摘要：在许多神经系统疾病和精神疾病以及衰老过程中，程序记忆障碍是常见的严重症状。我们的目的是在大鼠中建立一种可长期研究程序学习和性能变化的检测方法。这项工作是在一个更大的项目框架内完成的，目的是建立一个具有高翻译价值的复杂认知动物测试系统。该设备是一个直径190厘米的圆形水箱，其中12个花盆颠倒成一个圆圈，相邻花盆之间的距离（18-46厘米）不断增加。雄性Lister Hooded和Long-Evans大鼠被允许在花盆上移动3分钟。水箱充满了浅水，动物们是能在花盆上走动的。然而，需要跳跃的距离（大于26厘米）对其中一些动物来说意味着障碍。运动技能的发展是以成功跨越的最长距离来衡量的。观察到相对平坦的钟形年龄依赖性，在13个月大时达到峰值。20个月后，在出现明显的身体虚弱之前，可以观察到表现逐渐下降。与Lister Hooded大鼠相比，Long-Evans大鼠表现出更均匀的行为和更高的个体稳定性。该方法适用于研究运动学习的发展并遵循其年龄依赖性变化。 它也可以用作检测潜在药物以改善运动技能和/或程序记忆的测定法。

 

 

简介：目前，与年龄有关的认知障碍的药物治疗尚不能令人满意。 尽管在基础研究中发现了丰富的认知增强剂机制，但数十种临床前有希望的化合物在临床研究中失败了。一个主要的原因可能是，在基础研究中使用的所谓的金标准动物试验无法预测针对复杂和强健的认知缺陷的临床疗效。我们小组的目的是建立一个啮齿动物认知测试系统，以提高潜在认知增强剂的临床疗效。该系统由学习范式组成，这些学习范式模拟了在精神和神经退行性疾病中存在缺陷的各种人类认知领域。其中之一是程序性学习和记忆，它在几种与年龄有关的疾病中受损，在帕金森氏病中最为突出，但在自然衰老过程中也会减弱。我们的目的是寻找一种有翻译价值的啮齿动物程序性学习和记忆模型，该模型也适用于行为的纵向随访。最初，我们使用广泛使用的旋转木马装置来测量大鼠的运动技能发展和运动协调。因为在一些重复的训练课程中，他们将器械作为“游乐场”：他们经常故意从旋转杆上跳下来，或者紧紧抓住分离的圆板，把它当作升降梯使用，尽管分析的原理是要测量直到由于运动障碍而跌落的保持时间。我们的老鼠勇敢而自信的行为可以通过密集的处理，习惯于实验室的环境以及定期进行其他认知任务的训练来解释，我们都采用了这些方法来降低它们的压力水平并使其符合性能要求。为了寻找一种合适的运动学习方法，我们开发了本文介绍的所谓跳罐测试。在这个范例中，老鼠被允许在一个开放的竞技场中，在倒立成圆形的花盆顶部自由移动。相邻花盆之间的距离沿逆时针方向逐渐增加。 竞技场充满浅水，迫使老鼠不要从花盆里掉下来。事实证明，这项新颖的任务具有几个优点。 首先，可以改变运动能力，因为距离的改变需要连续调节：太短和太长的跳跃都会导致误差，从而掉落/滑入水中。 第二，该任务使自愿运动成为可能；老鼠可以根据自己的实际运动和/或精神状况单独决定它们在两个花盆之间的最长距离。 因此，测试对动物的动机状态很敏感。第三，在反复的测试中，老鼠可以训练自己掌握这项任务，即在竞技场上走动，第四，任务的自愿性扩展了受试者之间的个体差异，可用于检测学习能力的差异。由于运动表现可以通过增加受试者的动机来提高，我们还计划将食物颗粒放在罐子上作为成功跳跃的奖励。但是，后来发现，动物的探索驱动力足以使他们积极参与任务。引入测定后，我们还打算跟踪衰老对获得的运动技能的影响。 因此，在当前的文章中，我们介绍了Long-Evans（LE）和Lister Hooded（LH）大鼠在整个生命周期中的表现。这项纵向研究已经展开了将近3年； 因此，在测量与年龄相关的性能的同时，我们也在不断完善该方法，直到确立最终模式。

 

试验动物：在实验开始时，研究对象分别是7个月龄和4月龄的36只雄性Lister Hooded（LH）大鼠和36只Long-Evans（LE）雄性大鼠。对LH动物进行研究直至27月龄，然后对其余27只大鼠实施安乐死进行另一项研究。LE大鼠直到38个月大时才能够参与实验，当时11只还活着。 在测试的开始和结束时，Lister Hooded大鼠的体重下降在376–508 g和385–498 g之间，而Long-Evans大鼠的体重下降在290–381 g和283–414 g之间 将动物分成三组，每组在1500平方厘米的聚碳酸酯笼中，用纸管和木制咀嚼砖作为环境富集工具，并在整个测量过程中定期进行处理。他们保持反向的明暗循环（从早上4:00到下午4:00处于黑暗阶段），并限制食物的获取。3只大鼠在黑暗期结束时，即下午3:30，进食量为45g。不限水，在跳罐训练的同时，动物还参与了其他各种认知任务。从27月龄到死亡，一半的Long-Evans大鼠都接受了一种假定的抗衰老化合物的治疗。治疗不影响动物的“跳罐”行为，因此，在整个实验期间，汇集对照组和治疗组的数据。

 

设备和培训程序：设备是直径为190厘米的圆形开放式竞技场，其壁高为60厘米，其中将12个花盆（分别高16厘米，底部和顶部分别宽10厘米和17.5厘米）呈圆形倒立放置，两个相邻花盆中心之间的距离（18-46厘米）不断增加。一根水平放置的纸筒（长20厘米，直径8厘米）悬挂在竞技场墙壁上的12号花盆上方，这样动物就可以爬起来藏在里面，在里面可以获得一颗花生奖励。将动物放在第一个花盆上，实验动物总是回到第7个罐子附近的相同位置，一直呆在那里直到试验完成。竞技场里灌满了6厘米深的冷水，阻止大鼠从花盆上掉下来。在一次试验中，受试者被放在花盆1上（距离下一个花盆最短的距离（18厘米））并允许在花盆上移动3分钟。关于运动技能表现，区分了两个花盆之间的三种移动方式：“踩踏”：首先，同一侧的前腿和后腿相继向前移动，然后是另一侧的前腿和后腿。 “上方”：两个前腿靠在前面的花盆上，而两个后腿仍在后面的花盆上； “跳跃”：四只腿同时悬空。大鼠能够跨过最短（18厘米）的距离；跨过26厘米的距离可以通过“俯冲”完成，而跨过26厘米以上的距离可以通过“跳跃”完成。如果大鼠在跳跃后掉进水中，则不认为是成功跨过了花盆。每月至少培训一次。实验在大约50-lx的亮度强度下进行。 使用Smart v3.0视频跟踪系统软件对动物的运动进行视频记录。运动技能表现为大鼠成功跨越的最长距离。每次试验后，将粪便从水和盆中取出。 更换水，并在每周测试后彻底清洁水池。

 

实验设计：由于该方法正在开发中，实验期间根据动物的表现不断调整大鼠的训练程序。开始使用4.5月龄的Long-Evans（LE）大鼠建立实验设计。他们习惯于圆形竞技场，竞技场上有12个圆形的花盆，除了12号和1号花盆相距24厘米外，其余的都是18厘米。5月龄时，花盆1到6之间的距离增加到24厘米，花盆6到12之间的距离增加到26厘米。最长跨距为40cm。之后，圆的上半部分和下半部分的距离分别增加到26厘米和30厘米。从13个月龄以后， LE大鼠从26厘米跳到40厘米，相邻盆之间的距离增加2厘米。 Lister Hooded大鼠在7个月大时就开始使用这种装置进行训练。 随后，最长距离扩展到44厘米。大鼠从21个月龄（LE）和14个月龄（LH）开始进行试验，最终设置如图1所示。

 

结果：继续前进需要三种不同类型的运动技能：踩踏，俯卧或跳跃。大鼠只能跨过18厘米的距离，而高达26厘米的间隔通常是过度的更大的距离（≥28cm）只能通过跳跃来跨越；但是，一些大鼠（“非跳跃者”）不能完成。即使对“跳跃者”来说，一定的距离也意味着在特定的试验中存在障碍。在不断增加的距离上连续跳跃一段时间后，它们停在某个花盆上，在犹豫了一段时间后，它们不再进一步跳跃，而是向后跳，回到第一个花盆。然而，在下一次任务的学习阶段，他们通常会跳得更远，然后再停一两个花盆。

 

与年龄相关的表现（最长距离）：我们跟踪了大鼠整个生命周期的表现，直到LH大鼠试验终止和LE大鼠在花盆上能够移动为止。 实验过程中动物数量减少，因为其中一些自然死亡。老年时瘫痪或有溃疡性足跖炎的老鼠没有参加实验，因为它们在生理上无法控制这些花盆。观察到相对平坦的钟形年龄依赖关系。LE和LH大鼠的平均最长距离均在13月龄达到高峰（分别为32.8和37.0cm）。LH大鼠在幼龄时表现比LE大鼠差。随时间的推移，每个品系表现都下降。LH大鼠在21-24个月内表现出明显的下降。所有大鼠在其一生中至少成功跨越了至少24厘米的距离。 LE动物的“个人最佳”值的分布在24厘米和40厘米距离之间以34厘米的模态表现出或多或少的高斯曲线（11只大鼠）。. 相反，LH大鼠在24～46cm范围内分布较为均匀。有4只LE和8只LH动物的移动长度不超过26cm。LE大鼠的“记录”是4只动物跳40厘米，而LH大鼠有7只可以达到44厘米的范围，“记录”甚至有动物跳了46厘米。

 

典型的个人表现（最经常出现的距离）：我们为每只动物确定了在其10-24月龄（LE）和11-21月龄（LH）的年龄段中最常跨越的距离，即在学习阶段之后和与身体状况相关的表现下降之前的时间间隔内。从正态分布曲线的拟合中，排除了7只LE和5只LH大鼠。 这些动物通常没有离开第一个花盆，可能是因为上述生命周期中最短的距离（26厘米）对于它们的起步来说太长了。LE而不是LH分布与正态曲线非常吻合。 LE大鼠的拟合高斯曲线的峰值在30 cm处，是最经常跨越的距离，有14只动物跳跃。9只LH大鼠在26cm处达到高峰与lh组相比，LE组涉及的短距离和长距离动物较少。LH组的表现比LE组更均匀、分布更广。

 

所有场合中最常跨越距离的比例: 百分之百意味着动物在所有试验中达到了相同的距离（即高度稳定的性能），而低百分之百则表示性能可变（不稳定）。LE大鼠的平均modi平均值为56.2％±2.7％，高于LH大鼠的modi平均值45.6±2.5％。Modi的方式描述了大多数动物的特征值（典型值）：两种品系均为50％.

 

“不离开”的大鼠数量: 相对于给定年龄参与实验的所有大鼠， LH大鼠从19月龄时开始绘制“不离开”大鼠的比例。对于大鼠来说，只有21月龄时才会显示“不离开”值，因为从21月龄时开始，花盆的设置只包括18-22-23厘米的三角形。对于大鼠，这个值在26个月大之前大约是15-20%；此后，几乎一直持续增加直到试验期结束。在21-24月龄的衰退期，LE组和LH组的“不离开”大鼠比例有显著差异。

 

跳跃大鼠数量：能够跳跃的大鼠比例在年龄函数中呈钟形曲线。跳跃动物的数量一直增加到13月龄，直到19-20月龄才保持相对稳定。此后两种品系都开始减少。 在21至24个月之间，LE组的跳跃动物的比例明显高于LH组。32月龄后，没有一只Long-Evans老鼠能跳下花盆。

 

结论：新建立的“跳罐”任务可能是研究运动技能学习发展以及运动系统损伤引起的年龄相关下降或缺陷的一个适当而简单的模型。这种方法对检测大鼠衰老过程的开始和进展似乎很敏感。从训练开始到1岁左右，所描述的最后一个花盆装置每周可用于幼鼠两次，此时通常会达到个人最佳效果。随后，可以进行每月的持续训练，直到动物身体丧失能力为止。建议不要进行超过3分钟的更频繁的测量和试验，以避免失去移动的动力。当需要进行药物测试的实验设计时，可以在一定时期内更频繁地执行测试。为了提高任务难度，可以选择改变花盆模式。根据大鼠与人类年龄相关行为之间的经验对应关系，可能会测试潜在的增强药物以改善运动技能和/或程序记忆。