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动物行为与光电专题丨光遗传结合Looming行为范式

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2024-10-15 13:36

用Looming刺激来模仿来自天空捕食者逼近会在啮齿类动物中诱发的本能的防御行为。该范式最近被广泛用于研究本能防御行为的神经环路。

行为装置整个箱体为长40cm×宽40cm×高30cm，四壁由透明的有机玻璃制成，并覆盖向弱光方单向透视膜，上下面由磨砂面的白色有机塑料制成。一台液晶显示器作为模拟LS出现的刺激源镶嵌在箱体顶部，通常情况下显示器保持灰色的背景亮度，以供给箱体微弱的基础照明。由于测试外部环境是黑暗的，故一台具有红外摄像功能的高清摄像机用于拍摄记录整个测试过程，拍摄速度为每s30帧。刺激范式上视野looming刺激：将液晶显示器放置在箱体顶部以呈现多次looming刺激。该looming是由一个黑色圆盘，在0.3s内从2°的视角扩展到20°，即扩展速度为60°/s，并连续重复15个循环(总共4.5s)。每次重复之间有0.066s的暂停，整个上视野视觉刺激持续5.5s。下视野looming(与上视野looming相同的刺激,但在底部呈现刺激)；上视野白色Looming(白色圆盘黑色背景，并在顶部呈现)和前视野looming(与上视野looming相同的刺激，只是在小鼠正前方刺激)以上三种视觉刺激作为对照视觉刺激。在测试前一天，待测试的动物在looming测试箱体内前适应10-15min。在第二天的looming测试期间，首先允许小鼠自由探索环境约3-5min。对于光遗传学或药理学实验结合looming刺激的实验；对于c-Fos和钙信号实验，总共给予了5次looming刺激。光遗传学抑制/激活结合looming的刺激由泰克任意波形发生器和looming刺激进行同步偶联。当小鼠位于窝的远端时(接近离窝对面的墙壁一个身位距离左右)，采用手动触发刺激。

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光遗传学、药理学操作和行为学分析在测试前一天，将测试的动物放入looming刺激的箱子里，并使其适应10-15min。在looming测试期间，小鼠在测试箱内自由探索3-5min，然后给予小鼠光遗传操作或looming的刺激。光遗传学NpHR抑制结合looming刺激的实验：小鼠接受双侧593nm黄光激光，5-8mW(针对胞体刺激)或15-20mW(用于神经末梢刺激)光强进行刺激。光遗传学ChR2激活结合looming刺激的实验：小鼠接受单侧10Hz，473nm蓝光激光，8mW光强刺激。在looming刺激开始前1s，打开光源刺激并持续直至looming刺激结束。小鼠在激活和抑制实验都接受两次looming的刺激。光遗传激活实验：将小鼠置于looming测试箱子内，但不呈现视觉刺激，给予小鼠2.5s473nm蓝色激光(20Hz，5ms脉冲宽度)，15-20mW(神经纤维刺激)或5-8mW(胞体刺激)光强刺激。光刺激涉及SC胞体和VTA胞体，以及SC-VTA神经通路。激活VTAGABA+神经元实验中，GAD2-Cre小鼠在VTA中接受2.5s蓝光(60Hz，5ms脉冲持续时间，5-8mW)刺激;所有刺激通过手动触发，并且重复两次刺激，中间间隔约3min。当小鼠在距离墙壁的一个身位距离(远离窝墙壁)，由实验者手动触发所有光刺激。黄光抑制实验(NpHR的光抑制)中，都是双侧抑制。光激活的实验(ChR2的光激活)，激活都是单侧的。小鼠手术恢复2周后，C57BL/6J小鼠被用于药理学实验。

行为数据用Anymaze软件分析。首先，用Anymaze软件取速度数据，然后使用Matlab进行分析。评估looming刺激所诱发的防御反应的参数包括以下几个：(1)回窝的潜伏期：从looming的刺激开始或光刺激呈现到小鼠逃跑进窝的时间;(2)在窝内停留的时间(1min箱的百分比)：在looming刺激或光刺激后在窝内花费的时间;(3)速度：在looming刺激或光刺激之前，允许小鼠在带窝的旷场中自由探索,这里“基线”定义为在looming刺激或光刺激开始前50s的平均速度设定为100％。与基线平均速度相比，以相对百分比形式呈现了所有速度。速度柱形图：刺激后的速度取至小鼠最大速度为中心，在该速度峰值约0.5s时间窗口范围内取平均。为了双盲目的，所有行为实验的小鼠都具有独特的耳标数，行为分析实验者在分析过程中并不知道动物的分组信息。

在带窝的旷场中给小鼠呈现的上视野looming刺激，来模拟空中扑食者快速逼近，诱发小鼠快速逃跑回窝的本能防御反应。最对照组下视野looming刺激并不诱发本能防御反应；利用神经元活性依赖的c-fos技术检测小鼠在本能逃跑的防御反应中上丘是否可能被激活以及激活的细胞类是什么。发现相比对照，SC有大量的神经元激活表达c-fos。经过细胞特异性鉴定， SC的中层和深层表达的c-fos与CaMKIIα共标数显著高于对照组。这一结果表明SC中深层的CaMKIIα 神经元很可能参与了本能逃跑防御行为。

Fig1 上视野looming激活SC的中深层亚区的CaMKIIα阳性神经元

文献引用：

1.Jeon D, Shin HS. A mouse model for observational fear learning and the empathetic response. Curr Protoc Neurosci 2011.

2.Jeon D, Kim S, Chetana M, Jo D, Ruley HE, Lin S-Y, et al. Observational fear learning involves affective pain system and {Cav}1. 2 {Ca}2+ channels in {ACC}. Nat Neurosci 2010;13:482–8.

3.Panksepp JB, Lahvis GP. Rodent empathy and affective neuroscience. Neurosci Biobehav Rev 2011;35:1864–75.

4.Allsop SA, Wichmann R, Mills F, Burgos-Robles A, Chang CJ, Felix-Ortiz AC, et al. Corticoamygdala Transfer of Socially Derived Information Gates Observational Learning. Cell 2018;173:1329–1342.e18.

5.Keum S, Kim A, Shin JJ, Kim JH, Park J, Shin HS. A Missense Variant at the Nrxn3 Locus Enhances Empathy Fear in the Mouse. Neuron 2018;98:588–601.e5.

6.Zhou C, Zhou Z, Han Y, Lei Z, Li L, Montardy Q, et al. Activation of parvalbumin interneurons in anterior cingulate cortex impairs observational fear. Sci Bull 2018;63:771–8.

7.周政. 本能恐惧的神经环路调节机制研究[D].中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2019.

8. Activation of parvalbumin interneurons in anterior cingulate cortex impairs observational fear[J]. Chunran Zhou;Zheng Zhou;Yushui Han;Zhuogui Lei;Lei Li;Quentin Montardy;Xuemei Liu;Fuqiang Xu;Liping Wang.Science Bulletin,2018(12)

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