脑声常谈丨经典型行为学实验和新兴动物行为学实验
经典动物行为学实验
动物行为学实验是通过测量动物行为特征，以评估疾病或治疗对动物运动功能的影响和结果。在小脑共济失调疾病动物模型研究和基础实验中常用的经典动物行为学实验。
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旷场实验
该实验被用作一般运动活动的度量，通过客观地监测运动参数，对比动物在旷场内部运动时间、运动速度及运动距离对实验动物的自主运动进行评估。研究表明，小脑共济失调模型小鼠表现为运动距离下降，活动降低，运动能力下降。
平衡木实验
该实验根据动物穿过平衡木时的滑倒次数、时间及速度来评估动物运动、平衡及协调能力。该实验操作相对简单且灵敏，但行为测量可能较为主观，且不适用于无法行走的重度共济失调动物。研究表明，小脑共济失调小鼠穿过平衡木时间增长，速度较慢，滑倒次数增加。
转棒实验
该实验用于评估小脑共济失调动物的运动、平衡和协调能力，通过常用指标“跌落潜伏期”和“跌落时转速”来评估动物的协调性、耐力和肌肉力量。此外，肌力异常可进一步通过网格实验和握力实验排除。研究表明，在转棒实验中，小脑共济失调模型小鼠的跌落潜伏期缩短，跌落时速度降低，运动能力降低。
新兴动物行为学实验
经典动物行为学实验无法精确区分运动异常是否由于小脑功能障碍引起，且局限性和主观性较强，实验影响因素较多，因此只能检测动物运动功能和步态的严重缺陷，这导致研究者无法检测到疾病早期细微但特异的运动表型，难以与临床症状相联系。新兴动物行为学实验为研究人员提供了非侵入式、高通量、操作简便且全自动测试的方式来准确量化啮齿动物的运动能力和运动学习能力。通过快速确定仅由病理本身引起的运动变化并量化多种参数，为研究者精确监测与小脑共济失调疾病病程相关的感觉和运动缺陷提供很大帮助，同时及时对治疗情况进行反馈，是研究小鼠运动和小脑功能相关性的理想工具。
动物步态分析系统
该系统由玻璃走道、高清摄像机、足迹增强板、背景增强系统和诱导箱组成，采用高清摄像头跟踪动物自由穿过玻璃走道，根据动物四足折射光可以精确记录动物足印的实际位置，通过统计计算机捕捉到的动物足印高分辨率图像来测量每个足印的尺寸、位置和时间的细微变化，并记录动态足迹，实现足迹的可视化呈现。此外，还可以计算足迹尺寸，并根据足迹尺寸、形状和足迹之间的距离和时间等足迹数据计算包括步幅、摆动速度和协调指数等多种步态参数，用于对足迹和步态进行准确客观的定性和定量分析。该系统减少了实验混杂因素，并提升了实验的准确性、灵敏度和灵活性，详细的足迹映射使系统能够同时准确测量动物的多个时间、空间和肢体间协调参数。小脑共济失调小鼠表现出摆动时间增长、协调指数降低、步幅缩短及足迹位置异常等步态特征，这与临床小脑共济失调患者症状类似，该系统是评估小脑共济失调疾病潜在治疗药物疗效的有效工具。
Fig1 动物步态分析系统信息
Ａ：动物步态分析系统设备图；Ｂ：小鼠行走录像图；Ｃ： 小鼠四足足印及其时间分布图；Ｄ：小鼠四足足印图；Ｅ： 动物步态分析系统参数表
小鼠琴键式运动行为分析系统
该系统由步道、触敏传感器和两个目标箱（装有灯光和压缩空气等刺激装置）等组成。步道共由74个琴键组成，系统发送启动信号后，会自动进行完整的实验过程，然后将实验数据发送回软件进行存储和分析。实验包括８个实验阶段，前４个阶段是训练阶段，系统通过记录跨步距离和跨步时间评估动物的运动表现和运动学习能力，后４个阶段包含由条件刺激和非条件刺激组成的挑战，动物需要面对突发障碍的挑战，避开障碍，可具体地对动物的联想运动学习能力进行评估，且软件会避免连续测试过程中出现相同的障碍，从而更加精准地评估小脑功能。研究也证实了小脑共济失调小鼠表现出更大比例的踏步错误。此外，踏步错误次数以及在连续实验中失误次数的变化还可以作为评估小鼠运动学习能力的指标。
与其他行为学检测方法相比，该行为分析系统还具有以下优势：第一，该系统提供跨步时间、步幅大小、踏步错误和跨步距离等极其详细的参数研究关于运动表现、肢体间协调和运动学习的能力，并且可区分身体右侧和左侧的数据，适用于研究仅影响身体一侧的疾病模型。第二，设计合理，难度适中，所有动物均可进行测试，即使是严重小脑共济失调的动物也可以进行这种高度敏感的测试。第三，该系统是非侵入性且可调整，因此该系统可以对动物进行较长时间的测试，从而提供有关造模、治疗、恢复和衰老等随时间发展对运动性能和运动影响的高质量数据。综上所述，该系统是专为研究小鼠运动表现、运动学习和测试小脑功能而设计，可以对空间模式、运动和平衡进行更完整的定量分析，为研究者提供全面详细的数据，是研究小脑共济失调疾病的有利工。
Fig2 小鼠琴键式运动行为分析系统信息
Ａ：小鼠琴键式运动行为分析系统设备图；Ｂ：小鼠琴键式运动行为分析系统实验图；Ｃ：小鼠琴键式运动行为分析系统模式图；Ｄ：小鼠琴键式运动行为分析系统参数表
动物自由步态与精细行为分析系统
VisuWalk大小鼠自由活动与步态分析系统依托于高清摄像技术和先进的计算机视觉 AI 算法。高速摄像设备能够捕捉到快速移动的对象细节，而计算机视觉算法则能够从视频中自动识别动物的身体部位和精细行为，计算出步态的各种参数。这种技术的应用，不仅极大地提高了步态分析的精确度，而且大大减少了数据处理所需的时间和人工成本。
VisuWalk动物自由步态与精细行为分析系统，上海欣软
自由活动与步态分析是研究动物运动模式的一种方法，它涉及到动物步行时身体各部位运动的测量和分析。传统上，步态分析依赖于观察者的主观判断或是利用简单的工具进行距离和时间的测量，这些方法往往缺乏准确性和可重复性。随着技术的进步，尤其是高速摄像技术和计算机视觉 AI 算法的发展，研究者能够以前所未有的精度和细节捕捉到动物的自由运动时的步态行为精确分析。
实验参考（1）：
2018年1月， Ole Kiehn研究组于《Nature》杂志发表文章。他们发现中脑楔形核（CnF）与脚桥核（PPN）内谷氨酸能神经元影响小鼠的运动速度与运动步态。文章中，作者通过小鼠步态分析系统监测小鼠的四肢运动，进而探究小鼠行走、小跑、疾驰与跳跃的发起与持续时间。
Fig2 Caggiano et al., Nature (2018) 来自丹麦哥本哈根大学大牛的Nature文章
实验参考（2）：
2023年9月，Ole Kiehn研究组再次于《Nature Neuroscience》杂志发表文章。他们发现PPN内Chx10阳性神经元诱发运动停止。文章中，作者激活PPN内Chx10阳性神经元，并通过小鼠步态分析系统研究小鼠的步行、梳毛与直立行为，同时记录胫骨肌与比目鱼肌的EMG。他们阐释此类神经元通过pause-and-play方式引起运动停止。值得一提的是，激活此类神经元还会引起呼吸停滞与心率失常。
Fig2 Goñi-Erro et al., Nat Neurosci. (2023)
文献引用：
1.王瑞青,吴菲菲,张昆龙等.动物行为学检测方法在小脑共济失调疾病研究中的应用[J].神经解剖学杂志,2023,39(02):246-250.
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8.Neurodegenerative phosphoprotein signaling landscape in models of SCA3.[J]. Sowa Anna S;Popova Taissia G;Harmuth Tina;Weber Jonasz J;Pereira Sena Priscila;Schmidt Jana;HübenerSchmid Jeannette;Schmidt Thorsten.Molecular brain,2021
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