在神经科学研究领域,清醒活动动物的大脑活动记录是格外珍贵的,通过这些记录我们才能真正捕捉到大脑活动最真实的情况。但是,清醒活动动物的记录又十分困难,很多高精度的记录设备很难做到足够小,让小鼠完全不受干扰地自由活动,比如双光子、大规模的多通道记录、活体膜片钳等等。同时,这种高精度的设备对运动的噪音也非常敏感,动物的活动经常会引起很大的噪音。
为了解决这些问题,很多头部固定的方法应运而生。最简单的方法是将头部固定的动物放置于一个塑料管中限制其活动,另一种常用的方法是在头部固定动物下配置一个跑球,并训练动物学会在跑球上活动。在选择头部固定的方法时,有两个非常重要的因素,一个是头架的稳定性,只有足够稳定才能获得高质量的信号;一个是动物的适应性。小鼠是一种警觉性很高的动物,清醒小鼠对环境极为敏感,如何对环境进行控制一直都是清醒小鼠实验的难题。这里,我们介绍一种非常优秀的解决方案——Mobile HomeCage,在稳定性和动物的适应性方面都十分突出,此外还能实现很多额外的功能,使得高精度脑活动检测与多样的行为学范式相结合。
稳定性
头架固定装置独特的设计能够保证其极高的稳定性,适合对稳定性要求非常高的精密检测,如双光子、在体膜片钳等等。在其它的应用中,高稳定性也大大提升检测数据质量。
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视频呈现了在小鼠运动过程中,双光子成像的稳定性。
适应性
Mobile HomeCage是用气体吹起碳纤维笼,笼体足够轻,动物能够轻松移动,有笼壁的保护,小鼠也比较有安全感,最大可能地模拟了小鼠在饲养笼中的状态。因此,相比其它头部固定方案,HomeCage对动物的应激作用小,所需的适应训练时间短。
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新设计的红屋顶可以更进一步屏蔽外界干扰,保证实验数据的可靠性,和可重复性。
运动追踪
HomeCage可配套运动追踪系统,记录动物的行动轨迹和头部方向,并可触发和同步外部设备,与奖赏惩罚等各类配件组成反馈环路。
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运动追踪系统包含分析和反馈触发等功能。
丰富的实验场景
Mobile HomeCage不仅仅是一个提供头部固定动物活动的平台,还提供了非常丰富的实验场景,能实现多样的行为学范式,这使得各种高精度检测技术能够与各种行为学实验相结合。
可在HomeCage中进行的行为学研究(包括但不限于)
✓探索运动和活动的神经功能
✓用于研究记忆处理的对象识别
✓任务相关的行为学训练和研究
✓对空间学习和记忆的评估(T型迷宫和环状迷宫)
✓社交行为和社交互动的研究
✓多感觉交互的相关研究
✓空间感受的相关研究
✓视觉刺激相关研究(使用透明笼壁或矮笼壁,小鼠可观察到前方视频中的视觉刺激)
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舔水奖励
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可配置多种类型的迷宫
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利用HomeCage进行旷场和新物体识别的检测
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在HomeCage上进行的社交行为实验
适合与HomeCage配合使用的技术
✓清醒动物脑功能成像
✓在体神经电生理记录
✓在体膜片钳记录
✓在体双光子成像
✓多脑区电极及光纤记录等
持续的创新
Mobile HomeCage还在持续开发新的功能,可以根据研究者具体的实验需求进行个性化定制。同时,也有越来越多的实验室利用HomeCage的设备设计新的实验方法。
由于小鼠对现实的感知主要源于触觉,尤其是胡须的触觉,来自UCSC的一个研究团队对HomeCage进行了简单的改造,在笼壁上固定不同材质的物体,并训练小鼠学会用胡须来辨别物体的材质。后续,在这样一个行为学范式的基础上,利用双光子成像研究了致幻剂对这一行为的影响。相关工作在2021年已发表于Molecular Psychiatry杂志
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(doi.org10.1038s41380-021-01159-1.pdf)。
以上视频呈现了小鼠在HomeCage中用胡须辨别笼壁上物体材质的过程。