的生物钟,即使动物设施中的明/暗循环没有逆转。

图 1:RAM 规格和功能。 (A) 从天花板安装的 CCD 和侧面看迷宫的视图以及尺寸。(B)将食物井沉入迷宫地面以下1.5厘米处,使老鼠无法在>10厘米外看到内容物。(C) 迷宫竞技场设置。显示了中央轮毂和臂 1-8。(D) 实验室示意图和带有房间照片的外部视觉线索。 请点击此处查看此图的大图。

图 2:迷宫控制程序的流程图。 (A) 习惯阶段 1(第 1 天和第 2 天)。(B) 习惯阶段 2(第 3 天和第 4 天)。(C) 习惯阶段 3(第 5 天和第 6 天)。(D) 工作记忆任务(第 7-15 天)。(E) 工作记忆任务范式的模式。小鼠经过伪随机选择的四个强制奔跑臂,被限制在中央枢纽中 5 秒,然后进行自由奔跑以收集剩余的奖励。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:6 天习惯期间的热图和燕窝图。 (A)三只小鼠在习惯第1-6天期间小鼠轨迹的热图。在习惯第3-6天,小鼠每天进行两次试验;上面的热图显示第一次试验,下面的热图显示第二次试验。(B) 习惯第 6 天的燕窝图。上面三个显示了小鼠1,2和3的第一次试验,下面三个显示了小鼠1,2和3的第二次试验。下表列出了同一三只小鼠的试验持续时间。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:RAM 工作内存任务。 (A) 平均每日成功率分数 (%) 由 [4/(自由运行期间的手臂进入次数)x 100] 计算。对当天的6项试验的分数进行平均。(B) 任务 9 天内的试用满分。(C) 个人行驶距离和平均值。(D)任务中小鼠的个体运行速度和平均值。(E)小鼠的个体加速度和平均值。(F)小鼠的个体减速和平均值。(G) 额外 4 次手臂访问的个人和平均持续时间。 请点击此处查看此图的大图。
补充视频1:小鼠在工作记忆任务训练的第8天进行了完美的试验。 请点击此处下载此文件。
补充文件 1:示例记录表。在观察鼠标行为的同时写下手臂访问的顺序。 请点击此处下载此文件。
作者没有需要披露的利益冲突。
大多数啮齿动物行为实验最初都是为大鼠设计的。由于大鼠和小鼠之间的行为差异,有时需要对小鼠进行改造。我们提出了一种测试小鼠空间工作记忆的方法,最大限度地减少工作记忆任务期间的压力。
我们感谢沃尔夫森生物医学研究所的同事进行有益的讨论,感谢牛津大学的 David Bannerman 对小鼠行为的建议并审查了论文的早期草稿。我们还感谢 Matthew Grist 提供的技术和行政支持。这项研究由惠康信托基金 [108726/Z/15/Z 和 214286/Z/18/Z] 和 Gerald Choa 神经科学研究所 [PJ8425013] 资助。
| 动脉镊子或钳 | 子 任何 | N/A | 用于切割标准 |
| chow C57BL/6J 小鼠 | 杰克逊实验室 | 000664 | 2~3 个月大 |
| 炼乳(康乃馨) | 雀巢 | N/A | 用作任务中的奖励 |
| 蒸馏水 | 任何 | N/A | 用于炼乳的清洁和稀释剂 |
| EthovisionXT13 | 诺达斯 | N/A | 控制迷宫门和跟踪鼠标 |
| --多身体点模块 | 诺达斯 | N/A | 用于多身体点跟踪 |
| --试用和硬件控制模块 | Noldus | N/A | 用于试用和硬件控制 |
| -- I/O 盒 | Noldus | N/A | 控制迷宫门 |
| Extramaze 视觉提示 | 任何 | N/A | 用于用鼠标绘制迷宫地图 |
| 高分辨率相机 | Tracksys | N/A | 用于鼠标跟踪和拍摄 |
| 画笔 | 任何 | N/A | 用于清洁 |
| 纸隧道 | 任何 | N/A | 用于处理鼠标 |
| 纸冰屋 | 任何 | N/A | 用于嵌套 |
| 纸套料条纹 | 任何 | N/A | 用于嵌套 |
| Pipetteman P1000 | 吉尔森 | F144059M | 用于向家庭笼子提供稀释的炼乳 |
| 移液器吸头 P1000 | 任何 | 移 | |
| 液器 P200 | 吉尔森 | F144058M | 用于诱饵迷宫 |
| 移液器吸头 P200 | 任何 | 径 | |
| 向臂迷宫 | Tracksys | N/A | 定制 |
| 室内灯 | 任何 | N/A | 甚至迷宫中的照明 |
| 小塑料杯 | 任何 | N/A | 用于向家庭笼子提供稀释的炼乳 |
| 噪声扬声器 | 任何 | N/A | 用于播放白噪声 |
| 标准食物 | 任何 | N/A | 饮食限制 |
| 薄纸 | 任何 | N/A | 用于清洁 |
| Verifocal 镜片 | Tracksys | N/A | 5-50 毫米,手动对焦,手动虹膜 |
| 木制咬块 | 任何 | 不适用 | 用于嵌套 |
| 50 毫升离心管 | Falcon | Falcon™ 352070 | 用于将炼乳与蒸馏水混合 (1:1) |