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动物行为实验指南：大小鼠巴恩斯迷宫Barnes Maze实验方法汇总

萌宠菠菠乐园
2024-10-25 15:46

摘要

巴恩斯迷宫是一种在陆地上评估空间学习和记忆能力的啮齿类动物行为范式，最初是由卡罗尔·巴恩斯开发的。由于巴恩斯迷宫测试对测试动物的损伤性更小，因此它代替了水迷宫成为了更受欢迎的学习和记忆行为测试。本文详细描述了巴恩斯迷宫的实验设置和相应的小鼠测试和分析流程。

关键词：空间记忆，小鼠，海马体，认知，行为

研究背景

巴恩斯迷宫用于研究大鼠的空间记忆，后来被改编用于小鼠。从理论上讲，它类似于Morris水迷宫（MWM），是一个依赖海马功能的行为学测试，测试动物将学习并记住周围环境的参考线索和逃生位置之间的关系。对于小鼠来说，典型的巴恩斯迷宫设置包括一个高架的圆形平台，该平台有40个均匀间隔的洞，逃生洞被安装在其中一个洞的下面，而其余的39个洞均为无效洞。明亮的光线和开放的空间都使啮齿类动物感到厌恶，因此可作为诱导其逃跑的刺激因素。逃生隧道在训练期间保持在一个固定的位置，并在几天内每天进行多次试验以对其进行训练。在训练过程中，啮齿类动物通常利用三种不同的搜索策略（随机、顺序、空间）来学习并找出逃生隧道的位置。经过充分的训练后，逃生隧道被拆除，并进行探索试验来评估测试动物空间认知记忆能力。

虽然MWM是评估啮齿类动物空间学习的主要方案，但巴恩斯迷宫提供了几个重要优势。首先，巴恩斯迷宫不涉及游泳和与之相关的潜在混杂因素。游泳可能具有应激效果，有研究表明，MWM训练比巴恩斯迷宫更能增加血浆皮质酮水平。此外，大多数MWM方案中使用的游泳条件会导致核心体温的降低，从而影响其运动性能。此外，啮齿类动物经常在水中漂浮，这被认为是一种行为绝望的状态，并在广泛使用的Porsolt强迫游泳测试中被认为是“类似抑郁”行为的指标。最后，如上所述，巴恩斯迷宫可以清晰地表征小鼠在每次试验中使用的三种可能的搜索策略。

材料和试剂

1. 棉纸（Georgia-Pacific Consumer Products，目录编号： 48100）

2. 70%酒精（装在一个喷雾瓶中）

3. C57BL/6J成年雄性小鼠（购自Jackson实验室，3-5个月龄）

设备

1. 照明良好（~1000勒克斯）的测试室，且旁边有个额外观察室（图1A）

2. Barnes迷宫设备（欣软系统，目录编号：302050-BM/M），包括：

a. 圆形聚氯乙烯平台（直径= 122 cm；厚度= 1 cm），包含40个等间距的孔（直径=5cm）（图1B)

b. 灰色聚氯乙烯启动室，由一个底板和一个盖组成（图1C)

c. 聚氯乙烯逃生隧道，可以安装在任何逃生孔之下（图1D）

d. 圆形聚氯乙烯平台的铝制支撑框架（高度=80cm）（图1E)

3. 摄相机（松下，目录编号：WV-BP332，图1F)

4. 围绕平台周围的三个视觉线索（长度/宽度~30cm）（图1G）

5. 支持90 dB白噪音的扬声器（索尼，目录编号： SS-MB150H）

6. 基于windows的PC电脑（戴尔，型号： OptiPlex 780）连接到摄像头

7. 检尺计数器（Tally counter）

图1|巴恩斯迷宫实验装置（A.行为测试室和旁边用于分析的观察室的布局。B-F.巴恩斯迷宫平台(B)，起始室(C)，逃生隧道(D)，铝制支撑框架(E)，顶部摄像机(F)，视觉线索(G)）

软件

1. VisuTrack视频跟踪软件（上海欣软）

2. GraphPad Prism version 5.0 (GraphPad Software)

3. Microsoft Excel

实验流程

A. 软件设置

1. 校准

a. 在VisuTrack软件程序左上角的“模式”选项卡下，选择“校准”（图2）。

b. 点击执行“校准”按钮。

c. 在巴恩斯迷宫平台的直径上画一条线。

d. 在方框中输入1,220毫米作为“真实长度”，与巴恩斯迷宫的实际直径相对应。

图2|VisuTrack分析软件的屏幕截图

1. 定义实验区域

a. 在VideoMot2程序的“模式”标签下，选择“试验区”。

b. 使用位于显示窗口底部的绘图工具来创建一个覆盖整个巴恩斯平台的圆圈。这就定义了软件将跟踪试验小鼠的区域。

2. 定义信息区域

a. 在VideoMot2程序中的“模式”标签下，选择“信息区域”。

b. 使用绘制工具在覆盖逃生隧道的洞周围做一个圈。

3. 测量

a. 从“模式”选项卡中选择“测量”。

b. 在“自动停止在”文本右侧的白色框中输入00：03：00。确保勾选了“自动停止”文本左侧的白色方框。这将确保视频跟踪软件在3 min后自动停止每次试验。

c. 单击位于显示窗口右下角的“开始”按钮。

d. 输入相关的实验信息（编号等）。

e. 单击空格键开始背景测量，然后再次结束。在背景测量期间，确保摄像机的光线没有运动或变化。

f. 当出现提示时，输入试验数据（动物编号、组）。

g. 单击空格键开始跟踪小鼠。在视频显示中，一个十字符号将被叠加在老鼠的身体上，并将跟随它在迷宫中的运动。再次单击空格键以结束试验。

h. 保存每次试验的数据，在屏幕左上角的“文件”选项卡下选择“另存轨迹为”。

A. 巴恩斯迷宫程序（图3）

1. 习惯化（第1天）

a. 将逃生通道链接在平台上，为每个小鼠添加一块干净的纸巾，并布置周围的视觉线索。这些视觉线索在习惯化、训练和探索试验阶段的位置和形状应该保持不变。

b. 将小鼠放入逃生通道中1 min。

c. 将小鼠放在仪器的中心。允许它进行探索，直到它进入逃生隧道或5 min后该阶段试验结束。

d. 用70%的酒精清洗装置和逃生隧道。

2. 训练（第1-10天）

a. 保持习惯化和开始习得训练之间有至少1小时的时间间隔。将逃生隧道连接到平台上与习惯试验不同的位置。在训练期间，逃生隧道的位置相对于房间中的视觉线索保持固定。在每次小鼠采集试验的逃生通道中添加一张干净的纸巾。

b. 训练包括每天两次的采集试验（每次试验限制 3 分钟；试验间间隔约 1 小时），起始位置在四个象限之间呈伪随机变化。

c. 在每次试验开始时，小鼠被放置在一个灰色的聚氯乙烯起始室中，它位于四个象限之一的中心。经过15秒的时间后，启动室被抬起（图3B），小鼠开始探索迷宫。在每次试验中，通过扬声器播放巨大的白噪音（90 dB），以诱导逃跑行为。当小鼠进入逃生隧道（图3D）或试验进行3 分钟时，试验结束。如果小鼠在3 分钟内未能找到逃生隧道，研究人员将其放置在隧道中，并在停留15秒。

图3|巴恩斯迷宫试验流程（A. 实验流程表；B-D.小鼠从起始室释放(B)检查孔(C)，并进入逃生通道(D)）

a. 每次试验结束后，迷宫和逃生隧道都用70%的酒精清洗。

b. 对于每一次试验，都记录了一些参数来评估性能，这些参数包括定位（主要延迟）和进入（总延迟）逃生隧道的延迟，以及在定位（主要错误）和进入（总错误）逃生隧道之前检查的错误孔数。错误被定义为检查非逃生隧道的孔，并使用计数器进行实时评分。在找到逃生隧道之前所经过的距离（路径长度）和每次试验的总距离也被记录下来。此外，我们还记录了在每次试验中，小鼠相对于逃生隧道（主洞距离）检查的第一个洞的位置。对于此测量，值范围从0（目标逃生孔）到20（直接对着目标逃生孔）。最后，对于每个试验，搜索策略被分为空间、序列和随机（图4）。

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