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方法論記事

社会的孤立を最小限に抑える自発的なホイールランニングプロトコルを使用したマウスの個々のランニングメトリクスの追跡

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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

この記事について

サマリー

このプロトコルは、さまざまな研究状況で実装できる効果的な自発的なホイールランニングモデルを記述しています。他の自発的なランニングモデルとは異なり、この方法は、個々のマウスのランニングメトリクスを追跡しながら、アイソレーションハウジングを回避します。

要約

げっ歯類の自発的なホイールランニング(VWR)は、パフォーマンスと持久力を評価し、運動をシミュレートするために使用されます。能動的な動きを誘発するために嫌悪刺激を必要とする他の運動パラダイムとは対照的に、ホイールランニングは自発的です。VWRは通常、マウスホームケージ内にランニングホイールを配置することで構成されます。しかし、運動パラメータの分析は、通常、マウスが個別に飼育されている場合にのみ実施できますが、マウスがグループ飼育されている場合は、ケージ全体の効果を報告できます。したがって、現在のモデルでは、実験者は、単一飼育マウスで個々の運動パラメータを測定するか、グループ飼育マウスでグループ効果を測定するかを選択することを余儀なくされています。研究課題やモデルによっては、これが制限される可能性があります。

したがって、この方法の目標は、個々のマウスの実行パラメータを最小限にとどめて、マウスモデルでVWRを評価するプロトコルを実証することです。デバイスのデザイン、術前準備、実験のセットアップについてレポートします。このVWRモデルを使用した6週間のトレーニングプロトコルの結果は、運動の臨床効果に匹敵する、空間物体認識記憶を増加させるのに十分な刺激を提供することを示唆しています。このシンプルで安価なモデルは、ホイール活動の複数の測定に対するVWRの影響の調査を容易にし、実験結果を制限または影響を与える可能性のある要因を最小限に抑えます。

概要

運動は、生理学的および心理的健康に有益な影響を与え、多くの疾患の病態生理を改善することができます1.身体活動は健康寿命にとって重要であり、世界保健機関(WHO)は2020年に、身体活動を増やすと、精神障害を含む多くの病気のリスクが低下すると報告しました2。運動は、病気の予防に加えて、血流を刺激することで脳機能を強化することができます3、特に学習と記憶の重要な脳領域である海馬4、ホルモン調節5、脳由来の神経栄養因子レベルの増加によるシナプス可塑性を誘発します6。これらのメカニズムを通じて、運動は認知機能と記憶を改善することができます7,8,9.運動によって促進される追加の神経生物学的メカニズムには、エンドルフィンの放出10、コルチゾールの減少11、睡眠の質の改善12、神経炎症の抑制13などがあります。以前は
自発的な運動が、オスとメスのマウス14の慢性的なストレスや不安様行動に対する回復力を促進できることを実証しました。身体活動が疾患の転帰を改善するという証拠は、メンタルヘルスの促進と相まって、運動の予防的および治療的可能性についての理解を深めるなど、身体活動を奨励する戦略の必要性を強調しています。

運動が生物学的機能に及ぼす影響を研究する一つの方法は、運動のげっ歯類モデルを使用することです。これらのモデルは、運動強度と頻度に応じて、心拍出量を増加させ、乳酸産生をさまざまなレベルに誘導するのに効果的です。運動の治療効果を研究するために使用される一般的なモデルには、水泳、トレッドミルトレーニング、高強度インターバルトレーニングなどがあります15。ただし、一部のモデルの欠点は、非自発的または強制的な運動であり、ストレスの多い経験になる可能性があります。例えば、モデル脳虚血傷害でマウスをトレッドミル走行にさらすと、オープンフィールド試験での不安様行動の上昇、コルチコステロンレベルの上昇、ニューロンの損傷、またはサイトカインレベルの上昇が報告されています16。あるいは、VWRを含む自発的な運動モデルにより、ストレスの多い可能性のある経験を避けることができ、げっ歯類はコンディショニングや強化を必要とせずに自由に走ることができます17。VWRは、通常、4〜5匹のマウスまたは単一飼育マウスのケージを収容するケージ内の走行ホイールへの連続的なアクセスを提供することによって実行されます。したがって、VWRは、実験者からの負の刺激や直接の介入を必要とせず、対処メカニズムやエンリッチメント体験を提供する可能性があるため、ストレスのない条件を提供します18,19,20。

このメソッドの目標は、最小限の分離で個々の実行中のメトリクスの追跡を可能にする、シンプルで安価なVWRプロトコルを提案することです。マウスは、長期にわたる社会的孤立を避けるためにグループで飼育され、ランニングパラメータは、マウスをランニングアリーナで2時間/日だけ隔離することにより、個々のマウスについて記録されます。詳細は、10匹のC57BL/6マウスが2時間/日のランニングホイールにアクセスでき、10匹のC57BL/6マウスがロックされたホイールにアクセスできた6週間のVWRモデルについて提供されています。その結果、このVWRプロトコルは、空間物体認識テスト(SORT)において、最小限の分離で個々のランニングパラメータを追跡し、海馬誘発性空間記憶に対する運動の有益な効果を媒介することに成功したことが確認されました。

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プロトコル

すべての実験手順は、ローマン大学の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。研究開始時の雄マウスの体重は20 gから27 gで、週齢は8〜10週でした。マウスは、制御された環境下（12:12時間明暗サイクル）で、餌と水がad libitum （自由摂取）で提供され、4匹ずつ群れで飼育されました。

1. ホイールのセットアップ

  1. 各ホイールの外側中央円周に、マグネットを1個接着します。このマグネットが速度計のセンサーによって検知され、VWRをモニターします（図 1A）。
  2. ホイールの反対側に、マグネットと同程度の重量の物体（コインなど）を接着してバランスを取り、マグネットの重量による不要な回転を防ぎます。
  3. 速度計とホイールを設置するためのステージを作成します。白いフォームボードを使用し、ホイールのベースに適合する形状に切り出したものをベースにテープで固定します（図 1B）。
  4. 速度計に新しい電池セットを挿入した後、ホイールの外周を測定し、初期プログラミング時にホイールサイズを設定します。
  5. 速度計のセンサーをプラットフォームに接着します。動作を正しく記録できるよう、速度計のセンサーがホイールのマグネットと平行に配置されていることを確認してください（図 1C）。マグネットがセンサーを通過するたびに、1回転としてカウントされます。
  6. マウスによる電線の噛み切りを防ぐため、センサーと電線をダクトテープで巻いて保護します（図 1D）。

静的平衡の概念、ジャイロスコープのセットアップ、バッテリー電源、回転運動のデモンストレーション。
図1: ランニングホイール装置のセットアップ。 (A) ホイールの外縁の反対側に接着された磁石とコイン（赤矢印）。(B) スピードメーターのセンサー用ステージとして使用されるフォームボード製のプラットフォーム（赤矢印）。(C) プラットフォーム上のスピードメーターセンサー（赤矢印）。(D) テープで固定されたセンサー（赤矢印）と完成したホイールのセットアップ。ここをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

2. 装置のセットアップ

  1. 行動解析装置を使用し、40 cm x 40 cm x 35 cm (h) のボックスを4つの区画に分割して、4匹のマウスを同時に個別にテストする。
    1. 以下の寸法に基づいて、2枚の白いフォームボードをカットする：L 30 cm, W 40 cm (図 2A)。
    2. フォームボードの幅 40 cm の辺の中央に 20 cm の切り込みを入れ、2枚のフォームボードが交差できるようにする。
    3. グループ間の清掃を容易にするため、フォームボードを防水粘着紙で覆う。
    4. 2枚の交差するフォームボードを用いて、40 cm x 40 cm x 35 cm (h) のボックスを4つの区画（20 cm x 20 cm x 30 cm (h)）に分割する (図 2B)。
  2. 準備したホイール（上記のホイールセットアップを参照）を各区画の隅に1つずつ配置し、配線を壁にテープで固定する。透明なPerspex製装置の側面に速度計をテープで固定する (図 2C)。

静的平衡；ΣFx=0；装置の配置および構造レイアウトを示す機械的安定性試験のセットアップ。
図2装置のセットアップ (Aフォームボードをカットし、テープで固定します。 (B) 4つの区画に分割されたパーフレックス製装置； (C) 速度計のワイヤーを壁にテープで固定し、1つのホイールを象限のコーナーに配置します。 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. VWR

注：速度計の指標に加えて、追加の行動追跡情報を提供するために、行動追跡ソフトウェアであるANY-maze行動追跡システムを利用しました。

  1. VWRセッションを毎日、明期の同じ時間帯（午前9時から11時まで）に実施する。非運動群のマウスを、同様のアリーナに2時間配置するが、ホイールは固定しておく。ホットグルーを使用してホイールの回転中心を固定し、回転できないようにする。
  2. マウスをVWR室に配置し、30〜60分間馴化させる。
  3. すべての速度計をリセットする。
  4. 各マウスをクアドラントの隅に配置し、2時間自由に走行させる。
  5. 2時間後、マウスをホームケージに戻し、速度計のデータを記録する。
  6. 両群の間に、アリーナとホイールを70%エタノールで清掃する。

4. SORT

注：5週間のVWR終了後、既報のプロトコル21に従い、運動によって海馬機能が改善したかを検証するためにSORTを実施した。

  1. 環境照明のある室内の明相において、馴化セッションおよびSORTを実施する。SORTの1日前に馴化セッションを行い、その際、マウスを個別のケージに移し、テスト室に持ち込んで少なくとも30分間の順応させる。
    1. アリーナの一角を「リリースコーナー」として指定し、すべてのマウスがリリースコーナーを向いた状態で配置され、6分間アリーナ内を自由に探索できるようにする。その後、マウスを個別のケージに戻し、70% ethanolでアリーナを清掃する。
  2. ステップ 4.1.1 を2回繰り返し、各マウスが計3回の馴化セッションを受けるようにする。馴化セッションが完了したら、すべてのマウスをホームケージに戻す。
  3. 24時間後、マウスをテスト室に戻し、テスト前に個別のケージで30-60分間馴化させる。
  4. 2つの異なる物体を、リリースコーナー以外の2つのコーナーから 6 x 6 cm 離れた位置に、カウンターバランスをとって固定する。
  5. 各マウスをリリースコーナーに向かせ、10分間物体を自由に探索させる。その後、マウスを個別のケージに20分間戻し、物体とアリーナを 70% ethanol で清掃する。
  6. 2つの物体のうち1つを移動させ、もう一方の物体の位置は変更せずに、リリースコーナー以外の新しいコーナーから 6 x 6 cm 離れた位置に固定する。
  7. 各マウスをリリースコーナーに向かせ、ホームケージに戻る前に10分間物体を自由に探索させる。このテストを自動ソフトウェアを用いて記録し、物体ごとの探索時間を測定し、以下の通りに探索時間の割合（%）を算出する。
    % investigation time = 行動実験における新規性好みの計算式。時間比分析を示す。

5. 統計解析

  1. すべてのデータは平均値 ± SEMとして表示します。
  2. 統計解析ソフトを用いて統計解析を行い、有意水準を p ≤ 0.05 と設定します。SORTの結果は Studentの T検定を用いて解析します。

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結果

本研究では、20匹のC57BL/6雄マウスを、非運動群（NO-EX）または運動群（VWR）の2群に6週間にわたってランダムに割り当てた。個々の走行パラメータを速度計で毎日記録し、± SEMとして以下にプロットした（Figure 3A-C）。6週間を通じて、マウスが最も活性を示したのは第2週であり、ホイール上での平均走行時間は2,135.87 ± 351.14 s、走行距離は1.16 ± 0.25 km、走行速度は2.25 ± 0.14 km/hであった。対照的に、VWRパラメータが最も低かったのは第6週で、平均時間は1,136.48 ± 136.61 s、平均距離は0.56 ± 0.08 km、平均速度は2.21 ± 0.14 km/hであった。5週間のVWR後、運動が海馬機能に及ぼす有益な効果を翻訳する上での本プロトコルの有効性を検証するため、マウスにSORTを実施した。SORTの結果、物体の新しい位置に対する探索時間が26.87%有意に増加しており、これはVWRが海馬機能に及ぼす効果を反映していた（P = 0.0051）（

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ディスカッション

研究者は、げっ歯類における身体活動とその影響を評価するために、自発的および強制的なランニング パラダイムを含むさまざまな運動パラダイムを使用しています。強制運動パラダイムと比較して、VWRはマウスがより低い強度で自由に走ることを可能にし、ストレスの多い状態を最小限に抑えます22。現在、研究者は、個々のマウスをシングルハウジングして23、24、25、26、27、28、29、30、31 を収集した...

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開示事項

著者には開示すべき利益相反はありません。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ANY-box 5動作テストシステムstoelting65000https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838
自転車コンピュータ自転車有線速度計と走行距離計IPSXP N / A任意の有線スピードメーターは、meausre distsnce、時間、速度は、
クリア接着剤保護ライナー をCon-Tact BrandN/Ahttps://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c
GraphPad Prism 
 インスタント接着剤 496 スーパーボンダーロックタイトS-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 ネオジム磁石応用磁石ND018-6他の磁石を選択する場合は、検閲で検出できるほど強力であることを確認してください
 サイレントスピナー小動物エクササイズホイール(ミニ11.4 cm)KayteeSKU#100079369https://www.kaytee.com/all-products/ 小動物/サイレントスピナーホイール
ホワイトフォームボードPacon5553https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html
動作させることができます。

参考文献

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