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行为学实验因素——啮齿动物昼夜节律周期波动性

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2024-10-25 15:46

与众多哺乳动物相似，啮齿类动物在一天内表现出不同的行为，这表现为它们的活动水平和生理参数（例如体温、血液激素水平和基因表达）的周期性波动。其中一些周期由内在昼夜生物钟驱动，即使在没有外部时间信息的情况下，它们也能维持这种周期性。

另一些周期与光照的变化（例如白天和黑夜的不同）相关，如果光照发生改变，它们的行为和生理周期也会相应变化。尽管这里无法详细探讨这些基础神经生物学过程，但我们强烈建议阅读Bailey & Silver（2014）的综述文章，该文章详细描述了昼夜节律的神经回路和分子机制，以及其中的重要性别差异。

与人类不同，啮齿类动物主要是夜行性的，这意味着它们在夜间活跃，而在白天的大部分时间里休息。这对于行为神经科学家来说带来了一个潜在的问题：应该在白天进行实验，这时实验者醒着，但动物可能正在休息，还是在夜间进行实验，这时动物醒着，但实验者可能有其他事情要处理（或者他们也渴望休息）？一个可能的解决方案是颠倒实验室的光照和黑暗周期，即白天熄灯，晚上开灯，从而使动物和实验者在同一时间保持清醒（Peirson & Foster 2011）。尽管许多实验室采用这种方法，但并没有一种真正正确的方法，因为在白天进行行为测试的实验室可能会出于便利性或受到动物设施的限制。尽管实验者会叫醒以参与实验，但在大多数情况下，老鼠通常会在它们的白天活跃周期内执行任务。

大多数实验室早期决定是否使用标准光/暗周期或颠倒光/暗周期，并将其应用于所有实验。因此，直接比较这两个阶段的实验结果是罕见的，但值得检查现有文献确定的学习和记忆方面受昼夜节律和光周期显著调节的方面。

为了区分昼夜节律与昼夜循环的影响，动物必须在标准和颠倒的昼夜循环的光明和黑暗阶段进行测试。Chaudhury & Colwell（2002）在一项如今经典的研究中做到了这一点：两组雄性小鼠在上述四种条件下分别接受了巴甫洛夫式恐惧条件训练。

巴甫洛夫式恐惧条件训练/条件性恐惧实验

无论实际的训练时间是哪个时段，所有在光明阶段接受训练的动物都表现出更强烈的恐惧条件反射（通过冻结时间来衡量），相比于在黑暗阶段接受训练的动物，这表明了昼夜节律的调节作用。作者们进一步证明了这种效应并不仅仅基于光照本身，通过测试了第三组动物，这些动物最近从标准的昼夜循环转换为全黑暗循环，但没有时间来同步。这些动物在训练的时候也表现出了更高的冻结水平，这表明昼夜节律可以在没有外部光线信息的情况下持续一段短暂的时间。

巴甫洛夫式恐惧条件训练/条件性恐惧实验，XR-XC404，上海欣软

这项研究还发现，消除条件恐惧时在晚上进行最佳（即动物表现出最低的冻结水平），这表明昼夜效应可以以特定任务的方式影响学习和记忆。然而，在稍后的一项研究中发现了相反的效果，在这项研究中，熄灭测试是在活跃或不活跃阶段的早期时段进行的（Melo & Ehrlich 2016）。在这里，训练在休息阶段的雄性小鼠显示出增强的熄灭学习，相比于活跃阶段的小鼠，但是白天时间对熄灭记忆没有影响。相反，训练后的睡眠能力是成功的熄灭召回的最大决定因素，因为无论在哪个阶段，睡眠剥夺都会产生明显的冻结水平升高。这两项研究结果的差异可能是由于实验参数（例如电击强度）或在每个昼夜周期内进行测试的具体时间的差异所致。

最近的一项针对雄性大鼠的研究（Sun等人，2019）表明，在光明阶段早期的睡眠剥夺会破坏前脑源性神经营养因子（pro-BDNF）的昼夜波动，这是学习和记忆过程中的一个关键信号因子，包括熄灭（Baker-Andresen等人，2013，Hall等人，2000）。在这个时间点进行的睡眠剥夺，但不是在光明阶段的中期，会影响熄灭学习，通过将pro-BDNF注入到海马或下行额叶皮质，可以逆转这种情况。这些研究表明，即使在特定的昼夜阶段内，实验在该阶段内的时间也可以在学习和记忆结果中发挥重要作用。

神经调质系统与学习记忆的昼夜节律

研究表明，神经调质系统中的另一个与我们的主题相关的重要组成部分是糖皮质激素系统。在几乎所有哺乳动物中，糖皮质激素的分泌都遵循昼夜节律。这节律表现为在活跃期开始时糖皮质激素分泌达到峰值，然后在不活跃期间降至最低点，而这一规律不受动物是昼行性还是夜行性的影响。值得一提的是，雌性在糖皮质激素方面经历更显著的日变化，其峰值水平甚至超过雄性的两倍（Bailey & Silver 2014）。

尽管性别差异如何影响应激的性别特异效应已有相对充分的文献（有关综述，请参见Moisan 2021），但性别差异对于昼夜糖皮质激素波动如何影响学习和记忆仍然未得到深入研究。

与许多行为神经科学研究一样，大多数已发表的研究主要集中在雄性中进行（Beery & Zucker 2011，Woitowich等人2020）。然而，本文讨论了啮齿类动物的昼夜节律、光周期以及糖皮质激素对学习和记忆的影响。研究发现，啮齿类动物在白天和黑夜之间表现出不同的学习和记忆效应，这些效应受到糖皮质激素的调控。以下是主要研究发现的总结：

1.时序和生物节律对学习和记忆的影响

研究表明，不仅时间的不同（昼夜节律），而且光周期的变化也会对学习和记忆产生影响。在某些任务中，动物在白天接受训练会表现出更强的学习效应，而在晚上可能在熄灭测试中表现出更佳的效果。

2.糖皮质激素的关键角色

此外，研究还发现糖皮质激素，如皮质醇，在调控昼夜效应中扮演了关键角色。实验中移除皮质醇的循环影响（通过肾上腺切除），结果表明糖皮质激素对于最佳的学习和记忆保留是必需的，这擦除了时间对恐惧熄灭学习和记忆的影响。

3.性别差异和时间

在研究性别差异时，发现雌性啮齿类动物的皮质醇水平在一天内波动更加显著，其生物钟基因的表达也呈现不同的节律性。这可能导致雌性在不同时间段表现出与学习有关的差异，但性别差异对于昼夜效应的具体影响仍需要进一步研究。

4.强调时间的重要性

这些研究结果强调了在计划和解释行为实验时需要仔细考虑时间的重要性。不同的时间段可能会导致不同的学习和记忆效应，因此实验设计和结果的解释应该充分考虑时间因素。

这篇文章强调了在行为神经科学中考虑时间和生物节律的重要性，特别是在研究糖皮质激素和性别差异对学习和记忆的影响时。这些研究有助于更好地理解生物钟、光周期和神经激素如何影响动物的认知和行为。

文章强调了昼夜节律、激素、生物钟基因表达和性别之间错综复杂的相互关系。重要的是要理解，没有一个通用的最佳研究时间，因为每个实验的结果都为我们提供了关于大脑功能的新见解，具体的实验时间应取决于研究的性质。例如，对于长期研究和每日广泛测试的实验，如复杂的决策任务或慢性药物自我管理，可能会选择在黑暗条件下进行测试，以避免在动物休息期间反复唤醒它们，因为长时间的睡眠中断已被证明对认知能力有不利影响。另一方面，那些旨在诱导昼夜激素增加（例如皮质醇）的研究最好在白天进行测试，以避免出现“天花板效应”。这种方法在与应激相关的研究中非常常见。

无论研究面临什么科学问题，对于所有研究人员来说，在实验设计时有意识地考虑昼夜相位的潜在影响，并在撰写研究结果时清晰地表达他们的选择是至关重要的。有许多资源可供参考，比如Bailey & Silver（2014）综述了雄性和雌性啮齿类动物的昼夜神经生物学，包括多个相关的回路和分子机制。此外，Robinson-Junker等人（2018）研究了雄性和雌性小鼠的常规饲养活动对睡眠模式的影响。对于那些刚刚涉足昼夜节律领域的新研究人员，Burns（2000）和Peirson等人（2018）的综述文章提供了最佳实践和有用的提示。最后，遵循“动物研究：体内实验报告”（ARRIVE）准则（https://arriveguidelines.org）将确保所有与昼夜因素相关的关键信息都包含在发表的研究中。