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"Erasmus Ladder"是一种用于评估小鼠运动表现和运动学习能力的全自动设备。它由两个带压空气出口和LED灯的遮蔽盒组成,中间是一个梯子,梯子上的触敏横杆可以测量步长时间和步态。梯子由74根横档组成,两侧各32根。所有横档都装有压力传感器,用于监测小鼠的行走模式。横档的高低位置不同,每个高横档对面是一个低横档。最方便的行走模式是使用较高的横档,称为正确的步态,而使用较低的横档则被视为错误步态。Erasmus Ladder是一种高精度的自动化仪器,用于评估小鼠的运动协调性和学习记忆能力。该仪器由两个目标盒和中间的水平梯子组成,梯子上的横杆是触敏的,可以精确记录小鼠的步行动作和行为表现。装置配备有高分辨率的摄像系统和软件,可以自动记录和分析小鼠的步态和运动表现。它由两个目标箱和一个水平梯子组成,梯子上装备了触觉敏感的横档,能够检测小鼠在梯子上的位置和步态。这个设备可以记录小鼠的步幅、步态错误、后退步和跳跃等参数,并且所有参数都可以区分方向,这对于研究影响身体一侧的疾病模型特别有用。
Fig1 Erasmus Ladder示意图
目的:
在小鼠实验中,Erasmus Ladder被用来评估小鼠的运动表现和运动学习能力。这个设备通过捕捉小鼠在梯子上的步态动态,来评估其运动协调性和学习能力。通过这种实验设置,研究人员可以评估小鼠的运动协调性和学习能力,以及小脑对这些功能的影响,可以量化小鼠在面对挑战性任务时的运动表现,从而更好地理解其运动控制和适应性学习能力。这对于研究小脑功能、神经系统疾病和潜在的治疗方法具有重要意义。尤其是在研究神经系统疾病、药物效果或遗传因素对运动功能影响的研究中。
Erasmus Ladder软件记录小鼠的运动表现和运动学习能力。在测试的第二阶段,一个意外的物体——抬高的横杆——突然出现,构成了一项挑战。动物如何学会应对这一挑战是反射性运动学习的衡量标准,也是小脑功能的反映。
Fig2 Erasmus Ladder中小鼠任务
在实验中,小鼠被放置在梯子的一端,然后通过光线和气流的刺激激励小鼠穿越梯子到达另一端。实验分为两个阶段:前四个会话用于训练小鼠有效穿越梯子,后四个会话则用于测试小鼠的适应性运动学习能力。在第二阶段,梯子上的某些横档会突然抬起,形成障碍,小鼠需要学会如何应对这一挑战,这是衡量联想运动学习的一种指标,也是小脑功能的一个反映。
在每次训练开始时,将小鼠放置在“起始”盒中,等待LED灯亮起,随后几毫秒内,气流逐渐增强,直到小鼠进入“结束”盒。一旦进入“结束”盒,气流停止,开始“试验间隔”期。这个间隔期在8到12秒之间变化,小鼠必须留在当前盒中。一旦小鼠离开盒子,就会从对面的遮蔽盒中吹出空气,迫使动物返回。小鼠经过连续五天的训练,每天训练包括42次跑步。研究的依赖变量是每次跑步的正确步态百分比(每天每只小鼠42个百分比值,总共每只小鼠210个值)。
实验步骤:
1. 动物准备:
选择健康的成年小鼠,通常为8-12周龄,在实验前至少1周将小鼠适应实验室环境,确保小鼠在实验当天处于良好的健康状态。
2. 设备设置:
打开Erasmus Ladder装置,确保所有部件正常工作,根据实验需求调整横杆间距(通常为1.5 cm),开启摄像系统和数据采集软件。
习惯化阶段:
将小鼠放入Erasmus Ladder装置的一端,让其自由探索和熟悉环境。习惯化时间通常为12天,每天10-15分钟。记录小鼠在习惯化期间的表现,以便评估其对装置的适应情况。
训练阶段:
基础训练:将小鼠放在装置的一端,引导其走到另一端。记录小鼠完成任务的时间、步数、步态和错误次数(如踩空)。
多次训练:每天进行23次训练,每次训练间隔1小时左右,连续训练5-7天。
逐步增加难度:在训练过程中,可以逐渐增加横杆的间距或改变横杆的位置,以提高任务难度。
测试阶段:
正式测试:在训练结束后,进行正式测试。记录小鼠在不同条件下的表现,包括完成任务的时间、步数、步态和错误次数。
重复测试:为了评估学习记忆能力,可以在不同时间点(如1天、1周、1个月后)进行重复测试,记录小鼠的表现变化。在测试的第二阶段,引入一个意外的物体——抬高的横杆,模拟突然出现的障碍。记录小鼠如何应对这一挑战,评估其反射性运动学习能力和小脑功能。
数据分析:
1. 基本参数:
完成时间:小鼠从起点到终点所需的时间。
步数:小鼠完成任务所需的步数。
步态:小鼠的步态特征,如步长、步频等。
错误次数:小鼠在行走过程中踩空或失误的次数。
2. 高级参数:
步态稳定性:通过步长和步频的变化评估小鼠的步态稳定性。
学习曲线:通过多次训练和测试的数据,绘制小鼠的学习曲线,评估其学习和记忆能力。
Fig3 结果示例评估参数
使用Erasmus Ladder获得的数据可以用来量化不同的运动行为:
1. 运动表现:可以通过在不同会话中记录步态错误来衡量。这些错误被称为“missteps”,在训练过程中,小鼠学会如何有效地在梯子上移动,从而减少错误。
2. 后退步:当动物向目标箱的相反方向移动时,会记录后退步。这是动物完成梯子任务的动力指标。
3. 跳跃:当动物在梯子上移动时,如果跨越同一侧的超过两个横档,会记录跳跃。这是动物在任务期间的焦虑或敏感状态的指标。
4. 步幅:当动物在同一侧的连续横档上移动时,会记录短步幅;当动物移动到同一侧的下一个相邻横档时,会记录长步幅。对于成年动物,在训练会话期间,短步幅和长步幅的百分比没有显著差异,但在挑战会话期间,步幅类型有统计学上的显著差异。
5. 步态时间测量:可以用来比较训练和挑战会话期间的步态动态。在第5测试中,刺激前后的步态时间有统计学上的显著差异,表明条件刺激(CS)和无条件刺激(US)之间没有完全关联。到第6次时,没有差异,表明存在适应性小脑学习。
注意事项:
确保实验环境安静、光线适宜,避免外界干扰。保持实验条件的一致性,如温度、湿度等。
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文献引用:
Dijkhuizen, S., Van Ginneken, L.M.C., IJpelaar, A.H.C. et al. Impact of enriched environment on motor performance and learning in mice. Sci Rep 14, 5962 (2024).
Sathyanesan A, Gallo V. Cerebellar contribution to locomotor behavior: A neurodevelopmental perspective. Neurobiol Learn Mem. 2019 Nov;165:106861.
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