為什么可以用水迷宮實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)小鼠聰不聰明？

水迷宮（morris water maze，MWM）實(shí)驗(yàn)是分析嚙齒類動(dòng)物空間學(xué)習(xí)和記憶行為的有效工具，被廣泛的應(yīng)用于學(xué)習(xí)記憶、老年癡呆、藥理學(xué)、毒理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科研究中。

老鼠天生是游泳健將，但它們卻又不喜歡呆在水里，所以它們會(huì)本能地尋找水中的休息場(chǎng)所。此個(gè)行為看似簡(jiǎn)單，其實(shí)涉及到一個(gè)復(fù)雜的學(xué)習(xí)記憶過程——它們收集周圍的環(huán)境中與空間定位有關(guān)的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理、記憶、鞏固和讀取，最終才能成功導(dǎo)航并找到水中的休息場(chǎng)所，從而擺脫討厭的水中環(huán)境。

——這也就是水迷宮的原理。

水迷宮到底是個(gè)怎么樣的迷宮呢？

• 通常小鼠水迷宮的實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)1.2~1.5 m直徑的圓形水池。
• 垂直十字均分為 E/S/W/N 四個(gè)象限，每一象限的池壁上用不同形狀的貼紙標(biāo)記以示區(qū)別。
• 水池周圍設(shè)置圍簾阻隔實(shí)驗(yàn)小鼠視線，以免實(shí)驗(yàn)者和周圍物體對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾。
• 向水池內(nèi)注水，水深約20~25cm，水溫約23±1℃。
• 直徑為9cm的逃生平臺(tái)放置于E象限中央水面下0.8cm處。
• 水迷宮裝置頂部會(huì)裝有照明及攝像裝置，連接電腦，有配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

• 做水迷宮實(shí)驗(yàn)還需要準(zhǔn)備：毛巾和電吹風(fēng)或紅外取暖燈（用于小鼠出水池后及時(shí)擦干小鼠，以及小鼠烘干，防止低體溫造成的應(yīng)激）、染料（用于不同毛色小鼠背部染色）。

• 

圖1.水迷宮裝置示意圖

水迷宮這個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么玩？

最基本的MWM實(shí)驗(yàn)分為空間記憶采集實(shí)驗(yàn)和空間搜索實(shí)驗(yàn)兩部分。

• 空間記憶采集實(shí)驗(yàn)（Acquisition trial）

俗稱適應(yīng)訓(xùn)練階段，短則2-3天，長(zhǎng)則5-6天。

第1天，水池中不設(shè)有逃生平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)人員將小鼠沿池壁輕輕放入后迅速離開，任小鼠自由游泳2min。通過攝像設(shè)備觀察小鼠活動(dòng)，保證小鼠具有正常游泳能力，也讓小鼠適應(yīng)這個(gè)水池環(huán)境。

隨后的幾天開始訓(xùn)練，又稱定位導(dǎo)航（Navigation Test）。將逃生平臺(tái)放置到位。每天每只測(cè)試小鼠分別從4個(gè)象限進(jìn)入水池訓(xùn)練4次，并且每天入水象限的順序均不同。例如：

所有個(gè)體均在同一象限全部訓(xùn)練完成之后再換下一象限訓(xùn)練，注意保證兩次訓(xùn)練之間讓小鼠有足夠的休息時(shí)間。

若小鼠入水后在60 sec之內(nèi)找到平臺(tái)，則記錄從入水至上臺(tái)所用時(shí)間，這是潛伏期（Latency）；若小鼠在60 sec內(nèi)未能找到平臺(tái)，則由實(shí)驗(yàn)人員將其引導(dǎo)上臺(tái)，潛伏期記為60 sec。

小鼠登上平臺(tái)后，使其在平臺(tái)上停留30 sec以便小鼠根據(jù)池邊的提示來記憶平臺(tái)位置，并減少小鼠緊張。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：

潛伏期、游泳距離、平均游泳速度等。

• 空間探索實(shí)驗(yàn)（Probe trial）

俗稱測(cè)試期。這一天水池中撤除逃生平臺(tái)。

測(cè)試小鼠從距離平臺(tái)點(diǎn)最遠(yuǎn)的象限被放置入水，自由活動(dòng)60 sec。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：

游泳距離、目標(biāo)象限活動(dòng)比例、平均游泳速度等。

C57比129Sv聰明嗎？

讓C57和129Sv這兩種近交系小鼠在水迷宮實(shí)驗(yàn)里較量一下，就知道結(jié)果啦~

經(jīng)過6天的訓(xùn)練, 這兩種品系的小鼠尋找平臺(tái)的潛伏期明顯縮短, 從訓(xùn)練的第 2 天起 C57 潛伏期顯著低于129Sv 小鼠(圖 2A)。游泳總路程越來越短(圖 2B)。而兩者平均游泳速度也呈降低趨勢(shì)(圖 2C)。小鼠在目標(biāo)象限滯留時(shí)間占總時(shí)間百分比隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)而增加(圖 2D)。

圖2.空間記憶采集實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練6天結(jié)果A: 潛伏期 (s); B: 總路程 (cm); C: 平均泳速 (cm/s); D: 目標(biāo)象限滯留百分比(%)。*P<0.05; **P<0.01。

分析兩種小鼠的游泳軌跡，可以發(fā)現(xiàn)129Sv小鼠以重復(fù)環(huán)繞式搜索為主，也就是說小鼠傾向于不停地以環(huán)狀軌跡沿著水池邊游泳的模式來搜索平臺(tái)；而C57小鼠則多以直接游向平臺(tái)、最多用一圈路程便游向平臺(tái)或者直接游向目標(biāo)象限的模式搜索平臺(tái)，目的性比較明確。

圖3.游泳軌跡左：129Sv小鼠典型游泳軌跡；右：C57小鼠典型游泳軌跡

平臺(tái)穿越次數(shù)（圖4A）是一個(gè) MWM 常用的評(píng)分指標(biāo)， C57和129Sv小鼠間沒有明顯差異。目標(biāo)象限時(shí)間占總搜索時(shí)間百分比（圖4B），129Sv小鼠顯著高于C57小鼠。而C57小鼠總游泳路程及平均游泳速度顯著高于129Sv 小鼠（圖4C、圖4D， P<0.01）。

圖4.空間探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果A: 平臺(tái)穿越次數(shù); B: 目標(biāo)象限滯留時(shí)間百分比 (%); C: 總路程 (cm); D: 平均泳速 (cm/s)。*P&amp;lt;0.05, **P&amp;lt;0.01。

C57和129Sv兩種小鼠在MWM實(shí)驗(yàn)中的潛伏期、總路程和平均游泳速度隨訓(xùn)練時(shí)間的增加呈降低趨勢(shì)，而目標(biāo)象限滯留時(shí)間百分比隨時(shí)間逐漸增加。說明C57和129Sv小鼠均可以在訓(xùn)練期間有效進(jìn)行空間學(xué)習(xí)定位，完成尋找隱藏平臺(tái)的任務(wù)。而 C57 的潛伏期、目標(biāo)象限滯留時(shí)間百分比表現(xiàn)優(yōu)于129Sv小鼠，說明C57在空間學(xué)習(xí)功能上占優(yōu)勢(shì)。

不過雖然C57游泳速度及總路程顯著高于129Sv小鼠；但從目標(biāo)象限滯留時(shí)間來看，129Sv 要顯著高于 C57 小鼠。說明在水迷宮實(shí)驗(yàn)中，小鼠品系背景的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響哦！像BALB/c小鼠就不太適合MWM實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/P>

表2.在不同直徑的水迷宮中BALB/c小鼠都不能準(zhǔn)確地進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

1、Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)在小鼠表型分析中的應(yīng)用. Chinese Journal of Cell Biology 2011, 33(1): 8−14

2、Effect of morris water maze diameter on visual-spatial learning in difference mouse strains.Neurobiology of Learning & Memory 2006 , 85 (2) :164-172

3、Strain and gender differences in the behavior of mouse lines commonly used in transgenic studies. Physiology & Behavior 2001 , 72 (1-2) :271