動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)與水迷宮在阿爾茨海默病研究領域的具體應用
本文以五篇文獻研究實例為參考基礎，將從以下四個方面為大家闡述：水迷宮試驗與阿爾茨海默病、水迷宮特征簡介、EthoVision XT（動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)）如何助您完成水迷宮試驗、研究結果。旨在為您提供更清晰的水迷宮試驗方法，傳遞更前沿的科研資訊。參考文獻在文中將簡稱為（R1~R5）,所有研究實例都采用了EthoVision XT進行視頻追蹤水迷宮試驗。
水迷宮試驗與阿爾茨海默病
Morris水迷宮試驗是英國心理學家Morris于20世紀80年(1981)代初設計并應用于腦學習記憶機制研究的一種實驗手段。
不僅用于研究與空間學習記憶相關的腦區(qū)功能評價， 還被廣泛應用于學習記憶、老年癡呆、海馬/外海馬研究、智力與衰老、新藥開發(fā)/篩選/評價、藥理學、毒理學、預防醫(yī)學、神經(jīng)生物學、動物心理學及行為生物學等多個學科的科學研究和計算機輔助教學等領域，在世界上已經(jīng)得到廣泛認可，是醫(yī)學院校開展行為學研究尤其是學習與記憶研究的首選經(jīng)典實驗。
眾所周知，阿爾茨海默�。ㄒ韵潞喎QAD）是最常見的癡呆癥，它是一種伴隨記憶障礙的神經(jīng)退行性疾病，也是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一。
某些研究提到了引起AD的危險因素。首先提到的是抗胰島素性和糖尿病（R1,R2,R3），因為越來越多的證據(jù)表明這與AD患者的記憶問題密切相關。
其次是腺苷。腺苷存在于我們身體的每一個細胞中，起到抑制大腦神經(jīng)遞質的作用。Orr等人（R4）探討了腺苷A2A受體阻滯劑對AD模型小鼠記憶形成的影響。
神經(jīng)性炎癥在AD病理學中也有重要作用。GABA是另一種被認為在神經(jīng)性炎癥和記憶形成中起作用的神經(jīng)遞質，因此GABA系統(tǒng)也可能是AD治療的一個有趣的靶點。Pilipenko等人（R5）研究了兩種GABA受體激動劑：muscimol 和baclofen。
水迷宮試驗原理
AD伴隨著記憶障礙，因此在AD上進行的許多神經(jīng)行為研究涉及水迷宮測試。那水迷宮試驗的原理是什么呢？老鼠是天生的游泳健將，能夠在水中活動自如。但是，即便是天生的游泳健將，并不意味著它們喜歡在水中的狀態(tài)，也就是說它們厭惡處于水中的狀態(tài)。
此外，游泳本身就是十分消耗體力的活動，對老鼠而言也不例外。在水中時，老鼠會本能的尋找能夠休息的場所。尋找休息場所這一行為過程涉及到復雜的記憶過程，除了要收集與空間定位有關的視覺信息之外，還需對這些信息進行處理、整理、記憶、加固、然后再取出，最終達到成功航行并且找到隱藏在水中的平臺這一目的，順利從水中逃脫。
水迷宮試驗其中最為經(jīng)典的便是定位航行試驗（place navigation）和空間探索試驗（spatial probe）。
定位航行試驗(place navigation)，也叫學習階段試驗。在學習記憶階段，動物的起始位置可能會改變，但平臺的位置不會改變（R2）。此試驗歷時數(shù)天,每天將大鼠面向池壁分別從4個入水點放入水中若干次,記錄其尋找到隱藏在水面下平臺的時間(逃避潛伏期,escape latency)，在為期四至五天的試驗期間，動物每天大約進行四次試驗。
其目的是在視覺線索的幫助下學習對隱藏平臺的定位（R1,R2,R5），時間限制為1（R1,R2,R3,R4）至2分鐘（R5）。若動物還未找到平臺，則試驗人員要進行指導，可將動物放在平臺上10~15秒。通常情況下，動物依賴于自身的空間學習能力，快速定位和找到平臺的速度會變得越來越快。一些研究學者進行試驗前進行預訓練，如Majkutewicz等人（R3）在可見平臺上進行了60秒的試驗。Orr等人（R4）在一個帶有平臺的矩形通道中進行預訓練。
空間探索試驗(spatial probe)是在定位航行試驗后去除平臺,然后任選一個入水點將大鼠放入水池中,記錄其在一定時間內的游泳軌跡,考察大鼠對原平臺的記憶。若大鼠依然去原平臺所在位置去尋找，則說明大鼠對原平臺的存在是有記憶的。
大多數(shù)研究者希望在最后的學習試驗和探索試驗之間至少間隔24個小時。否則，很難區(qū)分短期和長期記憶的形成。除了空間學習任務之外，進行附加學習試驗也備受歡迎與關注。例如，改變平臺的位置，通過另一組試驗來測試動物的反向學習能力。Majkutewicz等人（R3）通過改變平臺每天的位置（每天4次試驗）來測試工作記憶學習。
水迷宮特征簡介
通俗地講，水迷宮是一個大的圓形水池，在尺寸、材質和色彩方面各不相同。Noldus（諾達思）能夠根據(jù)您的需求，幫您定制最合適的水迷宮。所有的水迷宮都與我們的動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）的視頻追蹤完美匹配，于此同時，我們還提供攝像頭、電腦等硬件設備打包服務。在選擇和配置水迷宮時，需要結合您的研究注意以下幾個方面：
01尺寸和顏色
五個研究中（R1~R5）使用小鼠進行試驗的水迷宮大小為122~150cm, 使用大鼠進行試驗的水迷宮的大小為150~180cm，而絕大多數(shù)水迷宮制造廠家提供的尺寸為100~180cm，您可以根據(jù)試驗需求自定義水迷宮大小。水迷宮顏色的選擇要根據(jù)具體情況而定，常見的顏色包括：藍色、黑色、灰色和白色。
02平臺
平臺的大小從直徑為10cm~15cm不等。在平臺被隱藏的測試階段，要被淹沒在水平面以下1至2厘米。許多制造商可提供自動平臺，可通過動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）的視頻追蹤來控制平臺。這種情況下，平臺在試驗過程中可以被提升或折疊。使用四個平臺可切換平臺的象限位置（通過降低其它），無需人工在水池中切換平臺位置；當然您也可以用人工方式進行切換平臺位置。
03水的顏色與溫度
許多研究學者認為大鼠的游泳能力要優(yōu)于小鼠，這樣大鼠在進行試驗時尋找平臺的動機就沒那么強；也有研究學者認為大鼠不喜歡在冷水里。本文中提到的五個研究實例中（R1~R5），溫度在20~25攝氏度之間，變化為1~2度之間。因此，水溫是影響試驗結果的重要因素之一，進行水迷宮試驗時要設定合適的水溫。
除水溫之外，水的顏色也是影響試驗結果的重要因素。特別是白色的水池，水通常是不透明的白色。這樣可以提高與視頻追蹤對象的對比度。Caccamo（R1）等人提到，這樣可以阻礙動物看到平臺。水可以用無毒染料（R1,R4）或奶粉制成白色。
04視覺線索
因為這是一個定位航行試驗，動物要從不同的起始點學習平臺的位置，視覺線索就顯得極其重要。視覺線索可放置在迷宮的墻壁（R3）或者其它地方（R1,R4）。
EthoVision XT如何助您完成水迷宮試驗
可以說，水迷宮試驗中極為重要的參數(shù)是逃避潛伏期（escape latency)。換言之，逃避潛伏期（escape latency)是測量對象到達平臺的速度的量度。盡管可以通過手工測量這個參數(shù)（如使用秒表），但通過視頻追蹤會更精準，因為動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）可以客觀地判斷動物何時到達平臺，并且以完全相同的方式追蹤每個試驗對象。
那么視頻追蹤如何運行的？攝像機安裝在水迷宮的上方，并且此攝像機與安裝了動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）視頻追蹤軟件的電腦相連接。您可以對視頻進行實時追蹤，也可對事先錄好的視頻進行追蹤。
動物在水池中游泳時，動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）可以自動監(jiān)測和追蹤動物的運動及活動。通過這種方式，我們可以獲知動物的具體位置，在某個位置所停留的時間、游泳速度及游泳路徑。
動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）可以畫出視頻圖像中您比較感興趣的區(qū)域，您能夠很容易的看到每個象限及平臺的位置。此外，該系統(tǒng)能夠自動將距離、速度、持續(xù)時間及潛伏期與感興趣區(qū)域聯(lián)系起來。這些參數(shù)和區(qū)域均可通過動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）來進行數(shù)據(jù)篩選和分析。
盡管逃避潛伏期（escape latency）是水迷宮試驗中最常用的參數(shù)，但是在水迷宮試驗中還有其它更重要的變量。逃避潛伏期或到達平臺的潛伏期是指試驗對象到達平臺所花費的時間，所有的水迷宮試驗都使用這個參數(shù)。
在探索試驗中，我們還測量了動物到達平臺所在地點所用的時間及到達正確象限/平臺區(qū)域的時間。動物在正確象限中所花費的時間在探索試驗中非常重要，因為它意味著動物是否找到了正確的位置。
游泳路徑指動物正在使用的搜索策略。它可能不使用外部線索，例如，簡單地在圓圈中游泳直到它撞到平臺上。通向平臺的小路蜿蜒曲折，也可以看出動物是如何自信地朝著它的目標前進的。
速度反映運動能力和動機。它主要用于排除額外的治療效果。如果治療本身影響運動，這可能導致的結果是：水迷宮參數(shù)的差異不是由記憶缺陷引起的，動物可能需要更多的時間才能到達平臺，只是因為速度較慢，而不是因為記憶受損。
此外，EthoVision XT 還可以分析Whishaw失誤率，以上參數(shù)都可以通過動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)（EthoVision XT）進行測量和分析。EthoVision XT允許您同時記錄多個水迷宮的視頻材料，并進行數(shù)據(jù)篩選、分析和可視化；此外，它還能幫助您全自動執(zhí)行試驗，提高研究的通量和效率。
研究結果
mTOR基因去除：2型糖尿�。ㄔ谐扇税l(fā)病型糖尿�。┰黾恿薃D的發(fā)病風險，因此Cacamo（R1）等人研究了在胰島素信號通路中起著至關重要作用的mTOR基因。通過雜交，他們刪除了在Tg2576 AD老鼠模型中的mTOR基因副本。所有的小鼠在五天內學會定位平臺，但它們的學習速度不同。在探索試驗中，基因去除彌補了AD小鼠的記憶缺陷。mTOR基因去除改善了認知和其他病理特征（斑塊和纏結）。
半乳糖治療：胰島素抵抗被認為是AD的病理生理核心。Knezovic等人（R2）探索了葡萄糖半乳糖是否可以減輕AD（腦內鏈脲佐菌素給藥或STZ ICV模型）大鼠的記憶損傷。口服給藥2個月后，結果發(fā)現(xiàn)受損的學習、記憶功能開始趨于正�；笫蟮膶W習能力和記憶力顯著提高。
DMF治療: MaGuktWiCz等人（R3）也研究了胰島素抵抗，并研究了DMF(dimethyl fumarate)的抗氧化和免疫制作用。他們使用STZ ICV大鼠作為AD模型。研究人員發(fā)現(xiàn)，老年性STZ大鼠的空間記憶和神經(jīng)退行性變更嚴重，但DMF治療也更有效。
腺苷阻斷劑：Orr等人（R4）使用小鼠作為AD的模型，以測試腺苷A2A受體拮抗劑（日本治療帕金森的一種改良藥物）是否也能改善AD患者的記憶問題。雖然在AD小鼠中的學習與對照組相同，但用該拮抗劑進行的低劑量治療確實提高了hAPP-J20小鼠的空間記憶，這表明它可以改善AD患者的記憶問題。
GABA受體激動劑：Pilipenko等人（R5）用GABA受體激動劑（muscimol和 baclofen）治療這些“AD大鼠”，研究了GABA記憶形成在STZ ICV大鼠中的作用，結果表明這兩種物質都發(fā)揮了增強記憶（和抗炎）的作用。
謹以此文獻給正在或即將做研究的你，若您對相關文獻或研究感興趣，歡迎致電010-84852246-810或微信公眾號后臺留言咨詢！
參考文獻
1、Caccamo, A.; Belfiore, R.; Oddo, S. (2018). Genetically reducing mTOR signaling rescues central insulin dysregulation in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiology of Aging, doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2018.03.032.
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5、Pilipenko, V.; Narbute, K.; Beitnere, U.; Rumaks, J.;Pupure, J.; Jansone, B.; Klusa, V. (2018). Very low doses of muscimol and baclofen ameliorate cognitive deficits and regulate protein expression in the brain of a rat model of streptozocininduced Alzheimer’s disease. European Journal of Pharmacology, 818,382-399.
