最常用于学习记忆能力评估的Morris水迷宫

#1

专家意见:Although the Morris water maze describes a hidden platform segment, the method used to hide the platform is not defined (typically the use of an opaque fluid in the tank, but the methods here describe only water).

译文:尽管Morris水迷宫描述了一个隐藏的平台段,但用于隐藏平台的方法并没有定义(通常是在水箱中使用不透明的液体,但这里的方法只描述了水)。

编辑解读:Morris水迷宫实验作为常见的评估学习记忆能力的方法,也不能忽视对细节的描述。

延伸阅读:

Morris水迷宫是英国心理学家Morris于20世纪80年(1981)代初设计并应用于脑学习记忆机制研究的一种实验手段,测试程序主要包括定位航行试验和空间探索试验。虽然起初的实验对象为大鼠,但此后该迷宫系统成为评估啮齿类动物空间学习和记忆能力的经典程序,广泛运用于神经生物学、药理学等领域的基础和应用研究中。它能较客观地衡量动物空间记忆、工作记忆以及空间辨别能力的改变。因此,这种研究方法很快就引起各国神经科学家的关注,并将此法称为Morris水迷宫法。Morris实验系统由水迷宫装置(主要由盛水的水池和一个可调节高度和可移动位置的站台所组成)、水迷宫图像自动采集和软件分析系统组成。

水迷宫图像自动采集和软件分析系统的主要部件为摄像机、计算机和图像采集卡等。这种系统有多种型号,但工作原理和流程大致相似:摄像头采集大鼠游泳图像(模拟信号)输入到计算机中的图像采集卡进行模/数转换,大鼠游泳的模拟图像转化为数字图像储存于硬盘中,将数字图像进行图像分析得到有关的测试参数。软件分析系统能自动地采集动物的入水位置、游泳的速度、搜索目标等所需时间、运行轨迹和搜索策略等参数,并可将所采集的各种资料进行统计和分析。

Morris水迷宫的实验原理在于虽然老鼠是天生的游泳健将,但是它们却厌恶处于水中的状态,同时游泳对于老鼠来说是十分消耗体力的活动,它们会本能的寻找水中的休息场所。寻找休息场的行为涉及一个复杂的记忆过程,包括收集与空间定位有关的视觉信息,再对这些信息进行处理、整理、记忆、加固、然后再取出,目的是能成功的航行并且找到隐藏在水中的站台,最终从水中逃脱。

定位航行实验(place navigation):

实验开始先将小鼠放入水池中(不放平台)自由游泳2min使其熟悉迷宫环境。实验共历时5d,每天定于固定时间段,每个时间段训练4次。训练开始时,将平台置于NW象限,从池壁四个起始点的任一点将小鼠面向池壁放入水池。自由录像记录系统记录小鼠找到平台的时间(逃避潜伏期)和游泳路径,4次训练即将小鼠分别从四个不同的起始点(按东南西北四个方向将水池平均划分为4个象限(NE、SE、SW、NW))放入水中。Morris水迷宫实验方法小鼠找到平台后或120s内找不到平台(潜伏期记为120s),则由实验者将其拿上平台,在平台上休息15s再进行下一次试验。每天以小鼠4次训练潜伏期的平均值作为小鼠当日的学习成绩。

空间探索试验(spatial probe):

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第6天撤除原平台,将小鼠任选1个入水点放入水中,所有小鼠必须为同一入水点,记录大鼠在2min内跨越原平台的次数。

Morris水迷宫硬件装置:

(1)水池和站台:对于水池的大小,存在一个人为选择的问题,看起来应该统一标准,其实并不容易。但是有个原则就是水池不能太小,站台也不能太大。Morris最初(1981年)用于大鼠的水池是直径1.32米、高为0.6米,水池的水深为0.40米;但后来(1984年)改为直径2.14米、高0.4米,水池的水深为0.25米。对于小鼠的实验水池,文献中介绍的迷宫直径差异巨大,小到0.6米, 大到2.0米。一般而言,过小的水池使小鼠爬上平台的偶然性增加,任务难度减小。过大的水池会使小鼠游泳路径延长,体力消耗过大,爬上站台的机率减少。目前国内水池尺寸尚无统一标准。现在国内文献中所用水迷宫水池大多数为大鼠1.6m或1.8m居多,而小鼠一般为1m或1.2m,高0.5m。站台一般为圆形,直径可分为大鼠12cm,小鼠6cm,表面粗糙,高度一般为30cm。国外文献中所用水迷宫水池大多数为大鼠1.8m或2.0m居多,高0.6m,站台直径10cm;而小鼠一般为1m到1.5m,高0.3m站台直径5cm。

(2)水温:水的温度要求实验过程中恒温。大鼠温度范围一般为25± 1℃,小鼠可能低些在18-22℃。有研究报道,对小鼠进行了水温对迷宫成绩影响的观察,结果发现27-28℃组的小鼠成绩最差,而17-18℃组和21-22℃组小鼠的学习成绩没有区别,所以,推荐小鼠水迷宫的实验用21~22℃水。水温对潜伏期影响很大,特别是大鼠,如果温度过高,大鼠在游几次后渐渐适应了迷宫环境,它就会把迷宫当“浴盆”了,放进去以后,就漂浮不动;如果水温过低,大鼠体温下降很快,体力也会耗散太多,大鼠游泳能力不能坚持很久,就会出现游几次潜伏期突然增大的现象。甚至有些老鼠会出现较明显的应激反应,比如说会出现抽筋,腹泻现象。水温一般保持25度左右,另外气温也会导致水温偏差过大,应人为的调节水温。所以要求在水池的底部装备可以恒定保持水温的加热棒或者其他加热装置。

(3)光源:要保证水池水面上没有光影,主要是要避免光线在水面的反射问题,以免留在水面的光照影子被软件的采集系统将光影和鼠的影子混淆;如果是白色的水池背景,就可以在水池上方用两根条形的发散日光灯,这样可以减少反射光在水面的背影;如果是黑色的水池背景,就在水池四个象限的上方放置4个60瓦的灯泡或25瓦的管灯,不用功率特别大的灯。灯泡的高度应该足够高,不能被摄像头捕获到。另外还可以在水池四周装一圈帘子(颜色一般是黑色、浅蓝色或者白色),这样可以将光的影子挡住,又保持一定的透光度。同时也可以减少外界的人站在水池旁边某个地方或走来走去,对大鼠形成一个不定的空间参照物。

(4)空间线索(参照物)

水池应该置于一个较大的房间内,池壁上悬挂两个以上物体作为近距离视觉参照物,并在水池外房间内有多种远距离视觉参照物。比如几何图形(正方形、三角形、圆形等)悬挂于水池以外的墙上,高度是必须让大小鼠在游泳的时候看的见的范围,所以应该在其视平线以上,这些几何图形可以是宽5cm至15cm塑料板制成,高度是必须高过站台,可以用1m的线挂在水池周围;这些几何图形一般涂成黑色,因为啮齿类动物对黑色比较敏感;这些几何图形一般不少于3个。另外实验室环境是一个十分重要的因素,实验室的设备、仪器、工作台、椅子、门窗和灯具等陈设的位置和实验人员进行实验操作时所站立的位置都可能被大小鼠看见,如果移动会影响实验结果。因为动物有时会常常利用实验室内固有的环境作为它搜索目标时的参照物。

关于实验动物的选择:

并非所有鼠都适合于Morris迷宫测试,如近交系BALB/c小鼠不能学会该任务(成绩并不随天数的增加而进步),129/SvJ小鼠的学习成绩也偏差;比如129/SvJ株的小鼠由于有年龄相关性视路病变,在衰老时完成以视觉为基础的学习记忆任务时就会出现困难。C57BL/6鼠由于严重的秃头症存在,可能使某些小鼠产生抑郁,加上溃疡性皮炎,最终可能影响小鼠的游泳能力而影响实验成绩;将动物浸入水中可能引起内分泌或其它应激效应,后者与脑损害或药理学操作间的相互作用具有不确定性;由于体力消耗太大,体温也丧失过多,一些年老体弱鼠完成任务较困难,甚至会发生溺水死亡的情况;另外,个体间的成绩差异也巨大,比如说,有些正常大鼠放入水中后左右观望打圈确定方向后直接游到台上,说明他记忆力比较好,这个现象是很重要的,有的大鼠游泳速度慢些,所以潜伏期时间比痴呆组还大。所以可以先用别的方法把大鼠初筛一下,然后再做水迷宫测试。

关于实验人员:

实验者应与受试动物建立良好的感情,让动物熟悉实验者的身体信息,如气味、相貌等。捕捉动物的动作要温柔,不要刺激动物。忌讳用手抓鼠的尾巴,因为这样会极大的刺激动物。有人建议在实验开始的两三天之前,与鼠亲密接触。实际上鼠的嗅觉很敏感,如实验人员为女性的话,其身上的香水味不同,都会使鼠的情绪发生变化的。

统计方法学

潜伏期时间为计量资料,可用方差分析,但需按方差分析的程序先进行方差齐性检验,方差齐,计算F值,用多个实验组和一个对照组间均数的两两比较方法进行统计;对非正态或方差不齐的数据进行适当的变量转换,待满足正态或方差齐要求后,用转换后的数据进行统计;若变量转换后仍未达到正态或方差齐的目的,改用秩和检验进行统计。计数资料,比如说穿越站台的次数,可用X2检验,四格表总例数小于40,或总例数等于或大于40但出现理论数等于或小于1时,应改用确切概率法。

Morris 水迷宫的实验数据较为复杂,其统计分析难度也较大,尤其是对大鼠在寻找隐蔽站台试验中所测得的逃避潜伏期如何进行统计学分析既往存在的问题较多。在过去的研究中,国内文献中有的直接计算每天的平均逃避潜伏期后再进行t检验或方差分析,或根据大鼠的逃避潜伏期在定位航行试验后3d趋于稳定的情况,仅对后3d的平均逃避潜伏期进行t检验或方差分析。有的研究则就1-5d的逃避潜伏期进行单因素方差分析。由此认为以上统计方法均不正确。一个较明显的错误是,以趋于平稳的后3d的平均逃避潜伏期代表记忆水平,首先遇到的问题是仅在生理状态下的大鼠才表现如此,而实验记忆损伤组大鼠往往后3d的逃避潜伏期仍然持续下降。正常青年组和初老年组大鼠的逃避潜伏期在后3d趋于平稳,但实验损伤组大鼠的逃避潜伏期由于学习记忆损伤后其基线较高,第3-5天逃避潜伏期仍然呈下降的趋势,并不象正常对照组一样趋于稳定。不仅如此,还存在上述统计方法对隐蔽站台试验中测得的逃避潜伏期数据统计学特征的认识错误。

定位航行实验的逃避潜伏期具有以下特点:(1)是重复测量设计,即在给予某种处理后,在不同的时间点上从同一受试对象上重复测量获得的数据(逃避潜伏期);(2)影响逃避潜伏期(自变量)统计分析结果的至少有动物组别、检测时点等多个效应因子,效应因子之间存在交互影响效应;(3)同一受试动物的不同时间点所测得的逃避潜伏期存在高度的自相关性;(4)存在截尾数据(最大潜伏期)。据此,对Morris水迷宫中隐蔽站台试验的逃避潜伏期应采用重复测量数据的多因素方差分析(repeated measures analyses of variance)结合截尾数据的生存分析方法较为恰当,国外文献报道中常用,这种方法对潜伏期均值进行进一步的分析,天数作为自变量,潜伏期或游泳速度作为因变量。

实验适用范围:

(1) Morris水迷宫实验在神经退行性疾病如阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)以及血管性痴呆(VD)等的研究方面是非常有效的:这些疾病的最大特征是认知功能的减退。经典的Morris水迷宫所检测的是大鼠在多次的训练中,学会寻找固定位置的隐蔽平台,形成稳定的空间位置认知,这种空间认知是加工空间信息(外部线索)形成的。而平台的位置与大鼠自身所处的位置和状态关系不大,是一种以异我为参照点的参考认知,所形成的记忆是一种空间参考记忆。从信息的加工和提取方式来看,这种空间参考记忆进入意识系统,其储存的机制主要涉及边缘系统(如海马)以及大脑皮层有关脑区,常伴有Hebb突触修饰,应该属于陈述性记忆。而临床健忘和痴呆的病人,正是陈述性记忆首先受损而且比较突出。因此,Morris水迷宫实验首选适用的范围是以海马损伤表现的认知功能衰退的记忆缺损。

(2)神经性毒害或者治疗药物的筛选实验:在神经药理学和神经毒理学实验中,某些药物对神经元或者海马等脑区有哪些毒害或者治疗的作用,可以用Morris水迷宫试验检测其对学习记忆能力的影响。如一些抗胆碱能药物(如一些新的镇静剂)不仅抑制动物在Morris水迷宫实验中的表现,而且在人类中也可以削弱记忆;一些拟胆碱能药物(尤其是中药里面提取的新成分)不仅可以提高动物在Morris水迷宫实验中游泳的成绩,而且可以提高人类的学习认知能力。

(3)脑皮质功能衰退或意外伤害引起的工作学习记忆方面损害的实验:Morris水迷宫实验除了可以做隐蔽站台实验和探索实验外,还可用于工作记忆的研究。比如最简单的程序是每只大鼠每天训练两次。第一次训练时,平台置于水池的任何一个象限中,并隐藏在水面下,大鼠通过游泳找到平台,并且停留30~60 s。在第二次训练中,平台隐藏于与第一次训练相同的位置,同样要求大鼠通过游泳找到平台。如果大鼠能从第一次的训练中获得经验(工作记忆),那么,第二次训练的成绩就会提高。比较两次实验的成绩,就可以评价工作记忆的好坏。虽然在同一天的测试中,平台的位置是相同的,但是不同天的测试中,平台的位置是随机的,以保证每一天平台的位置都是新的,不同于前一天平台的位置。像日常生活中的脑萎缩引起的健忘,以及车祸等意外伤害到脑皮层引起的工作学习记忆的损伤。

(4)用来确定药物或其他实验处理是否导致动物视力改变:Morris水迷宫实验还可以通过可见站台试验来检测药物对动物的视力是否有影响,这些视力改变会混淆动物基于远端可见信息定位所得到数据的分析。有一点需要注意的是,某些特定的行为可能表示视力受损,比如没有搜索行为或持续沿水池周边游泳可能被认为是视力受损,因为动物在一段时间内并没有定位平台。因此动物必须试图穿越水池而且不能准确定位站台。

注意事项:

(1)对比食物驱动的模型(如放射臂迷宫),水迷宫实验的最大优点在于,动物具有更大的、逃离水环境的动机。而且不必禁食,特别适合老年动物的测试。加上它对衰老引起的记忆减弱尤其敏感,因此,水迷宫最常用于老年动物记忆的研究。

(2)如用小鼠,除游泳池尺寸约为大鼠的50%以外,平台直径也较少(7.5cm)。实验方法与大鼠类似,但训练周期较短。一般获得性训练3天共训16次(第一天4次,后两天每天6次;两次训练之间的间隔5~10min,第四天为探查训练,第五、六天为对位训练,每天训练六次,第七天为第二次探查训练。

(3)如用肉眼观察,在所有试验过程中试验着始终坐在同一位置,距离泳池最近的边缘约60cm。

(4)每天在固定时间测试。操作轻柔,避免不必要的应激刺激。悬尾应激可显著损伤小鼠的空间记忆及其反转学习的获得和巩固,其中相对空间记忆及其反转学习的巩固受损尤为严重,所以在实验过程中避免小鼠悬尾时间过长。

(5)当与其他同类实验相比较时,要注意到动物的性别、品系、泳池的尺寸和水温等多种因素对实验结果的影响。此外,当以游泳速度作为观察指标时,要考虑到动物的体质量、年龄以及骨骼肌发育状况等对游泳速度可能造成影响。

(6)用老年动物进行实验时,应确认动物的游泳能力和视力不因年龄增大而影响行为操作。其方法如下:将平台露出水面以使动物能够看见平台。动物放入泳池后如毫无困难地直接游向平台,说明动物的游泳能力和视力均正常,可以开始实验。

(7)游泳对动物是一个较大的应激刺激,可引起神经内分泌的变化。这些变化可能对实验结果造成干扰。对老年动物,严重时可诱发心血管疾病而导致卒中甚至死亡。因此,必要时可将动物多次放入泳池或适当延长其游泳时间以增加动物对游泳的适应能力。

(8)当用牛奶或奶粉搅浑泳池的水时,要定期换水以免水腐败变质;

(9)水迷宫实验过程中,水面布光和对外界环境的隔离要求很高,水面的阴影会干扰实验结果,外界工作人员或者其他物体移动会干扰实验动物的记忆,所以水迷宫外的一切物品在实验的始终要保持不变。

Morris水迷宫实验优点:

与其他方法相比,Morris水迷宫在判定啮齿类动物认知功能中具有很多优点:

(1)它不需要实验前训练阶段,而且可以在短时间内完成相对大量的动物。

(2)由于对年龄相关性空间记忆损害有可靠的敏感性,Morris水迷宫是判断老年鼠空间学习记忆能力的特别有用的工具。通过探测和转移位置实验的训练,学习和回忆过程可以被记录分析,也可以在各组之间比较。

(3)虽然对于鼠类来说浸入水中是令其厌恶的,驱动动物逃避的是水刺激,而不需要食物剥夺和电击,因此,避免了剥夺食物给实验动物带来的新陈代谢和电击休克方面的问题,而这方面问题对某些品系的动物来说可能是危险的。

(4)气味或痕迹等干扰可以被去除。

(5)将实验动物的学习记忆障碍和感觉、运动缺陷等分离开来,减少它们对学习记忆过程检测的干扰。可见站台实验,可以识别可能影响实验结果的动物视觉缺陷,修正标准Morris水迷宫实验中得到的结果。

(6)通过改变站台的位置,可以完成学习和再学习实验,相应的,在同组动物中也可以测量不同用药量的效果。

(7)既可以检测空间参考记忆又可以检测空间工作记忆。在用固定平台测试小鼠的空间参考记忆后再将平台的位置改为不固定,就可检测它们的工作记忆能力

(8)通过使用窗帘、划分区域等,可以减少实验人员和实验以外的物体对视频跟踪系统记录的干扰。

(9)能提供较多的实验参数,系统全面地考察实验动物空间认知加工的过程,客观地反映其认知水平,显然,寻找不固定平台的认知过程要复杂一些,需要动物对时间和空间上的分离信息加以整合和判断。

(10)操作简便,数据误差较小。

整理于首都医科大学燕京医学院机能实验室《Morris水迷宫实验的测试方法介绍及注意事项》及

#2

专家意见:The use of a different statistical method to analyze the Morris water maze results is confusing and poorly described. The terminology applied to this method was not easily identified in the literature. The authors should provide additional descriptions of how this method differs from ANOVA to support the use of this method and demonstrate the benefits of this method.

译文:使用不同的统计方法来分析Morris水迷宫的结果是令人困惑的,而且描述得很差。统计学分析方法中使用的术语不易在文献中找到。

编辑解读:对不同类型数据进行的统计学分析方法要合理,且要注意写作时统计学术语使用要规范。

#3

专家意见:The authors should provide a schematic illustration about the pharmacological manipulations and the apparatus Morris water maze test.

译文:作者应提供有关药理学操作和Morris water maze水迷宫试验设备的示意图。

编辑解读: 示意图/模式图有助于读者更理解实验进行的步骤以及其中涉及的具体药物/试剂/设备。

#4

专家意见:Please clarify which models of rats you tested by Morris water maze and which were examined by Golgi staining. Why not test all interventions using both methods? Please explain your reasoning. Do the effects of SIRT1 activation/inhibition using pharmacological methods affect learning and memory function? Do the effects of insulin activation/inhibition correlate with changes in hippocampal spine structure? These associations do not appear to have been examined.

译文:请说明实验用Morris水迷宫实验测试了哪些模型大鼠,哪些是用高尔基体染色检测。为什么不使用两种方法测试所有干预措施?请解释你的理由。使用药理学方法激活/抑制SIRT1的效果是否影响学习和记忆功能?

编辑解读:注意描述实验动物在各项检测项目中的分配情况。思考实验中用药或其他治疗可能涉及的其他层面的影响和作用。

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