使用伊拉斯谟量程监测小鼠的精细和联想运动学习
Summary
本文介绍了一种协议，该协议允许使用一种称为伊拉斯谟阶梯的设备对精细运动性能进行非侵入性和自动评估，以及在挑战时进行自适应和联想运动学习。可以滴定任务难度，以检测从严重到轻微程度的运动障碍。
Abstract
行为是由行动塑造的，而行动需要运动技能，如力量、协调和学习。如果没有从一个位置过渡到另一个位置的能力，任何维持生命必不可少的行为都是不可能的。不幸的是，运动技能可能会在多种疾病中受到损害。因此，在细胞、分子和回路水平上研究运动功能的机制，以及了解运动障碍的症状、原因和进展，对于开发有效的治疗方法至关重要。鼠标模型经常用于此目的。
本文描述了一种协议，该协议允许使用称为伊拉斯谟阶梯的自动化工具监测小鼠运动性能和学习的各个方面。该测定包括两个阶段：初始阶段，训练小鼠在由不规则梯级构建的水平梯子中导航（“精细运动学习”），以及第二阶段，在移动动物的路径上出现障碍物。扰动可能是意想不到的（“挑战性运动学习”），也可能是先于听觉音调（“联想运动学习”）。该任务易于执行，并由自动化软件完全支持。
该报告显示了当使用灵敏的统计方法进行分析时，测试的不同读数如何允许使用一小群小鼠对小鼠运动技能进行精细监测。我们认为，该方法对于评估由环境改变驱动的运动适应以及运动功能受损的突变小鼠的早期细微运动缺陷具有高度敏感性。
Introduction
已经开发了多种测试来评估小鼠的运动表型。每个测试都提供有关运动行为特定方面的信息1.例如，开放场地测试告知一般运动和焦虑状态;旋转梁和步进梁的协调和平衡测试;足迹分析是关于步态的;跑步机或跑步轮进行强迫或自愿体育锻炼;而复杂的轮子是关于运动技能学习的。为了分析小鼠运动表型，研究人员必须按顺序进行这些测试，这涉及大量的时间和精力，并且通常涉及几个动物队列。如果在细胞或电路水平上有信息，研究者通常会选择监测相关方面的测试并从那里进行跟踪。然而，缺乏以自动化方式区分运动行为不同方面的范式。
本文描述了使用伊拉斯谟量程 2,3 的协议，该系统允许全面评估小鼠的各种运动学习特征。主要优点是该方法的可重复性和灵敏度，以及滴定运动难度和将运动表现缺陷与联想运动学习受损区分开来的能力。主要部件由一个水平梯子组成，该梯子具有交替的高 （H） 和低 （L） 梯级，配备触摸感应传感器，可检测鼠标在梯子上的位置。梯子由 2 x 37 个梯级（L，6 mm;H，12 mm），彼此间隔 15 mm，并以左右交替模式放置，间隙为 30 mm（图 1A）。梯级可以单独移动以产生不同级别的难度，即创建障碍物（将高梯级提高 18 毫米）。伊拉斯谟阶梯与自动记录系统相结合，并将梯级模式的修改与感官刺激相关联，测试精细运动学习和运动性能适应，以应对环境挑战（出现更高的梯级以模拟障碍物、无条件刺激 [US]）或与感官刺激（音调、条件刺激 [CS]）的关联。测试涉及两个不同的阶段，每个阶段评估 4 天内运动性能的改善，在此期间，小鼠每天接受 42 次连续试验。在初始阶段，小鼠被训练在阶梯上导航，以评估“精细”或“熟练”的运动学习。第二阶段包括交错试验，其中在移动动物的路径上呈现更高梯级形式的障碍物。这种扰动可能是意想不到的，以评估“挑战性”运动学习（仅限美国）或通过听觉音调宣布以评估“联想”运动学习（配对试验）。
伊拉斯谟阶梯是最近开发的 2,3.它尚未被广泛使用，因为建立和优化协议需要集中精力，并且专门设计用于评估小脑依赖性联想学习，而没有详细探索其揭示其他运动缺陷的潜力。迄今为止，它已被验证能够揭示与小鼠小脑功能障碍相关的细微运动障碍 3,4,5,6,7,8。例如，connexin36（Cx36）敲除小鼠，其中橄榄神经元中的间隙连接受损，由于缺乏电渗耦合而表现出放电缺陷，但运动表型很难确定。使用伊拉斯谟阶梯的测试表明，下橄榄神经元在小脑运动学习任务中的作用是编码刺激的精确时间编码，并促进对意外事件的学习依赖性反应3,4。脆性 X 信使核糖核蛋白 1 （Fmr1） 敲除小鼠是脆性 X 综合征 （FXS） 的模型，表现出众所周知的认知障碍以及程序记忆形成的轻度缺陷。在伊拉斯谟阶梯中，Fmr1 敲除在步数时间、每次试验的失误或运动性能改善方面没有显着差异，但与野生型 （WT） 同窝动物相比，未能根据突然出现的障碍物调整他们的行走模式，证实了特定的程序和联想记忆缺陷 3,5.此外，具有小脑功能缺陷的细胞特异性小鼠突变系，包括浦肯野细胞输出、增强和分子层中间神经元或颗粒细胞输出受损，在运动协调方面表现出问题，有效步进模式的获取改变，以及跨越阶梯所采取的步数6。新生儿脑损伤会导致小脑学习缺陷和浦肯野细胞功能障碍，也可以通过伊拉斯谟阶梯 7,8 检测到。
在本视频中，我们提供了一个全面的分步指南，其中详细介绍了行为室的设置、行为测试协议和后续数据分析。本报告旨在易于访问和用户友好，专为帮助新移民而设计。该协议提供了对运动训练的不同阶段和小鼠采用的预期运动模式的见解。最后，本文提出了一个使用强大的非线性回归方法进行数据分析的系统工作流程，并提出了在其他研究环境中调整和应用该协议的宝贵建议和建议。
Protocol
Representative Results
Discussion
伊拉斯谟阶梯在运动表型评估方面具有超越当前方法的主要优势。测试易于进行、自动化、可重复，并允许研究人员使用单个小鼠队列分别评估运动行为的各个方面。在目前的研究中，可重复性允许利用设备、实验设计和分析方法的特性，用少量的WT小鼠生成可靠的数据。例如，与传统的光束行走测定相比，添加动机线索（空气和光线）以进入阶梯路径和顺风以完成试验，从而提高了一致性，并?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢视听技术人员和视频制作人 Rebeca De las Heras Ponce 以及首席兽医 Gonzalo Moreno del Val 在小鼠实验期间对良好实践的监督。这项工作由 GVA 卓越计划 （2022/8） 和西班牙研究机构 （PID2022143237OB-I00） 向 Isabel Pérez-Otaño 提供的赠款资助。
Materials
| C57BL/6J mice (Mus musculus) | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder device | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Erasmus Ladder 2.0 software | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Excel software | Microsoft | ||
| Sigmaplot software | Systat Software, Inc. |
References
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