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方法文章

非厌恶性动物固定方法实现对地松鼠视动反射的记录

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DOI：

10.3791/68335

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2025年7月25日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Retinal Neurophysiology Section, National Eye Institute, National Institutes of Health, 2Department of Ophthalmology, Faculty of Medicine, University of Murcia and Biomedical Research Institute of Murcia (IMIB-Pascual Parrilla), 3Striatech GmbH

本文内容

摘要

本方案描述了如何在十三道线地松鼠中测量视动反应，该物种以视锥细胞为主，其视网膜特征与人类黄斑相似。平台设计改进了动物操作过程并降低了焦虑程度，提高了动物在抬高平台上的停留能力，从而实现对视觉功能变化的无创性评估。

摘要

视觉运动反射（OMR）可用于评估动物的对比敏感度和视觉敏锐度。传统上，通常用手直接将小鼠或大鼠放置在小型圆形平台上；然而，此类操作可能引发动物的应激和焦虑，从而在数据分析时引入混杂因素。已有研究表明，采用非厌恶性操作方法（例如使用动物熟悉的隧道或管状工具抓取小鼠或大鼠）可有效降低其焦虑水平。这一点在动物表现出高度应激、过度活跃或运动功能障碍的研究中尤为重要，因为这些状态可能导致动物无法稳定停留在平台上。由Kiyoharu J. Miyagishima博士和Francisco M. Nadal-Nicolás博士领导的研究团队重新设计了传统的OMR平台，采用半封闭式约束结构。该改进首次实现了对十三条纹地松鼠视觉运动反射的记录。十三条纹地松鼠是少数能够感知颜色的哺乳动物之一，其视网膜具有高密度视锥细胞分布的视觉条带，类似于人类黄斑，是研究视锥细胞视觉系统影响的理想模型。

引言

地松鼠因其昼行性生活方式以及视锥细胞为主的视网膜结构，成为研究视觉功能的独特而有价值的模型，其视觉特征与人类视觉高度相似1。与灵长类动物相比，地松鼠体型更小、饲养成本更低，具有实际应用优势，因此是研究视网膜损伤、视网膜疾病或药物对色觉改变所引起的 ocular 副作用等转化医学研究的理想模型2,3,4,5,6。视网膜疾病的临床前研究依赖于评估动物是否具备视觉能力。视动反射（OMR）提供了一种无需麻醉即可评估动物视觉功能的临床相关方法，能够准确测量视觉敏锐度7,8。在该测试中，动物会用目光追随旋转的条纹图案。旋转条纹引发环境中整体运动的感知，从而触发一种非自主性的头部运动——即视动反射（OMR）。该反射有助于视觉上稳定环境，可通过逐步调整刺激的空间频率或对比度来量化动物的视觉能力。当刺激变得越来越难以察觉时，OMR 最终不再被触发，由此可确定动物的视觉敏锐度或对比度阈值。OMR 的优势在于它是一种反射性反应，因此无需训练，也无需固定头部或进行手术。该反射甚至在刚睁眼的幼年动物中即已存在9,10，使得研究早发性视网膜疾病成为可能。此外，由于该方法为非侵入性，可进行纵向重复测量，从而实现对疾病进展的动态追踪。

大多数OMR测试使用定制或商用系统进行，这些系统包含一个抬高的平台，用于放置动物，平台四周环绕着四个屏幕，显示旋转的黑白条纹图案。条纹朝单一方向（顺时针或逆时针）移动，形成一种运动刺激，引发动物的视觉追踪反应10,11,12,13,14,15,16。测试区域上方安装有一台摄像机，用于捕捉动物对旋转刺激所产生的视觉诱发头部运动。这些头部运动被追踪并分析，以确定动物感知和响应运动的能力，从而评估其视觉敏锐度。

尽管视觉运动反应（OMR）已常规用于小鼠和大鼠，但在13条纹花栗鼠中测量其视觉运动反应一直具有挑战性，原因是这些动物活动过度，且难以停留在高架平台上，即使经过预先训练也难以改善。为克服这一问题，我们开发了一种提供半封闭环境的平台，有助于将动物转移至实验区域。该方法的目标是缩短动物适应实验环境所需的时间，使那些表现出不合作行为或难以停留在平台上的动物也能完成记录，从而提高实验中动物的纳入率。我们还建立了一套利用实验确定的对比度设置来测量花栗鼠视力的方案，并调整了相机参数以获得更优的成像效果，从而实现自动化的分析与追踪。

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方案

涉及动物的实验程序严格遵守美国法律法规及农业部的相关规定。所有动物实验均按照美国国立卫生研究院国家眼科研究所动物护理与使用委员会批准的方案进行。本研究中使用的雄性和雌性十三纹地松鼠（年龄6-8 个月）购自威斯康星大学奥什科什分校松鼠种群中心。本研究中使用的小鼠（rd10：1个月龄，CX3CR1GFP/+：6.5个月龄）由本单位动物实验设施自行繁育。动物及其笼具均随机选取并分配至各实验组。

1. 原型平台和改良操作通道的准备

注意：在用于测量视动反应的系统中，通常采用圆形扁平平台13。然而，对于如松鼠等高度活跃的啮齿类动物模型而言，常难以在这些平台上保持稳定。本设计提供了一个半封闭空间，有助于动物快速适应环境，并减少类似焦虑的行为。这一改进增强了动物的专注能力，同时在记录过程中最大限度地减少了失衡或跌落的情况。

  1. 在 CAD 绘图软件（例如 OpenSCAD 或 FreeCAD）中，设计平台（灰色）和外壳（红色），如图所示 图1.
    1. 确保松鼠平台的关键尺寸保持为长×宽（L × W）：129 mm × 81 mm，厚度：7 mm，以及沿周边延伸的壁高：8 mm。请使用本概念验证研究中所用原型平台（squirrel）的免费CAD标准文档文件补充编码文件 1).
    2. 确保可拆卸顶部外壳的关键尺寸（俯视图）保持不变，即长度（119.5 cm）、宽度（76.2 cm）、侧边高度（50.8 mm）以及部件厚度（3 mm）。使用提供的免费CAD标准文档文件进行复制 本概念验证研究中使用的可拆卸顶部外壳（squirrel）补充编码文件 2).
  2. 根据所使用的支撑平台底座的立柱尺寸，调整平台底部通孔的直径。图中所示直径为40 mm。
  3. 使用白色不透明耗材打印平台。这为相机提供了最大对比度，使追踪软件能够准确检测动物在平台上的轮廓。
  4. 使用不透明的深色耗材（例如红色）打印可拆卸的顶部外壳。这能为啮齿类动物提供庇护感，有助于在将其提起并转移至实验区域前引导其进入隧道。
  5. 请机加工人员使用台式锯将亚克力挤出透明方管切割成约101.6 mm的长度。操作时务必佩戴护目镜，并使用推杆引导亚克力材料通过锯片，以确保双手远离刀刃，避免潜在伤害。
  6. 使用台式锯或装有砂轮切割片的手持式旋转工具，移除其中一个长方形侧面，形成一个开口的顶部，以便上方安装的摄像头能够无遮挡地观察动物的位置和头部运动。
  7. 用手工锉刀或砂纸清洁所有边缘。将截取至合适长度的亚克力挤出透明方管与3D打印的可拆卸顶部外壳组装，形成改装后的操作通道：将外壳放置在方管开口面上方即可完成组装。

2. 设置 OMR 实验区域

  1. 在每次测试动物前后，使用清洁剂/消毒剂对平台和方形管围栏组件进行消毒，以去除不必要的嗅觉线索。
    注意：虽然使用皮革手套来抓取动物并与其直接接触，但在记录过程中不佩戴手套，且不会造成任何持续性或可观察到的混杂效应。
  2. 撕下一小片约 50 mm × 50 mm 的纸巾，折叠后覆盖在基座顶部表面。将 3D 打印的平台放置在 14 英寸高的基座上，纸巾保持在原位。
    注意：纸巾可调节平台的压合贴合度，防止意外移动，为成像提供均匀的白色背景（若基座表面非白色），并在动物记录期间排尿时起到吸水作用，防止平台变得湿滑。
  3. 佩戴皮革工作手套，轻柔地引导动物进入方形管围栏组件中。
  4. 通过将围栏组件放置在平台上，将动物转移至实验区域（图 1J）。
  5. 小心拆下可拆卸的顶部围栏，使动物留在平台上的透明丙烯酸挤出方形管内。关闭 OMR 系统的门。

3. 设置 OMR 软件参数

注意：图示的OMR系统采用了一款紧凑型工业相机，该相机配备对红外光敏感的1/3” CMOS传感器，具备全局快门，帧速率为25帧每秒（fps）。相机搭载F1.6光圈的广角镜头，可实现对实验区域的完整俯视成像。使用标准100%对比度设置对松鼠进行的初步视敏度测试表明，松鼠的视敏度已超出该硬件系统的分辨率极限。实验所用的23.8英寸全高清IPS显示屏水平分辨率为1920像素，因此软件中将最大空间频率硬编码为2 cyc/°。作为对比，C57Bl/6小鼠的视敏度约为0.3–0.5 cyc/°。在2 cyc/°的空间频率下，每条条纹平均宽度为5.3像素。当旋转速度为12°/s、帧率为60帧每秒时，图案每帧移动0.2°，相当于每帧4.2像素（假设像素移动速度均匀）。在接近2 cyc/°的空间频率下，条纹图案接近系统分辨率极限，可能出现混叠效应，导致图案看起来呈反向移动。为避免此类伪影，软件已硬编码将空间频率上限限制为2 cyc/°。

因此，对于松鼠，我们设计了一种在低得多的对比度下进行视力测试的方案。我们选择了一个对比度设置（12.78%），在此条件下松鼠无法分辨空间频率为 2 cycles/° 的条纹图案。

  1.  在实时视频面板中，确保动物能够良好适应新环境，活动逐渐减少并趋于平静。
    1. 在 2 cyc/° 条件下，每条条纹平均宽度为 5.3 像素。将旋转速度设为 12°/s，帧率为 60 帧/秒；假设像素移动速度均匀，则每帧图案移动 0.2°，相当于每帧移动 4.2 像素。将空间频率设置在接近 2 cyc/° 的水平，使条纹图案接近分辨率极限，可能产生混叠现象，导致图案看起来似乎在向后移动。为防止此类伪影，需在软件中硬编码，将空间频率上限限制为 2 cyc/°。
      注：针对松鼠，我们设计了一种方案，在进行视敏度测试时使用显著更低的对比度。我们选择了一个对比度设置（12.78%），在此条件下松鼠无法看到 2 cycles/° 的条纹图案。
  2. 下载 补充代码文件 3。打开 OptoDrum 软件。
  3. 在“设置”选项卡下，点击 导入设置，加载 补充代码文件 3。
  4. 在“设置”选项卡下，将背景阈值偏移设为 17，最小动物尺寸 [px] 设为 30，最大尾部宽度 [% 尺寸] 设为 1。
  5. 在相机设置中，不勾选“反转视频”和“手动相机控制”，并将红外灯设为关闭状态。
  6. 扩大用于追踪的兴趣区域的位置和尺寸，以适应松鼠在探出管口时的姿态。建议值为：位置：X: 359，Y: 237；尺寸：X: 570，Y: 455。请勿将兴趣区域扩展至刺激屏幕上方，以免引发假阳性。
  7. 从顶部面板选择 会话配置（图 2A）。
    1. 对于阶梯法，按如下方式设置估计的空间视敏度：预期视敏度设为 1.800 cyc/°（648 周期）；最佳刺激分辨率为 0.5 cyc/°（180 周期）；测量分辨率为 0.100 cyc/°（36 周期）。
    2. 对于阶梯法，按如下方式设置所需确认次数：失败试验的确认次数设为 3 次，成功试验的确认次数设为 2 次。
      注：可增加成功试验的确认次数以进一步减少假阳性确认的发生。然而，使用本平台及改进的操控隧道后，错误率已保持在可接受的低水平。这主要归因于松鼠相对静止的状态，以及除视觉诱发刺激外极少出现的头部旋转运动。
  8. 在“阶梯”选项卡下（图 2B），将抗锯齿宽度设为 3 px，并不勾选正弦波选项。
  9. 对于测试标准，将对比度锁定在 12.78%，旋转速度锁定在 12 °/s。
    注：在 12.78% 的对比度设置下，松鼠的空间视敏度受限于约 1.5–1.8 cyc/°。此配置不再超过硬件最大设置，因而可用于评估疾病或损伤对空间视敏度的影响。
  10. 当三个参数中有两个被锁定后，“自动设置参数”选项将变为可用（不再呈灰色）。勾选 自动设置参数 旁边的复选框。
  11. 根据预期视觉损伤发生在单眼还是双眼，设置旋转方向。请注意，对于每只眼睛，仅颞侧向鼻侧的运动可引发追踪反应。因此，评估左眼损伤时应使用顺时针（CW）刺激，因为逆时针（CCW）刺激预计会引发正常反应。若预期双眼均存在退变或损伤，可使用双向旋转刺激。
  12. 点击 开始试验 以启动刺激呈现。上方摄像头将开始记录并追踪动物的头部运动。在刺激呈现过程中，点击 分析选项卡 可实时查看角速度（头部旋转）、追踪质量及评分参数。每次刺激呈现结束后，软件将自动判断是否进入下一个 Cyc/°（绿色对勾表示）、重复试验，或降低 Cyc/°（红色叉号表示）。
  13. 在记录过程中，若追踪软件错误地交换了鼻部（红色）和尾部（绿色）标记，请按键盘上的 Ctrl 键，以手动干预纠正头尾方向。
  14. 若动物从平台上掉落，请按 暂停评估 或点击 空格键 暂停试验。将操控隧道从平台上取下，并配合盖子安全地将动物抓起并放回平台。待动物准备就绪后，点击 恢复评估 以继续试验。
  15. 所有试验完成后，点击 摘要选项卡，成功试验将以绿色显示，失败试验以红色显示。绿色圆圈标记的试验表示该松鼠在 12.78% 对比度下的视觉敏锐度阈值。小心地将动物放回其饲养笼中。

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结果

当软件识别出动物在空间频率分辨试验中的表现所确定的视觉阈值时，即认为OKR测试成功。具体而言，该阈值的定义如下：在某一特定空间频率（单位为cyc/°）下连续两次成功的试验，随后在下一个更高空间频率下连续三次失败的试验。本研究在13条纹地松鼠（6-8月龄）上进行了OKR测试，使用标准的圆形平板平台（图3A）与非厌恶性平台及操作隧道（图3B）进行比较。当动物被放置在标准圆形平板平台上时，它们 invariably 从平台上掉落，无法在规定时间内（10分钟）完成自动化的视觉阈值评估。在一次实验中，一只动物甚至从平台上跃起并抓住了上方的摄像头。尽管在这些条件下技术上仍可能测量OKR，但每只动物需要多次尝试并耗费数小时。相比之下，使用非厌恶性平台和操作隧道可在100%的动物中成功完成OKR测量，且无需预先适应或正向奖励训练。

每种平台的坠落潜伏期如图3C所示，最大观察时间为10分钟。动物被分为两组，最初分别置于无外...

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讨论

关键步骤

促进进入隧道——需要考虑的一个重要问题是，松鼠需要3D打印的围栏组件作为亚克力矩形隧道的临时盖子；如果没有这个盖子，它们将不会轻易进入。在我们的设施中，十三条纹地松鼠通常饲养在一个红色的大鼠尺寸圆柱体中（长度：15.24 cm，直径：7.62 cm）。3D打印围栏的作用是让它们对丰富环境的隧道感到熟悉，从而更便于操作。在处理松鼠时必须佩戴厚重的皮手套，因为尽管它们看起来无害，但仍可能咬人或抓伤人，与其他啮齿类动物一样具有不可预测性。可引导动物进入隧道，并通过将手轻轻覆盖在隧道两端以封闭两端的方式进行转移。这种方法造成的应激最小。

表面清洁步骤——另一个重要步骤是使用一种无毒、无腐蚀性且能一步完成消毒和除味的消毒剂，清洁所有与松鼠接触的表面。正确的清洁可降低病原体传播的风险，并通过消除可能在OMR测试期间干扰动物的残留气味，提高数据的完整性。

平台设计与打印——应使用白色或近白色的耗材来制造3D打印平台，以便松鼠与平台之间形成最佳...

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披露

Kiyoharu Miyagishima、Francisco Nadal-Nicolás、John Ball 和 Wei Li 宣布不存在竞争性经济利益。Thomas Munch 是 Striatech GmbH 的所有者兼研发总监。Boris Benkner 是 Striatech GmbH 的创始人兼首席执行官。

致谢

本研究部分得到了美国国立卫生研究院（NIH）国家眼科研究所院内研究计划的支持。本工作还得到了美国国防部健康事务助理部长办公室和国防卫生局J9研究与开发局通过视觉研究计划（资助编号：CDMRPL-18-0-VR180205）的支持。文中观点、解释、结论和建议均为作者个人意见，不一定代表美国国防部的立场。作者感谢Wenxin Ma博士提供了rd10和CX3CR1GFP/+小鼠，感谢Haohua Qian博士（NIH，NEI视觉功能核心实验室）在OMR实验方面的深入讨论和技术支持，感谢NIMH/NINDS/NICHD机械车间在部件加工方面的协助，以及感谢Charles King（NIH图书馆）在3D打印方面的帮助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
12V 最大锂离子无线旋转工具套装Dremel 8220F0138220JA用于切割和抛光亚克力方形管。
https://www.dremel.com/us/en/p/8220-1-28-f0138220aa
6-0 涂层薇乔（聚乳酸-910）缝合线EthiconJ670G用于缝合眼睑。
https://www.ethicon.com/na/epc/code/j670g?lang=en-default
透明无色亚克力方形管（2" x 12"）Canal Plastics CenterRT-300161透明矩形通道（用于小鼠）。
https://www.canalplastic.com/products/clear-colorless-acrylic-square-tube
透明无色亚克力方形管（3" x 12"）Canal Plastics CenterRT-300168透明矩形通道（用于花栗鼠）。
https://www.canalplastic.com/products/clear-colorless-acrylic-square-tube
DREMEL EZ SpeedClic：塑料切割轮DremelSC476用于切割亚克力方形管
F270 3D 打印机Stratasys用于打印平台的工程级 3D 模型。
https://support.stratasys.com/en/printers/fdm-legacy/uprint
Fluriso（异氟烷）VetOne 502017全身麻醉剂，吸入用液体。
http://vetone.net/Default/GetFile?id=7dda0c60-45fa-e711-bf2e-0024e8785118
FreeCAD 1.0 开源参数化 3D 建模软件
Igor Pro 软件版本 6.3.7.2WaveMetrics, Inc用于绘制图表。https://www.wavemetrics.com/
低轮廓麻醉面罩（用于传统蒸发器）
 适用于 SomnoFlo，超大号（动物体重超过 300 g） 		Kent Scientific corporationSOMNO-0804用于提供全身麻醉。
https://www.kentscientific.com/products/low-profile-anesthesia-masks-for-somnosuite/
适用于 Windows 的 MakerBot Print 版本 4.10.1.2056MakerBot Industries, LLC用于调整打印部件方向的软件
MakerBot Replicator 桌面 3D 打印机（第五代）MakerBot Industries, LLCMP05825用于 3D 打印平台的原型版本。
https://www.rnd-tech.com/product/makerbot-replicator-desktop-3d-printer-5th-gen/
Microsoft ExcelMicrosoft电子表格软件，用于数据分析。microsoft.com/en-us/microsoft-365/excel
多功能皮革工作手套Steiner IndustriesSPC02用于处理花栗鼠。
https://www.steinerindustries.com/leather-palm/product/steiner-spc02-leather-palm-work-glove
OptoDrum PlusSTRIA.TECH商用设备，用于测量视动反射（视觉敏锐度和对比敏感度）https://stria.tech/products/optodrum/ 
OptoDrum 软件版本 1.7.3STRIA.TECH用于自动测量视动反射的软件。
Peroxigard 即用型清洁剂/消毒剂 PeroxigardPRTU242101用于在实验之间清洁/消毒平台和亚克力方形管。
https://peroxigard.com/product-information/rtu/
Pureline M6000 麻醉机
配氧气浓缩器		Penn Veterinary Supply, Inc.SUPM6000用于动物麻醉。
https://www.pennvet.com/customer/portal/catalog/home?urile=wcm:path%3APennVet+Catalog/Product+Catalog/SUPM6000/Pureline+M6000+Anesthesia+Mach+w_O2+Conc
uPrint SE Plus 3D 打印机Stratasys用于打印平台的工程级 3D 模型。
https://www.makerbot.com/makerbot-print/
白色不透明 MakerBot PLA 丝材，
大卷装适用于 Replicator+（0.9kg，2lb）		MakerBot Industries, LLCMP05780用于 3D 打印平台的丝材。
https://store.ultimaker.com/3d-printer-materials/replicator-series-materials/makerbot-pla-material-large-spool-for-replicator
药理学处理
新霉素和多粘菌素 B 硫酸盐
及杆菌肽锌眼膏，USP		Bausch & LombRX-0069三重眼科抗生素，用于预防眼部感染
盐酸丙帕他卡因 0.5%Akorn17478-263-12用于眼科滴注的局部麻醉剂

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