中樞神經(jīng)系統(tǒng)的動物行為學(xué)檢測方法,動物學(xué)論文

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的動物行為學(xué)檢測方法,動物學(xué)論文內(nèi)容摘要：動物行為學(xué)檢測方式方法是利用動物覓食、求生、逃避傷害以及喜暗等本能行為和藹慈善于學(xué)習(xí)的特性來觀察動物的情緒和學(xué)習(xí)記憶,進(jìn)而反映動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能變化的實驗方式方法。本文將從實驗原理、儀器組成、測試方式方法以及評價指標(biāo)等方面對中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的動物行為學(xué)檢測方式方法進(jìn)行扼要綜述。本文關(guān)鍵詞語：動物行為學(xué),中樞神經(jīng)系統(tǒng)動物行為學(xué)研究內(nèi)容包括動物領(lǐng)域行為、溝通行為、覓食行為、繁衍行為以及學(xué)習(xí)行為等,動物通過先天本能和后天學(xué)習(xí)來適應(yīng)環(huán)境變化。利用上述特性設(shè)計實驗來觀察動物的情緒變化、認(rèn)知功能改變及其影響因素,有助于了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制和功能變化,并且動物行為學(xué)與神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)等生命科學(xué)的多個分支學(xué)科互相穿插浸透,從不同角度系統(tǒng)闡釋動物行為的產(chǎn)生原因及其機(jī)制。本文針對常用的幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)動物行為學(xué)檢測方式方法作一扼要綜述。1迷宮檢測方式方法1.1Morris水迷宮Morris水迷宮是首選的研究動物空間學(xué)習(xí)與記憶能力的經(jīng)典實驗,廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和毒理學(xué)等多個領(lǐng)域的研究。其原理是利用嚙齒類動物天性怕水而又擅長游泳的特性,連續(xù)訓(xùn)練多日后,使其學(xué)會找到水池內(nèi)位于水下的逃逸平臺,進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能研究。Morris水迷宮由一個圓形水池(直徑120cm,高度50cm)和一個逃逸平臺(直徑10cm,高度22cm)組成。水池分為四個象限,位于水面上方的四個象限中間區(qū)域桶壁上分別貼有正方形、圓形、三角形和菱形作為參照圖案,任選華而不實一個象限正中放置逃逸平臺,水位控制在逃逸平臺上方1-2cm處,水內(nèi)撒入奶粉或墨汁混勻直至動物看不到逃逸平臺為止,實驗期間水溫均保持在242℃[1],保持參考圖案位置、順序及室內(nèi)光線強(qiáng)度等不變。實驗開場前用苦味酸標(biāo)記動物頭部,選擇冷暖色調(diào)分析或灰度值分析以便系統(tǒng)跟蹤其運(yùn)動軌跡。實驗正式開場后,實驗者應(yīng)遠(yuǎn)離水池,使動物看不見實驗者,以防止動物將實驗者視為參考物。圖像采集由水面正上方的數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,實驗結(jié)果分析由系統(tǒng)自動統(tǒng)計處理完成。Morris水迷宮實驗由定位航行實驗(也稱為隱藏平臺實驗)和空間探尋求索實驗兩部分組成。在正式實驗前進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練一天,把動物面朝池壁放入水中,待其自由游泳2min后取出,擦干水分收入籠中。定位航行實驗于天天上午進(jìn)行,持續(xù)6d。每只動物測試4次,單次測試時間為1-2min。動物第一次入水象限為逃逸平臺所在象限的對面象限,其他3次由不同象限隨機(jī)入水(除逃逸平臺所在象限外),入水點在每個象限池壁1/2中點處。動物入水后開場計時,從入水到找到逃逸平臺的時間即為逃避潛伏期,動物找到逃逸平臺后允許其在平臺上停留10-20s,未在規(guī)定的1-2min之內(nèi)找到逃逸平臺的動物,逃避潛伏期記為2min,實驗人員幫助動物找到平臺,并使其停留10-20s,若動物在平臺停留階段掉落水中則重新計時。實驗結(jié)束后將動物從平臺取下,休息30s后進(jìn)行下一次實驗。取2-4次測試成績的平均值作為天天每只動物的測試成績[2,3]。主要的評價指標(biāo)包括逃避潛伏期、游泳軌跡、游泳速度、總運(yùn)動距離以及搜索策略,用以評價動物的學(xué)習(xí)記憶能力[4]?？臻g探尋求索實驗用于測定動物的空間記憶能力,定位航行實驗結(jié)束后24-48h內(nèi),撤去逃逸平臺,開場空間探尋求索實驗,動物的入水點在原平臺象限的對面象限[5]。動物在水池內(nèi)自由游泳1-2min,記錄動物在目的象限(原平臺所在象限)的滯留時間以及進(jìn)入這個象限的次數(shù)。選擇動物原平臺象限滯留時間百分比、經(jīng)過平臺次數(shù)、第一次經(jīng)過平臺時間、有效區(qū)域運(yùn)動時間及進(jìn)入次數(shù)、游泳總路程以及游泳平均速度等作為評價指標(biāo),用來評價動物空間記憶能力的保持情況[4]。除此之外,可根據(jù)實驗需要改良實驗方案,例如間歇出現(xiàn)平臺或放置雙平臺,能夠提高對動物空間學(xué)習(xí)和記憶能力測量的敏感性。1.2八臂迷宮八臂迷宮的實驗原理是在動物饑餓狀態(tài)下,連續(xù)訓(xùn)練多日,其可憑記憶快速選擇出正確放置食物的臂進(jìn)而獲得食物,廣泛用于檢測給藥或研究動物學(xué)習(xí)記憶功能的變化情況。八臂迷宮的實驗裝置由平臺和八條放射狀臂(長425mm寬100mm高225mm)組成[6],每條臂末端有喂食槽(直徑25mm,深度18mm)。正式實驗前兩天進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,放置若干食物在平臺區(qū)及各臂,在八臂迷宮平臺區(qū)同時放入3-4只動物,允許它們自由活動和攝食,時間為10min,天天上下午各一次,持續(xù)2d,以適應(yīng)迷宮內(nèi)部環(huán)境。動物在實驗開場前24h禁食,之后每日限制性給食,自由攝水,使其體重在實驗期間保持在原體重的85%左右。實驗共歷時6d,天天上午進(jìn)行測試,每只動物測試一次,單次測試時間為10min,在八條臂中隨機(jī)選取四條臂作為投食臂,在喂食槽內(nèi)放置食物且實驗期間投食臂位置均保持不變,實驗期間室內(nèi)光線強(qiáng)度以及參考物也均保持不變。實驗者將動物放置于平臺區(qū),用透明罩罩住動物,10s后將透明罩取走,動物任意選擇方向,同時開場計時直至動物吃完四條臂內(nèi)的食物或10min后將動物取出,動物在實驗中再次進(jìn)入已經(jīng)吃過食物的臂的次數(shù)為工作記憶錯誤,進(jìn)入未放置食物的臂的次數(shù)為參考記憶錯誤[7]。實驗利用迷宮區(qū)上方的數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,可選取潛伏期、工作記憶錯誤、參考記憶錯誤、總?cè)氡鄞螖?shù)、正確率以及軌跡圖等作為學(xué)習(xí)記憶的評價指標(biāo)。1.3高架十字迷宮高架十字迷宮是利用動物對陌生環(huán)境的探尋求索欲和對高懸開臂的恐懼構(gòu)成探尋求索和回避的矛盾沖突行為,用來評價嚙齒類動物焦慮狀態(tài)的實驗方式方法。當(dāng)動物從位置較高的開臂俯視時,會產(chǎn)生恐懼不安的心理,另外,嚙齒類動物的嗜暗性使其傾向于在黑暗的閉臂中活動,但對新奇陌生環(huán)境的好奇又促使其在開臂中活動,這就產(chǎn)生了矛盾沖突行為,進(jìn)而導(dǎo)致了動物的焦慮[8],比擬動物在開臂和閉臂內(nèi)的滯留時間和路程能夠評價動物的焦慮行為[9]。高架十字迷宮由開放和封閉的兩條十字形穿插臂組成,距離地面有一定的高度。開臂和閉臂的長度均為50cm,寬度均為10cm。穿插部分也稱為區(qū),為長10cm寬10cm的中平臺區(qū)。為避免應(yīng)激對實驗的影響,動物應(yīng)提早適應(yīng)周圍環(huán)境3h左右,以緩解其緊張情緒。實驗開場后,將動物面朝開臂放于迷宮區(qū),實驗者迅速遠(yuǎn)離迷宮裝置,利用視頻記錄系統(tǒng)記錄動物的活動,時間為5min,每只動物只檢測一次。實驗結(jié)束后,迷宮裝置需用75%乙醇擦拭,以消除殘留的動物氣味,以免影響其他動物的實驗結(jié)果[10]。圖像采集由數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析由系統(tǒng)自動統(tǒng)計處理完成。選取動物進(jìn)入開臂和閉臂次數(shù)、兩臂運(yùn)動距離、總?cè)氡鄞螖?shù)以及滯留時間等作為評價指標(biāo)。1.4開場實驗與高架十字迷宮實驗原理相類似,開場實驗是利用動物在開放敞箱內(nèi)傾向于呆在角落或靠邊行走,但喜歡探尋求索新奇環(huán)境的天性使其傾向于在區(qū)活動,因而導(dǎo)致矛盾沖突行為的產(chǎn)生。開場實驗可用以檢測動物的焦慮程度和自主活動能力[11],評價藥物抗焦慮和致焦慮作用,廣泛應(yīng)用于藥理學(xué)、生理學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等研究領(lǐng)域。開場實驗裝置是大小為長60cm寬60cm高60cm的頂部開口的箱體,內(nèi)面箱底均分為25個方格,位于箱壁一圈的方格稱為外周格,內(nèi)部方格稱為格。在箱體一側(cè)面外設(shè)有反光鏡,用以記錄動物的站立次數(shù)。實驗時,將動物放在實驗裝置區(qū),利用自動視頻監(jiān)控系統(tǒng)記錄5-15min內(nèi)動物的自主活動情況,動物完成實驗后用75%乙醇擦拭實驗裝置,去除氣味,以免對其他動物造成影響[12]。開場實驗的主要評價指標(biāo)包括穿越格子數(shù)、格運(yùn)動距離、停留時間、站立次數(shù)、梳理毛發(fā)次數(shù)以及糞便顆粒數(shù)等。動物的穿越格子數(shù)和站立次數(shù)能夠反映其自主活動能力,動物的格運(yùn)動距離、停留時間、梳理毛發(fā)次數(shù)以及糞便顆粒數(shù)等能夠反映其焦慮情緒[13]。1.5T型迷宮T型迷宮廣泛應(yīng)用于研究不同腦區(qū)對工作記憶、條件辨別學(xué)習(xí)以及交替行為等的影響,與藥物研制或毒理學(xué)研究密切相關(guān)。與八臂迷宮實驗原理類似,T型迷宮利用食物誘導(dǎo),進(jìn)而對動物學(xué)習(xí)記憶及空間定位能力進(jìn)行分析。T型迷宮由兩條目的臂(長46cm寬10cm高10cm)和一條垂直于兩條目的臂的起始臂(長71cm寬10cm高10cm)組成,目的臂末端設(shè)有食物槽,起始臂末端有個起始箱,起始箱和起始臂之間由一隔板相隔離。實驗前限制動物飲食以使其體重保持在原體重的85%左右。實驗適應(yīng)階段讓動物熟悉迷宮并學(xué)會跑到左右目的臂盡頭來獲取食物,允許每只動物在迷宮中滯留20-30min。實驗正式開場后,每只動物進(jìn)行10回實驗,每回包括強(qiáng)迫次和選擇次各一次,時間間隔60s。強(qiáng)迫次為隨機(jī)選取左右方向各五次,按選好的方向?qū)⒏舭宸旁诜悄康姆较騻?cè),阻止動物進(jìn)入非目的方向臂,在食物槽內(nèi)放置一粒食物,待動物進(jìn)入目的臂吃完食物后將其放回籠內(nèi)。30s后開場選擇次實驗,將隔板移開,兩條臂均開放,將鼠放至起始臂,動物將四肢置于目的臂內(nèi)定為一次選擇,觀察記錄動物所選擇的臂,如選擇方向與強(qiáng)迫次方向一樣,則給一粒食物作為獎勵,若不同則無獎勵,并讓其在該臂滯留10s,記為一次工作記憶錯誤[14]。圖像采集由數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,實驗結(jié)果分析由系統(tǒng)自動統(tǒng)計處理完成。T型迷宮主要評價指標(biāo)是動物工作記憶錯誤次數(shù)和完成實驗所需的時間。1.6Y型迷宮Y型迷宮主要用于測試動物空間識別型學(xué)習(xí)記憶和逃避條件反射能力[15],在研究老年癡呆發(fā)病機(jī)理和藥物研發(fā)方面有著廣泛的應(yīng)用,實驗原理是嚙齒類動物天性喜歡陰暗的角落,給予電刺激促使其遠(yuǎn)離陰暗區(qū),逃往有燈光照射的安全區(qū)。實驗中動物利用本身所處空間位置與外界參考物進(jìn)而獲得識別方位的能力[16]。訓(xùn)練后,當(dāng)燈亮起時,動物將逃往安全區(qū)進(jìn)而躲避電擊。Y型迷宮是一個長50cm寬10cm高30cm的三等臂相接裝置,臂間夾角均為120?[17],底部為可通電金屬棒,每臂末端有信號燈,燈亮?xí)r表示該臂未通電為安全區(qū)域,另外兩臂為通電狀態(tài),電壓一般控制在50-70V之間,選取能使動物逃避而又未導(dǎo)致應(yīng)激狀態(tài)的電壓值,淘汰對電刺激過于敏感和不敏感的動物[18]。每只動物在裝置內(nèi)適應(yīng)3min后正式開場實驗,電擊延時為5s,隨機(jī)變換安全區(qū)域,動物立即逃到安全區(qū)為正確反響,下次測試起步區(qū)為上一次安全區(qū)所在臂,連續(xù)20次實驗中至少18次正確即為學(xué)會。運(yùn)用同樣方式方法,在學(xué)會24h后再次進(jìn)行實驗,以測試動物記憶的保持情況。每只動物完成一次實驗后用75%乙醇擦拭實驗裝置,去除氣味以免對其他動物造成影響。視頻分析系統(tǒng)可實時錄像并自動統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)。實驗主要評價指標(biāo)為動物學(xué)會所需訓(xùn)練天數(shù)和次數(shù),以及正確反響次數(shù)比率[19]。動物學(xué)會所需訓(xùn)練天數(shù)及次數(shù)越少,證明動物的學(xué)習(xí)能力越強(qiáng),學(xué)會24h后再次測試時,正確反響次數(shù)比率越高講明動物記憶保持能力越強(qiáng)。1.7Barnes迷宮Barnes迷宮主要用于檢測動物對目的的空間記憶能力,廣泛應(yīng)用于與應(yīng)激相關(guān)的記憶研究以及基因敲除小鼠的行為表型研究中。與高架十字迷宮和八臂迷宮相類似,Barnes迷宮同樣是利用嚙齒類動物喜歡黑暗角落且探尋求索欲強(qiáng)的特性設(shè)計而成。Barnes迷宮實驗裝置是一個可旋轉(zhuǎn)的圓形平臺(直徑122cm,高度140cm),其周邊有18個或40個等距離小圓洞,小圓洞直徑為10cm或5cm,選擇一個洞作為目的洞,在其底部放置一暗箱供動物隱藏[20]。實驗前一天進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,將單只動物由目的洞放至暗箱,停留4min,使其熟悉實驗裝置。實驗開場時,先將動物放至圓形平臺處,用透明罩罩住動物5s,打開透明罩使其自由選擇方向,并開場計時,動物四肢均位于暗箱內(nèi)時,允許其在暗箱內(nèi)停留30-120s,記為一次正確選擇,如在4min內(nèi)未找到暗箱,實驗者將其放入暗箱并停留30-120s,實驗歷時5-6d[21]。為防止動物氣味追蹤找到暗箱,每只動物實驗結(jié)束后,用75%乙醇擦拭平臺并隨機(jī)旋轉(zhuǎn)迷宮(暗箱所處空間位置始終保持不變),以免氣味對其他動物造成影響。圖像采集由數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,實驗結(jié)果分析由系統(tǒng)自動統(tǒng)計處理完成。Barnes迷宮利用動物找到目的洞的潛伏期、進(jìn)入錯誤洞口次數(shù)以及總探尋求索次數(shù)和軌跡圖等作為主要的評價指標(biāo),來反映動物的空間記憶能力。2穿梭箱穿梭箱是常用來評價動物學(xué)習(xí)記憶和行為改變的一種實驗方式方法。通過聲音(光)和電擊刺沖動物,使其學(xué)會逃避,構(gòu)成條件反射,進(jìn)而評估動物學(xué)習(xí)記憶能力的改變[22]。實驗裝置為一長50cm寬16cm高18cm的箱子,箱底部為可通電金屬柵,箱底部分有一隔板將箱子分成左右兩部分。實驗開場前一天的適應(yīng)性訓(xùn)練時間為10min,允許動物在箱內(nèi)自由活動。正式開場實驗時,動物在箱內(nèi)適應(yīng)5min后,被放置于電擊區(qū),10s蜂鳴音后給予10s電刺激(電流強(qiáng)度30V,50HZ),如蜂鳴音響起時,動物逃往安全區(qū),記為主動回避反響,被電擊10s內(nèi)未移動位置或逃往安全區(qū),記為被動回避反響。實驗共歷時10d,天天訓(xùn)練30-50次[23]。通過計算機(jī)視頻控制系統(tǒng)和自動分析軟件處理實驗結(jié)果,可選取主動回避反響次數(shù)及時間、被動回避反響次數(shù)以及主動回避率等作為評價指標(biāo)。3跳臺實驗將嚙齒類動物置于跳臺實驗反響箱內(nèi),由于天性使其更偏愛探尋求索箱體邊緣海外角落位置。與穿梭箱實驗原理類似,跳臺實驗是以電擊為刺激促使動物被動回避進(jìn)而建立條件反射的一種行為學(xué)檢測方式方法,主要用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物干涉效果的評價。跳臺實驗裝置由方形反響箱和位于華而不實心的高站臺組成,箱底部安有銅柵能夠通電。在反響箱內(nèi)動物會為了逃避電擊而主動跳上站臺,若動物跳下站臺將會再次遭到電擊,促使其再次跳回站臺。動物在正式實驗開場前進(jìn)入反響箱內(nèi)適應(yīng)3-5min。實驗時,動物遭到穩(wěn)定電壓電擊后[24],立即跳至平臺上,實驗時間為5min,若動物在5min內(nèi)沒有能跳上平臺則淘汰該動物。24h后再次測試,實驗時間3-5min。圖像采集由數(shù)字?jǐn)z像頭全自動跟蹤記錄,實驗結(jié)果分析由系統(tǒng)自動統(tǒng)計處理完成。選擇錯誤跳下平臺次數(shù)作為動物的學(xué)習(xí)評價指標(biāo),選取動物24h后再測試實驗中第一次跳下平臺的時間和次數(shù)來評價動物記憶的保持能力。行為學(xué)檢測方式方法能夠直接準(zhǔn)確地反映出動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的變化情況,然而實驗動物的種屬、性別、實驗間隔、糞便、氣味以及實驗時間段等均可能會影響動物的行為方式,進(jìn)而影響實驗結(jié)果。因而,怎樣根據(jù)實驗需要選擇恰當(dāng)?shù)膭游镄袨閷W(xué)檢測方式方法就顯得尤為重要。以下為參考文獻(xiàn)[1]SunZZ,ChenZB,JiangH,etal.AlterationofAmetabolismrelatedmolecul