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方法文章

使用最小化社交隔离的自主跑轮运动方案追踪小鼠个体跑步指标

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DOI：

10.3791/67960

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2025年4月18日

 ,  ,  , 
1Department of Biological & Biomedical Sciences, College of Science & Mathematics, Rowan University

本文内容

摘要

本方案描述了一种可在多种研究背景下实施的有效自主转轮跑模型。与其他自主跑台模型不同，该方法在追踪单个大鼠跑步参数的同时，避免了隔离饲养。

摘要

啮齿类动物的自主转轮跑动（VWR）用于评估运动表现和耐力，并模拟运动状态。与其他需要厌恶刺激来诱导主动运动的运动范式相比，转轮跑动是一种自主行为。VWR 通常是在小鼠的饲养笼内放置一个跑动转轮。然而，对运动参数的分析通常只能在单只饲养的小鼠中进行，而群体饲养的小鼠则可用于报告整个笼内群体的效应。因此，现有的模型迫使研究者必须在单只饲养条件下测量个体运动参数，或在群体饲养条件下测量群体效应之间做出选择；根据具体的研究问题和实验模型，这种限制可能会影响实验设计。

因此，本方法的目的是展示一种通过量化单只小鼠的跑步参数来评估小鼠模型中自愿跑轮（VWR）活动的实验方案，同时尽量减少隔离因素。本文报告了设备设计、术前准备及实验设置。使用该VWR模型进行为期6周的训练方案结果显示，该模型能够提供足够的刺激以增强空间物体识别记忆，其效果可与运动的临床效应相媲美。这一简单且低成本的模型有助于研究VWR对多种跑轮活动指标的影响，同时最大限度地减少可能限制或影响实验结果的因素。

引言

运动对生理和心理健康具有有益影响，并可改善多种疾病的病理生理过程1体力活动对健康寿命至关重要，世界卫生组织（WHO）在2020年报告指出，增加体力活动可降低多种疾病的风险，包括心理障碍2除了疾病预防之外，运动还能通过刺激血流来增强大脑功能3，诱导神经发生，尤其是在海马体中4，学习与记忆的关键脑区，激素调节5，并通过提高脑源性神经营养因子水平促进突触可塑性6通过这些机制，运动可以改善认知功能和记忆力7,8,9运动促进的其他神经生物学机制有助于心理健康，包括内啡肽的释放10，皮质醇降低11，改善睡眠质量12以及神经炎症的抑制13我们此前已
证明了自主运动可以 促进对慢性应激的适应力 雄性和雌性小鼠的焦虑样行为14体力活动改善疾病预后并促进心理健康的证据表明，有必要制定鼓励体力活动的策略，包括进一步加深对运动在预防和治疗方面潜力的理解。

研究运动对生物功能影响的方法之一是使用啮齿类动物的运动模型。这些模型能够有效提高心输出量，并根据运动强度和频率诱导产生不同程度的乳酸。常用于研究运动治疗作用的模型包括游泳、跑步机训练和高强度间歇训练15。然而，某些模型的一个缺点是属于非自愿或强制性运动，可能给动物带来应激反应。例如，在模拟脑缺血损伤的小鼠模型中进行跑步机跑步时，已有研究报道动物在敞箱实验中表现出焦虑样行为增强、皮质酮水平升高、神经元损伤或细胞因子水平上升16。相比之下，自愿运动模型（如自由转轮跑，VWR）可避免潜在的应激体验，使啮齿类动物能够在无需训练或强化的条件下自由奔跑17。VWR通常通过在饲养4–5只小鼠的笼子或单笼饲养的小鼠笼中持续提供转轮来实现。因此，VWR提供了非应激性的条件，因其无需施加负面刺激或实验人员的直接干预，可能为动物提供一种应对机制或环境丰富化体验18,19,20。

本方法旨在提出一种简单且低成本的VWR方案，能够在最小化隔离的情况下追踪个体小鼠的跑步指标。为避免长期社会隔离，小鼠采用群养方式，每天仅将小鼠单独置于跑步区域2小时，即可记录其个体跑步参数。文中详细描述了一个为期6周的VWR模型：10只C57BL/6小鼠每天可接触可转动跑轮2小时，另10只C57BL/6小鼠则接触锁定的跑轮。结果证实，该VWR方案能够成功在最小化隔离的前提下追踪个体跑步参数，并在空间物体识别测试（SORT）中有效介导运动对海马相关空间记忆的有益影响。

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方案

所有实验程序均经罗文大学动物护理与使用委员会批准。雄性小鼠体重在20 g至27 g之间，实验开始时年龄为8至10周。小鼠每4只一组饲养于受控环境（12:12 h 光照/黑暗循环）中，并提供 随意摄取 食物和水的获取

1. 轮子设置

  1. 在每个转轮的外侧中周位置粘贴一块磁铁。该磁铁将被速度计的传感器检测，以监测转轮转速（VWR）（图 1A）。
  2. 在转轮的对侧位置，粘贴一个与磁铁重量相近的物体（如硬币），以平衡磁铁重量，防止因磁铁重量导致转轮发生不必要的旋转。
  3. 为速度计和转轮制作一个支架。使用白色泡沫板，裁剪出与转轮底座形状相匹配的一块板，并用胶带固定在底座上（图 1B）。
  4. 将新电池装入速度计后，在初始设置过程中通过测量转轮的外周长来设定轮径大小。
  5. 将速度计的传感器粘附在支架平台上。确保速度计的传感器与转轮上的磁铁保持平行，以保证对运动的准确记录（图 1C）。每次磁铁经过传感器时，即计为一次转轮转动。
  6. 用胶带将传感器及其导线包裹起来，以防止小鼠啃咬导线（图 1D）。

静态平衡概念、陀螺仪装置、电池供电、旋转运动演示。
图1：跑轮装置的搭建示意图。 (A) 在轮子外缘相对两侧分别粘贴一块磁铁和一枚硬币（红箭头所示）。(B) 由泡沫板制成的平台（红箭头所示），用于放置速度计的传感器。(C) 将速度计传感器置于平台上（红箭头所示）；(D) 固定好的传感器（红箭头所示）及最终完成的跑轮装置。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. 仪器设置

  1. 使用行为学实验装置，将 40 cm × 40 cm × 35 cm（高）的箱体划分为四个象限，以同时独立测试四只小鼠。
    1. 根据以下尺寸裁剪两块白色泡沫板：长 30 cm，宽 40 cm（图 2A）。
    2. 在泡沫板 40 cm 宽的一侧中间位置进行 20 cm 的切口，以便两块泡沫板相互交叉。
    3. 用防水胶贴纸覆盖泡沫板表面，便于在不同组间进行清洁。
    4. 利用两块交叉的泡沫板将 40 cm × 40 cm × 35 cm（高）的箱体划分为四个象限（每个象限 20 cm × 20 cm × 30 cm（高））（图 2B）。
  2. 在每个象限的角落放置一个已准备好的转轮（参见上述转轮设置），并将导线用胶带固定在箱壁上。将速度计用胶带固定在透明有机玻璃装置的侧面（图 2C）。

静力平衡；ΣFx=0；显示装置对准和结构布局的机械稳定性测试装置示意图。
图2：实验装置示意图。（A）泡沫板裁剪并用胶带固定；（B）有机玻璃装置被划分为四个象限；（C）一个车轮放置在象限的角落，速度计导线用胶带固定在墙上。请点击此处查看此图的放大版本。

3. VWR

注意：除了速度计指标外，我们还使用了行为追踪软件——ANY-maze行为追踪系统，以提供额外的行为追踪信息。

  1. 每天在光照期的同一时间进行VWR实验（上午9点至11点）。将不运动的小鼠放置在相同的实验区域内2小时，但轮子处于锁定状态。使用热熔胶固定跑轮的旋转中心，以限制其转动。
  2. 将小鼠放入VWR实验房间，适应环境30–60分钟。
  3. 重置所有计速器。
  4. 将每只小鼠放置在象限的角落，使其可自由奔跑2小时。
  5. 2小时后，将小鼠放回其原饲养笼，并记录计速器数据。
  6. 在两组实验之间，使用70%乙醇清洁实验区域和跑轮。

4. 排序

注意：在自由转轮跑（VWR）5周结束后，根据已发表的方案21进行SORT实验，以检测运动是否改善了海马功能。

  1. 在环境光照的房间内，于光照期进行适应性训练和物体位置识别测试（SORT）。在SORT前一天进行适应性训练，将小鼠移入单独的笼子，并将其带入测试房间至少适应30分钟。
    1. 将测试 arena 的一个角落指定为“释放角落”，确保每只小鼠均面朝该释放角落放置，使其自由探索 arena 6分钟。之后将小鼠放回各自的单独笼子，并用70%乙醇清洁 arena。
  2. 重复步骤4.1.1两次，使每只小鼠共经历三次适应性训练。完成所有适应性训练后，将所有小鼠放回其原居住笼中。
  3. 24小时后，将小鼠重新带回测试房间，在测试前让其在单独笼子中适应30–60分钟。
  4. 将两个不同的物体以交叉平衡的方式固定在 arena 内，距离两个非释放角落各6 × 6 cm处。
  5. 将每只小鼠面朝释放角落放置，使其自由探索物体10分钟。之后将小鼠放回各自的单独笼子中静置20分钟，并用70%乙醇清洁物体和 arena。
  6. 移动两个物体中的一个，将其重新固定在距离新的非释放角落6 × 6 cm的位置，另一个物体位置保持不变。
  7. 再次将每只小鼠面朝释放角落放置，使其自由探索物体10分钟，之后放回其原居住笼。使用自动化软件记录本次测试过程，测量每只小鼠对每个物体的探究时间，并按以下公式计算探究时间百分比：
    % 探究时间 = 行为学实验中新奇偏好计算公式，展示时间比率分析。

5. 统计学分析

  1. 所有数据均以均值 ± 标准误表示。
  2. 使用统计分析软件进行统计分析，显著性水平设定为 p ≤ 0.05。采用Student's t检验分析SORT结果。 T测试。

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结果

本研究中，20只C57BL/6雄性小鼠被随机分为两组：不运动组（NO-EX）和运动组（VWR），干预持续6周。每日记录个体跑步参数，并以速度计记录结果，如下图±SEM所示（图3A-C）。在6周期间，小鼠在第2周活动最活跃，平均在跑轮上运动时间为2,135.87 ± 351.14 s，移动距离为1.16 ± 0.25 km，平均速度为2.25 ± 0.14 km/h。相比之下，第6周的VWR参数最低，平均运动时间为1,136.48 ± 136.61 s，平均移动距离为0.56 ± 0.08 km，平均速度为2.21 ± 0.14 km/h。在完成5周VWR干预后，小鼠接受对象位置识别测试（SORT），以评估该方案在转化运动对海马功能益处方面的有效性。SORT结果显示，小鼠对物体新位置的探索时间显著增加了26.87%，反映了VWR对海马功能的影响（P = 0.0051）（图3D）。

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讨论

研究人员采用多种运动范式来评估啮齿类动物的身体活动及其影响，包括自主运动和强制运动范式。与强制运动范式相比，自主跑轮运动（VWR）允许小鼠以较低强度自由奔跑，从而最大限度地减少应激状态22。目前，研究者可通过单只饲养小鼠来收集个体的运动参数23,24,25,26,27,28,29,30,31，或记录群养小鼠笼内整体的运动参数。当小鼠群养并共用一个跑轮时32<...

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披露

作者声明无利益冲突。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ANY-box 5项行为测试系统Stoelting65000https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838
自行车有线码表和里程表IPSXP N/A任何可测量距离、时间、速度的有线码表均可使用
透明自粘保护衬垫 Con-Tact 品牌N/Ahttps://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c
GraphPad Prism 
 Loctite 496 瞬干胶 Super BonderLoctiteS-24546https://www.uline.com/Product/Detail/S-24546/Adhesives-Glue-Epoxy/Loctite-Instant-Adhesive-496-Super-Bonder?pricode=WB0948&gadtype=pla&id=
S-24546&gad_source=1&gclid=Cjw
KCAjw68K4BhAuEiwAylp3klS0FN
Ur-l_xKkue1NUmruDDV48QO5b2tVH
W9Bc08s9eZKmedj-yxBoCgIEQAvD_BwE
Pro Mag 钕磁铁Applied MagnetsND018-6若选用其他磁铁，需确保其磁力足够强以被传感器检测到
 静音转轮小型动物运动跑轮（迷你 11.4 cm）KayteeSKU# 100079369https://www.kaytee.com/all-products/ small-animal/silent-spinner-wheel
白色泡沫板Pacon5553https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html

参考文献

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