方法文章

从小鼠妊娠期到哺乳期的心电图与行为分析

1.4K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/66498

⸱

2024年4月5日

 ,  ,  , 
1Department of Animal Science and Biotechnology, Azabu University

本文内容

摘要

通过遥测系统，实现了对母鼠从妊娠期到哺乳期自主神经活动和详细母性行为的同步记录。该方法有助于理解母鼠从妊娠到断奶期间生理和行为特征的动态变化。

摘要

母体与后代关系的变化可能伴随着自主神经系统的动态变化。尽管已对人类母亲和婴儿的自主神经活动进行过时间上的测量，但长期变化的分析仍属未知领域。小鼠母亲能够与幼崽建立社会纽带，并且具有较短的妊娠期和哺乳期，这使其成为研究从妊娠到育幼期间生理变化的理想模型。因此，本研究采用遥测系统连续数周监测小鼠母亲自主神经系统及行为的变化。结果显示，无论母鼠活动或分娩过程如何，心电图（ECG）均能被稳定记录。心电图分析表明，心率从妊娠期到哺乳期逐渐下降，而随着幼崽的发育，交感神经活性显著升高。此外，在家笼中同步记录行为与心电图，使我们能够理解不同行为对心电图的影响，从而揭示各种行为期间自主神经活动的特征。因此，本实验方法有助于阐明母亲从妊娠到育幼过程中生理特征的变化，进而支持幼崽的健康发育。

引言

在各种动物物种所建立的关系中，母子关系因其对后代未来发展具有重大影响而显得尤为独特1。在人类中，儿童的发育及其内外行为受到养育方式以及虐待和忽视程度的影响2,3。类似地，在啮齿类动物中，母体行为的质量对幼崽的发育和行为具有显著影响4,5,6。因此，对母体抚育行为进行详细追踪和观察，有助于揭示个体在后代发育及健康支持方面差异的机制。

行为学和生理学研究表明，哺乳动物母亲从妊娠期到哺乳期会经历动态的行为和生理变化。当雌性哺乳动物怀孕后，雌激素和其他激素的分泌发生变化，从而影响母性行为7。随着后代的生长，哺乳频率逐渐降低，激素分泌也随之动态地向妊娠前状态恢复，母性行为的表达也随之终止8,9,10。这些发现表明，内分泌系统、母性行为与后代发育之间的相互作用，在哺乳动物母亲经历妊娠和哺乳期变化过程中发挥着重要作用。

从妊娠到哺乳期，哺乳动物母亲的行为和生理变化不仅与内分泌系统密切相关，也与自主神经系统密切相关11,12。人类研究表明，母婴接触会引起母亲和婴儿自主神经系统的改变13。多项研究已测量了人类母亲和婴儿的心电图（ECG）及心率变异性，表明各自的行为会改变对方的心率和RR间期14,15,16。然而，从妊娠到哺乳期，自主神经系统、母体行为和子代发育这三个因素之间如何相互作用尚不明确。此外，由于人类哺乳期约为两年，长期监测这些相互作用在人类中存在困难。

在这些研究中，通常使用啮齿类动物代替人类。啮齿类动物的自主神经系统通常在麻醉状态下或将其与幼崽分离后进行测量，以避免记录不稳定以及测量设备受损；因此，这种测量仅能在行为受限的情况下短暂进行17,18,19。然而，观察啮齿类动物在可自由活动并能与其他个体交流的环境中的自主神经系统至关重要，因为母体与幼崽之间的互动会改变母体的行为和生理状态8,9,10,15。

本实验方法旨在允许母体自由活动。在此方法中，将心电遥测仪植入妊娠母鼠皮下，以防止设备受损，并实现从妊娠期到哺乳期的稳定长期心电图记录。母鼠可在其饲养笼内表现出正常的自主行为（如自我理毛、进食等）以及典型的母性行为；因此，可在同一只小鼠中方便地观察和比较各种行为与心电图变化。通过录像记录设备连续四周、每天24小时记录小鼠的行为。该实验方案使我们能够追踪从妊娠期到育幼期间自主神经活动和行为的动态变化。

方案

所有实验程序均经 Azabu 大学伦理委员会批准（#210319-30）。本研究使用妊娠第 14 天（GD 14）、体重超过 22 g 的 C57B/6J 小鼠。实验动物购自商业来源（见材料表）。本研究所需的试剂和设备列于材料表中。

1. 实验准备

  1. 打开面板加热器，并用铝箔覆盖。用70%乙醇擦拭所有表面。
  2. 所有手术器械（剪刀、镊子、精细镊子和普通镊子）均已预先进行高压灭菌处理。
  3. 将无菌缝合线剪至所需长度，并准备好备用。
  4. 在麻醉面罩上覆盖橡胶罩，以确保无菌性和患者舒适度。
  5. 使用安装在具备记录功能的计算机上的tBase和LabChart（生理数据分析软件）程序，检查小鼠生物电遥测仪（图1A）是否存在任何异常或损坏。

2. 遥测仪植入

  1. 将小鼠放入含4%异氟烷的诱导麻醉盒中。
  2. 在达到手术麻醉平面后，将小鼠俯卧于加热板上。摆放体位 将麻醉面罩戴在小鼠上，维持异氟烷浓度为1%-2.0%，氧气流速为0.5-2 L/min。
    注意：在本方案中，考虑到镇痛药对胎儿及行为观察的影响，未使用任何镇痛剂。
  3. 使用剪毛器去除耳间毛发，并用碘伏和70%酒精交替消毒皮肤三次。
  4. 为确认小鼠麻醉的手术平面，使用镊子夹捏其后肢脚趾。使用剪刀在小鼠两耳之间皮肤上做一长度为2-3 cm的切口。将镊子插入切口，分离颈部及腹侧的皮肤与肌肉，在腹侧预留出用于植入遥测仪的空间。
  5. 将遥测仪通过耳间切口插入，并置于腹侧间隙中。
  6. 使用镊子将正极和负极导线卷起并捆成束，将导线置于颈部空间（图 1B).
  7. 使用13 mm针头和20 cm缝线缝合切口，注意避免损伤导线。
  8. 将小鼠置于仰卧位，使用剪毛器去除锁骨周围的毛发。用碘类消毒剂和70%酒精交替消毒皮肤三次。
  9. 用剪刀在锁骨皮肤周围做一个小切口，并将颈部皮肤与肌肉分离。使用镊子从颈后部取出正极和负极导线。
  10. 使用镊子分离唾液腺并暴露 "V形" 胸锁乳突肌（SCM）的外观，该肌起自锁骨，斜向跨越颈部两侧图1C，D).
  11. 调整负极导联的长度，使其能够到达锁骨附近的胸锁乳突肌（SCM）。小心地将负极导联的导管移除，并使用精细镊子拉直其中盘绕的不锈钢电极。
  12. 用一根10 cm的缝线穿过胸锁乳突肌（SCM）V形弯曲处的缝合针（7 mm），形成一个环。将负极导线的不锈钢电极穿过此环，并置于靠近锁骨处的胸锁乳突肌下方。
    1. 轻轻打结固定环线，避免损伤胸锁乳突肌（SCM），重复三次以确保不锈钢电极稳固。通过在胸锁乳突肌头侧放置第二根缝线，并将其缠绕在负极导线的导管周围打结，进一步固定负极导线。图1E).
  13. 在剑突周围进行切开，从剑突至锁骨处仔细分离皮肤与肌肉。
  14. 将正极导联延长至剑突部位。与负极导联类似，从正极导联上取下导管，使用精细镊子拉直其内部盘绕的不锈钢电极。
  15. 使用18 G针头在剑突周围的肌肉下方创建一条隧道，然后将不锈钢电极置入针头中，并穿过剑突周围的肌肉。
  16. 移除针头后，使用缝合针（7 mm）和10 cm缝线，将盘绕的不锈钢电极轻轻缝合固定于剑突周围的肌肉上图1D为了进一步固定正极导线，在剑突头侧位置打第二针缝线，并将其结扎在正极导线的导管上。
  17. 使用缝合针（13 mm）和20 cm缝线长度关闭所有切口图1E，F).
  18. 植入后，将小鼠放入清洁的笼具中，并将笼具置于tBase上，tBase作为小鼠遥测信号的接收器图1G）。打开可记录的计算机，使用已安装的数据分析软件应用程序采集心电图数据。检查心电图数据是否显示正常的波形（图2A，B).
    注意：如果出现异常波形或噪声（如图所示） 图2C），在麻醉状态下重新连接阴性和阳性导联。
  19. 在为期两天的恢复期内，通过将水凝胶和食物放置在笼底，确保小鼠得到适当照料。在此恢复期间，仅使用记录仪记录小鼠在居住笼内的行为。

3. 从妊娠到断奶期间心电图及家庭笼内行为的记录

  1. 在黑暗阶段打开红光，因为行车记录仪在无光条件下无法工作。将行车记录仪放置在动物饲养笼旁以记录行为。使用可记录电脑上的 LabChart 软件记录心电图（ECG）。在采集心电图数据前，需确认 LabChart 中心电图的采样率。
    注意：本实验方案选择行车记录仪，是因为其可灵活放置于任意位置。此外，与视频摄像机相比，行车记录仪具有更广的视角，且数据存储占用更少（例如，使用行车记录仪连续记录 24 小时约占用 70 GB 存储空间）。在本演示中，数据分析软件中的心电图采样率设定为 1 k/s。
  2. 开启行车记录仪后，在计算机上启动 LabChart 软件，以同步记录行为和心电图数据。
    注意：在本演示中，使用了一个宏命令来持续记录心电图，并每 2 小时自动保存一次文件。该重复性操作贯穿整个实验过程。此外，选用了一张 256 GB 的 SD 卡进行数据记录，可支持每天约 24 小时的数据采集。
  3. 检查小鼠是否分娩及是否存在身体异常，并从行车记录仪和可记录电脑中采集数据。小鼠产下幼崽的当天记为出生后第 0 天（PD 0）。幼崽出生后每日测量其体重。
    注意：在本研究中，每天早晨 7:30 至 8:30 采集行车记录仪的视频和可记录电脑的心电图数据文件。此外，为避免因多只幼崽接触母鼠而引起振动干扰导致心电图噪声，每窝幼崽数量被缩减至 4 只（其中一半为雄性，另一半为雌性）。
  4. 检查小鼠并完成数据采集后，将所有设备恢复至原始位置。重新开启行车记录仪和可记录电脑，并启动 LabChart 应用程序。
    注意：若使用宏命令记录心电图，请点击 macro 按钮，并在 manage 选项中选择 run 按钮以初始化宏程序。
  5. 每周更换一次笼具。更换过程中，垫料一半使用旧垫料，另一半使用新垫料。
    注意：该操作流程（包括数据采集和小鼠检查）从妊娠第 17 天（GD 17）持续至出生后第 21 天（PD 21）。

4. 分析心电图

  1. 为分析心电图（ECG）数据，请使用数据分析软件。启动 LabChart 并打开记录时段的 数据文件。为分析心率变异性（HRV），点击 HRV 按钮，并调整心跳检测设置。
    注意：在本演示中，选择 自定义 设置，并将检测调整中的最小峰值高度更改为 1.2。
  2. 调整设置后，检查所有心跳波形，并删除任何噪声数据（如 图 2C 所示）。
    注意：若未检测到 R 波，可使用 HRV 按钮添加或修改该波形。
  3. 点击 HRV 按钮，选择 心跳分类视图。在心跳分类视图中选择 所有心跳，然后从 HRV 按钮中选择 报告视图。从报告视图中复制数据，并粘贴至 Excel 中。
    注意：HRV 结果（如 表 1 所示）通过数据分析软件显示时域和频谱域参数，便于观察分析。

5. 家居笼内行为谱的分类

  1. 回看所有录制的视频，检查是否存在异常情况，例如黑暗阶段红灯未亮起或行车记录仪无法正常工作。
    注意：视频的录制方式与心电图相同，每 2 小时采集一段视频片段。
  2. 根据母体行为时的姿势、行为持续时间以及行为发生的位置等参数对行为谱进行分类（表 2），然后观察行车记录仪中的视频。

结果

将遥测仪植入妊娠小鼠后，我们在其饲养笼内记录了从妊娠期到哺乳期的ECG信号，采样率设置为1 k/s。为了比较母鼠在不同生理状态下的ECG特征，同时避免昼夜节律的影响，我们分析了GD 17、分娩期、PD 0和PD 21这四个时间点各2小时数据文件中从23:32至23:42的10分钟数据（图3，表1）。选择23:32至23:42这一时间段，是因为它代表了分娩过程中第一只幼崽出生前的10分钟。选择这一特定时间段旨在展示在存在肌肉收缩的情况下，于分娩期进行数据分析的可行性。在所有分析阶段，通过观察表2所列16个行为谱中的6个发现，小鼠均表现出一般行为（饮水、挖掘、进食、自我理毛）以及母性行为（筑巢、舔舐/理毛）。

在妊娠第17天（GD17）胎儿尚在母体内时（图3A），以及分娩过程中出现肌肉收缩等生理变化时（图3B），均无干扰地记录了母体的心电图。此外，从仔鼠出生（PD 0）至PD 21期间，尽管存在各种哺乳行为，心电图仍被稳定记录（图3C，D）。心电图分析显示，从GD 17到PD 21，心率逐渐下降，而RR间期逐渐延长（表1）。心率变异性（HRV）分析显示，LF/HF比值从PD 0到PD 21显著升高（表1）。

记录的母体行为和一般行为的ethogram与心电图（ECG）一同被细分，如表2所示。我们还证实，当母亲表现出表2中定义的任何行为（如进食（图4A，C）和蹲伏（图4B，D））时，均能无波形干扰地测量心电图。

啮齿类动物遥测植入手术；包括导联放置和生理数据采集设置。
图1：小鼠妊娠第14天植入遥测装置。（A）两条导联连接至遥测仪。黑色代表阴极导联，白色代表阳极导联。（B）阴极和阳极导联捆扎后置于颈部，遥测仪放置于腹侧。（C）将导联从颈部引出，暴露胸锁乳突肌（SCM）。（D）遥测仪置于腹侧。胸锁乳突肌以粉红色表示，锁骨和剑突以灰色表示。黑线表示阴极导联，橙线表示阳极导联，蓝线表示缝合位置。（E）阴极导联连接至胸锁乳突肌，阳极导联环绕剑突肌连接。（F）所有切口（以红圈表示）均使用20 cm缝线闭合。（G）使用行车记录仪进行视频采集设置。请点击此处查看该图的放大版本。

电生理学分析，ECG信号，显示电压（mV）随时间变化的图。
图 2：使用数据分析软件记录的ECG。 (A) 记录了3秒的ECG。(B) 每次心跳的ECG。(C) 红色虚线表示未记录到ECG的区域。请点击此处查看此图的放大版本。

显示 GD 17、分娩期、PD 0 和 PD 21 各阶段 mV 与 ms 关系的电生理信号图。
图 3：妊娠期、分娩期及哺乳期的心电图。 同一只小鼠在相同时间点记录的心电图结果。(A) GD 17 时的心电图。(B) 分娩期间的心电图。(C) PD 0 时的心电图。(D) PD 21 时的心电图。 请点击此处查看该图的放大版本。

小鼠行为分析，摄食和蹲伏的图像与图表，实验装置。
图 4：行为观察期间的心电图记录。 在出生后第6天（PD 6）对同一只小鼠进行行为谱构建期间记录心电图。(A) 母鼠进食固体食物的图像。(B) 母鼠蹲伏在幼崽上方的图像。(C) 母鼠进食时的心电图。(D) 母鼠蹲伏在幼崽上方时的心电图。请点击此处查看该图的放大版本。

表1：基于妊娠至哺乳期心电图的心率变异性分析。 心率变异性（HRV）分析基于图3所示的心电图数据。所有分析均来自同一只小鼠，并在同一时间段（23:32–23:42）进行。平均RR：心跳间期的平均值；平均心率：心跳频率的平均值；SDSD：连续心跳间期差值的标准差；RMSSD：连续RR间期差值的均方根；pRR50：大于固定时长的心跳间期差值所占百分比；总功率：整个频率范围内包含的总功率；VLF：极低频；LF：低频；HF：高频；SD1：Poincaré分布短轴方向的标准差；SD2：Poincaré分布长轴方向的标准差。请点击此处下载该表格。

表2：定义的行为谱。所有行为谱均基于姿势、持续时间以及访问地点等参数进行定义。请点击此处下载该表格。

讨论

在本方法中，将遥测仪植入妊娠小鼠体内，可在同一只小鼠中持续追踪从妊娠期到哺乳期的心电图。该小鼠在妊娠第17天（GD 17）至产后第21天（PD 21）的所有分析时段（23:32–23:42）均表现出包含活动行为的谱图，表明其处于清醒状态。此外，本研究结果表明，心率从妊娠期到哺乳期逐渐下降。这种下降被认为是由心率恢复正常所致，因为已有多个研究显示，由于血流量增加，妊娠雌性个体的心率会升高11,12。

此外，同一只小鼠从出生后第0天（PD 0）到第21天（PD 21）交感神经活动增强。然而，从妊娠第17天（GD 17）到出生后第0天（PD 0），交感神经或副交感神经活动均未发生改变。与妊娠期间的交感神经数据相似，既往研究未报道大鼠在妊娠第4天至第18天的交感神经和副交感神经活动与未交配大鼠相比存在任何变化20。在小鼠中，母体自主神经活动可能受到仔鼠发育的影响。然而，尚需进一步研究以确定这些自主神经活动特征是否在小鼠母亲中普遍存在，或是否受到觉醒状态的影响。

既往一些针对小鼠的研究在妊娠和哺乳期间记录心电图，但由于母鼠与幼崽分离或处于麻醉状态，其活动和自然行为受到限制17,18,19。相比之下，本研究采用的方法通过将遥测装置和连接至肌肉的电极导联植入皮下，使母鼠在心电图记录期间能够自由活动。特别是即使负极连接于胸锁乳突肌（SCM），仍可在母鼠进食并抬头时成功记录心电图。

此外，植入该装置 体内 允许稳定的记录，即使在母鼠与同笼幼崽接触或受到母鼠活动引起振动的情况下也是如此。例如，即使母鼠在笼内进行自我理毛（数据未显示）或伏身覆盖幼崽时，仍可记录到心电图信号。根据这些结果，该方法能够有效追踪母鼠在与幼崽共同生活期间、且行为不受任何限制情况下的心电图变化。然而，当本研究使用的遥测设备与tBase相距一定距离时，例如母鼠移动至食物架附近或攀爬笼壁时，无法记录到心电图信号。因此，有必要对家居笼环境进行改进。

该方法还允许在进行母性行为和一般行为等活动的同时记录心电图（ECG）。为了在长期时间内于家中笼具内同步记录行为与心电图，采用驱动记录仪5替代视频摄像机。此外，为了详细分析所记录的行为，根据姿势、持续时间及其他参数，将母性行为和一般行为的 ethogram 进一步细分。同一天内不同行为对应的母亲心电图可被分别提取并进行比较。此类比较凸显了母亲在妊娠至哺乳不同阶段，其自主神经活动在母性行为与一般行为之间的差异。

综上所述，本方案可追踪自主神经活动、母体行为和幼崽发育三者之间的相互作用，有助于深入了解从妊娠到断奶期间母体发生改变的特征及其机制。

披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究由日本学术振兴会科研费（JSPS KAKENHI，资助编号 JP 21H04981 和 30974521）及多元、公平中心（Center for Diversity, Equity）提供支持 & 入选，Azabu 大学。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
24小时循环定时器PanasonicWH3311BP
5-0 尼龙缝合线Natsume Seisakusho Co-23s-N2
麻醉箱Natsume Seisakusho CoKN-1010W110×D110×H110mm
麻醉面罩Natsume Seisakusho CoKN-1019-1
麻醉机Natsume Seisakusho CoKN-1071-E
C57BL6/J 小鼠Clea Japan, Inc妊娠14天的小鼠
夹式照明灯Yazawa corporationCLX60X02WH
配置系统AdinstumentsTR190
行车记录仪TranscendTS-DP250A-32G
饲料架Clea Japan, IncCL-2802
异氟烷FujiFilM099-06571
LabChart Pro V8AdinstumentsMLU260/8
LabChart8AdinstumentsMLS060/8
小鼠生物电遥测仪AdinstumentsMT10B
18 G 1 1/2 针头TerumoNN-1838R
面板加热器SANKO4976285145407
PowerLab 4/26AdinstumentsPL2604
可记录计算机Mouse computermouse K7-H
红色灯泡ELPALDG1R-G-GWP254
橡胶面罩Natsume Seisakusho CoKN-1019-M
SD卡（256GB）TranscendTS256GUSD350V可记录约24小时
13 mm缝合针Natsume Seisakusho CoC-24-540-NO.0
7 mm缝合针Natsume Seisakusho CoC-24-540-NO.0000
tBaseAdinstumentsMT110

参考文献

  1. Bowlby, J. Attachment and loss. Vol. 1. 1, Basic Books. New York. (1969).
  2. Teicher, M. H., Samson, J. A. Childhood maltreatment and psychopathology: A case for ecophenotypic variants as clinically and neurobiologically distinct subtypes. Am J Psychiatry. 170 (10), 1114-1133 (2013).
  3. Hoskins, D. H. Consequences of parenting on adolescent outcomes. Societies. 4 (3), 506-531 (2014).
  4. Caldji, C., et al. Maternal care during infancy regulates the development of neural systems mediating the expression of fearfulness in the rat. Proc Natl Acad Sci U S A. 95 (9), 5335-5340 (1998).
  5. Sakamoto, T., Ishio, Y., Ishida, Y., Mogi, K., Kikusui, T. Low maternal licking/grooming stimulation increases pain sensitivity in male offspring. Exp Anim. 70 (1), 13-21 (2021).
  6. Champagne, F., Meaney, M. J. Like mother, like daughter: Evidence for non-genomic transmission of parental behavior and stress responsivity. Prog Brain Res. 133, 287-302 (2001).
  7. Terkel, J., Rosenblatt, J. S. Maternal behavior induced by maternal blood plasma injected into virgin rats. J Comp Physiol Psychol. 65 (3), 479-482 (1968).
  8. Amenomori, Y., Chen, C. L., Meites, J. Serum prolactin levels in rats during different reproductive states. Endocrinology. 86 (3), 506-510 (1970).
  9. Yaguchi, K., et al. Dynamic modulation of pulsatile activities of oxytocin neurons in lactating wild-type mice. PloS One. 18 (5), e0285589(2023).
  10. Kikusui, T., Isaka, Y., Mori, Y. Early weaning deprives mouse pups of maternal care and decreases their maternal behavior in adulthood. Behav Brain Res. 162 (2), 200-206 (2005).
  11. Kodogo, V., Azibani, F., Sliwa, K. Role of pregnancy hormones and hormonal interaction on the maternal cardiovascular system: a literature review. Clin Res Cardiol. 108 (8), 831-846 (2019).
  12. Burke, S. D., et al. Circulatory and renal consequences of pregnancy in diabetic NOD mice. Placenta. 32 (12), 949-955 (2011).
  13. Feldman, R., Magori-Cohen, R., Galili, G., Singer, M., Louzoun, Y. Mother and infant coordinate heart rhythms through episodes of interaction synchrony. Infant Behav Dev. 34 (4), 569-577 (2011).
  14. Yoshida, S., et al. Infants show physiological responses specific to parental hugs. iScience. 23 (4), 100996(2020).
  15. Wass, S. V., et al. Parents mimic and influence their infant's autonomic state through dynamic affective state matching. Curr Biol. 29 (14), 2415-2422 (2019).
  16. Esposito, G., et al. Infant calming responses during maternal carrying in humans and mice. Curr Biol. 23 (9), 739-745 (2013).
  17. Khandoker, A. H., et al. Investigating the effect of cholinergic and adrenergic blocking agents on maternal-fetal heart rates and their interactions in mice fetuses. Biol Open. 11 (4), (2022).
  18. Widatalla, N., et al. Correlation between maternal and fetal heart rate increases with fetal mouse age in typical development and is disturbed in autism mouse model treated with valproic acid. Front Psychiatry. 13, 998695(2022).
  19. Mezzacappa, E. S., Tu, A. Y., Myers, M. M. Lactation and weaning effects on physiological and behavioral responses to stressors. Physiol Behav. 78 (1), 1-9 (2003).
  20. Slangen, B. F., Out, I. C., Janssen, B. J., Peeters, L. L. Blood pressure and heart rate variability in early pregnancy in rats. Am J Physiol. 273 (4), 1794-1799 (1997).

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

相关文章