平衡与协调功能测试

平衡与运动协调是运动控制中涉及的关键组成部分。目前，我们已了解多种感觉系统和信息处理系统的基本机制，这些系统帮助我们在进行各种活动时维持平衡。得益于这一认识，小鼠等实验动物也使用类似的系统来维持平衡和运动协调。因此，科学家可以利用小鼠建立 不同的生理状态模型，以观察其在平衡和运动协调测试中的 影响。

本视频将简要讨论平衡与协调背后的神经生理学机制，随后介绍最常用的两种行为学测试——转棒实验和平衡木实验——的一般操作流程。最后，我们将回顾一些当前正在使用这些行为范式开展的研究实验。

在深入探讨行为学测试的实验方案之前，让我们先了解一下决定身体平衡与运动协调性的神经生理学输入信号及处理单元。

视觉线索与身体在空间中位置的本体感觉（即本体感觉）是决定平衡的主要感觉输入。参与这一现象的感受器称为本体感受器，分布于肌肉和关节中，可将身体状态信息传递至中枢神经系统。这些信息与内耳中的前庭系统输入相结合，共同构成我们“本体感觉”的其余部分。前庭系统由三个半规管及其末端的壶腹组成，合称为导管。这些导管内含一种称为内淋巴液的液体。每个导管的壶腹内存在一种称为壶腹嵴的特化结构，其中含有可产生纤毛的毛细胞。当内淋巴液流动时，纤毛随之弯曲，并将信号传递至位于脑干的前庭神经核。在脑干中，来自眼睛、关节和前庭系统的输入信号被分类并进行优先级排序。

最终，所有这些感觉输入信号传至小脑，小脑在无意识状态下整合本体感觉与视觉信息，精细调节运动指令，以提高肌肉的精确性与协调性。尽管关于平衡与协调的神经基础已有大量发现，科学家们仍在努力阐明多种运动障碍的病理生理机制。研究人员用于研究这一问题的工具之一，便是用于检测啮齿类动物平衡与协调能力的行为学测试。

让我们讨论一下用于研究这一现象的最常用测试方法——转棒实验。

转棒装置由三个部分组成。首先是可旋转的圆杆，其尺寸有多种规格。其次是带有分隔区域的通道：该装置可包含多个通道，允许研究人员同时测试最多五只动物，也可以仅使用单个通道逐只测试动物。第三是位于每个通道下方的平台，当动物从旋转圆杆上掉落时，平台可提供安全的着陆区域。在较新型的设备中，这些平台能够感应动物是否掉落，并自动记录“跌落时间”。

在开始训练或实验之前，应进行一段时间的适应性处理，以确保动物在测试前处于平静状态。训练过程包括让动物在加速的转棒上行走，每天进行多次训练，持续数天，直到动物的平均“跌落时间”趋于稳定，即视为训练完成。初始时将转棒设定在较低转速，将动物放置于圆杆上后，再逐步增加旋转速度至最大值。小鼠在每次训练之间应给予充分休息，且在此期间应彻底清洁装置。

训练结束后，可进行实验干预，例如药物处理、手术诱导的损伤或其他物理操作。测试时应遵循与训练阶段相同的方案，即逐步增加圆杆转速，并记录“跌落时间”作为数据。应设定最长测试时间，以避免动物过度劳累。每只小鼠的“跌落时间”需在不同次数的试验中进行记录并取平均值，具体试验次数依实验设计而定。

第二种常用的测试平衡与协调能力的行为学实验使用横梁装置。存在多种不同类型的平衡横梁，包括简单横梁、复杂横梁和倾斜横梁，但基本装置均由一根一米长的横梁组成，横梁悬置于桌面或其他表面以上50至100厘米处。通过运动传感器或视频记录仪测量动物通过横梁所需的时间。横梁终点处设有一个封闭的盒子，内含筑巢材料，用以吸引小鼠；而起点处的照明则作为厌恶刺激。

平衡横梁训练通常每天进行不超过三次，持续数天。训练持续至动物通过横梁的平均时间趋于稳定为止；然而，过度训练可能导致动物在横梁上停滞或转身次数增加。在完成实验干预后，进入测试阶段，记录“通过时间”作为数据指标。通常，结果基于至少两次未发生停顿或无需人为推动的完整通过过程取平均值得出。

现在我们已经了解了常用行为学测试的实验设置，接下来让我们看看这些方法的一些具体应用。

衰老是一种正常的生物学过程，其后果之一是前庭系统的退化，因为毛细胞产生的纤毛减少并开始死亡。这会导致平衡能力下降，从而增加老年人跌倒的风险。在此实验中，不同年龄的小鼠接受前庭功能挑战，即在旋转器中旋转20秒后，立即穿越一条倾斜的横梁。研究人员观察到，与年轻小鼠相比，老年小鼠在前庭功能挑战后表现出更显著的影响。

转棒实验可用于研究整体运动功能缺陷和抗疲劳能力，因此非常适合用于研究肌营养不良等疾病。肌营养不良的典型特征是肌肉损伤，最终导致运动能力、协调性和平衡能力的下降。在此实验中，研究人员比较了野生型小鼠与肌营养不良小鼠模型在转棒上的运行时间。

帕金森病的特征是黑质中多巴胺能神经元的死亡，常表现为运动功能障碍和协调能力丧失。在此实验中，研究人员进行了高难度横梁测试。通过比较野生型小鼠与基因工程构建的帕金森病模型小鼠，发现帕金森病小鼠每步的错误次数以及单位横梁宽度内的错误次数均显著增加。

您刚刚观看了 JoVE 关于平衡与协调测试的视频。该视频讨论了平衡与协调的神经相关机制、一些重要的平衡测试方法，以及目前在神经科学研究实验室中这些行为测试的若干应用。一如既往，感谢您的观看！