新物体识别测试是一种常用于研究实验动物认知功能和记忆能力的方法。它为探索亨廷顿病、阿尔茨海默症和精神分裂等神经退行性疾病的机制提供了重要线索。《Science》杂志曾发表多篇文章,利用新物体识别实验来评估实验小鼠在不同研究背景下的记忆能力和认知功能。
比如这项研究,阐释了睡眠状态重塑记忆的神经环路机制,为临床治疗与睡眠相关疾病提供有力支持。实验者贯穿全文所采用地检测实验小鼠记忆能力的方法--新物体识别实验。
(图源: Izawa S, et al. , Science. 2019 Sep 20;365(6459):1308-1313.)
新物体识别实验简单,但仍对新物体识别实验知识了解不全面,本期内容就对新物体识别实验做一个全面的介绍。
01 简介
新物体识别测试(ORT)是一种常用的行为测定方法,用于深入研究小鼠学习和记忆的不同方面。该测试的流程简单,包括适应日、训练日和测试日,整个过程通常在三天内完成。在训练阶段,小鼠有机会探索两个相同的物体,而在测试日,其中一个物体被替换为一个全新的物体。由于小鼠天生对新奇事物的偏好,它们通常会更多地探索新的物体,而不是已知的物体,这使得测试变得相对简单,无需使用积极或消极的强化方式,也无需进行长时间的训练计划。 此外,ORT具有灵活性,可以根据研究需求进行调整。可以通过调整保留间隔时间来评估不同类型的记忆,如短期记忆或长期记忆。研究人员还可以在不同时间点使用药物干预,包括训练前、训练后或回忆前,以研究不同学习阶段的影响,包括获取、早期巩固或回忆。总体而言,ORT是一种相对简单、高效的小鼠记忆测试方法,可用于检测在药理学、生物学或遗传学操作后引起的神经心理变化。
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02 应用领域
1.药物研究:科学家常使用新物体识别测试来评估药物对认知功能的影响。例如,一些药物可能会增强动物对新奇刺激的识别能力,这暗示着它们可能具有潜在的认知增强效果。 2.神经系统疾病研究:在研究神经系统疾病,如阿尔茨海默病时,新物体识别测试有助于揭示与认知功能受损相关的行为表现,这为理解疾病的病理生理机制提供了线索。 3.基础研究:新物体识别测试也常用于基础研究,以探索动物的记忆和认知机制,以及这些机制如何受到各种因素的影响。这有助于我们更深入地了解认知过程的基本原理。
03 原理
在新物体识别实验中,利用啮齿类动物对新奇物体的偏好,作为一种行为学实验,来评估它们的学习和记忆能力。这种实验无需动物进行特殊的学习训练,也无需禁食禁水,而且不涉及惩罚或奖赏刺激,因此动物受到的应激较小。与人类的再认记忆检测相似,这种方法被广泛应用,具有诸多优点。
04 实验装置
1.封闭环境
根据实验原理,实验通常在一个封闭的方形或矩形容器中进行,以确保动物在实验期间不受外部干扰。这些容器由赛昂斯提供,适用于不同大小的小鼠,既给予动物足够的活动空间,又限制了它们的活动范围,以便观察和记录它们的行为。
容器: 小鼠:底面 40×40cm 的正方形,色泽灰色,四周有墙壁,壁高 40cm 大鼠:底面 72×72cm 的正方形,色泽灰色,四周有墙壁,壁高 50cm
2.地板和墙壁 为了避免干扰动物行为观察,实验环境的地板和墙壁通常选择均匀的、不引人注意的颜色,如灰色或白色。 3.两个相似物体 实验开始时,通常会在环境中放置两个相似的物体,以帮助动物熟悉环境。这些物体的形状、颜色和大小都应该相似,以确保它们在外观上难以区分。 4.新物体 在适当的时机,其中一个相似物体会被一个新的未知物体替换。新物体可能与原始物体相似,但通常在形状或纹理上有一些差异,以引起动物的注意。 5.观察窗口 实验装置的一侧通常设有透明的观察窗口,以便实验者观察动物在实验环境中的行为,而不会干扰它们的正常活动。 6.光照条件 为了确保动物在实验期间对环境的感知不受光照影响,光照条件通常是均匀的。柔和的环境光被使用,以避免强烈的阴影。 7.摄像设备 为了记录动物在实验中的行为,通常会在实验室内安装摄像设备。这些设备可用于后续的视频分析,以获取更详细的行为数据。
05 实验步骤
1.准备阶段:在测试前,为了消除小鼠的陌生感,每天都对小鼠进行抚摸,以避免在操作时对小鼠产生刺激。 2.第1阶段,适应期:小鼠在没有放置任何物体的实验装置内自由运动10分钟。这一阶段相当于对小鼠进行了一种训练,以确保它们适应实验环境。 3.第2阶段,熟悉期:在实验装置中放入两个相同的物体(标记为AB),物体之间距离为10厘米,小鼠从与物体等距离的位置放入装置中,背朝物体。使用摄像头和软件记录小鼠在每个物体上的探索时间(以嘴或鼻子接触物体或凑近约2-3厘米范围为标准)。在5分钟内测量动物对每个物体的探索次数、时间和距离。 4.第3阶段,测试期:通常在第2阶段完成后的1小时内进行记忆测试,以评估小鼠的记忆能力(当然,也可以选择更长的时间间隔来评价记忆改善效果)。将两个相同物体中的一个替换为一个不同的物体(标记为AC或BC),同样将小鼠从与物体等距离的位置放入装置中进行5分钟的测试。
06 数据分析
1. 在训练(T1)和测试(T2)阶段,记录每个会话中对两个物体的总探索时间(e1和e2)。大多数小鼠在5分钟内预计达到对两个物体的最低探测时间为20秒。 2. 对于那些探索性行为较低且未达到最低标准的小鼠品系,可将T1和T2的时间延长至10分钟,并额外增加5分钟,根据试点测试的观察结果进行调整。 3. 行为评分应持续观察5分钟或更长时间,直到达到20秒的最低标准为止。 4. 若小鼠在10分钟内未能在T1或T2中对两个物体的探索达到最低标准的20秒,应将其排除在数据分析之外。因为无法确认它们是否花费了足够的时间来学习或辨别物体。
07 注意事项
1. 物体探究的定义可能因实验室而异。除了之前提到的定义外,有些实验室将物体探究定义为动物用鼻子嗅或接触物体,或者用前肢接触物体。但通常不将动物围绕物体转圈或坐在物体上的行为计为物体接触。 2. 本实验对环境要求较高,应保持实验环境安静。为了不干扰动物的自主行为,最好使用摄像机监控,实验者在另一房间进行观察。此外,为了避免主观因素的影响,最好采用盲法观察,即观察者不知道所研究动物的处理或动物的基因类型。 3. 动物的气味会对实验结果产生较大影响。因此,在两动物的测试之间应该使用酒精清洗物体并清洁敞箱,以避免前一只动物遗留的味道对后续动物行为产生诱导。 4. 在训练期间,动物对两个物体的接触时间基本接近。引入一个新物体后,正常动物对新物体的探究会显著增加,认知系数高于0.5,达到0.7-0.8;而当动物有记忆障碍时,认知系数仍然在0.5左右,即动物对新物体失去偏爱。 5. 物体认知实验被认为是脑皮层,尤其是鼻周皮层(perirhinal cortex)依赖的记忆模型。毁损鼻周皮层可阻断物体认知记忆的获得、再现和巩固;而毁损海马则一般不影响物体认知行为。