作者:Caitlin Smith / 文 姜天海 / 译 来源: 发布时间:2017-9-8 17:42:26
“小鼠奶昔”:探索脑功能的行为学窗口

 
多年以来,神经系统科学家分别通过研究基因、神经元或动物行为,已经逐渐了解大脑是如何工作的。然而,对于完整的大脑功能,他们的确还知之甚少。如今,神经系统科学家通过研发新工具并结合现有技术,产生了不少新的见解,逐渐在该领域取得进步。
 
其中一种策略就是以行为为具体切入点,了解大脑是如何运作的。一个简单的动作(如膝跳反应,你的医生通过敲击膝腱进行测试)就可以展示,你的中枢神经系统某个具体区域的健康运行状况。但是,要想研究涉及多个神经通路、运动传导通路,以及不同大脑区域的行为(例如饮食和运动行为),则充满着诸多挑战。而且,研究人员在尝试分析诸如社交互动等更为复杂的行为时,会遇到更多的障碍。神经系统科学家现在正在利用新技术和先进的计算能力去分析简单和复杂的行为,提升人类对于大脑功能的理解。
 
运动中的身心
 
任何一名神经科学家都可以告诉你,微小的动作也能充分展示出大脑内部所发生的事情。例如,旋后运动(将手和前臂调整为手心向上的姿势)可以显示出皮质脊髓束的健康状况——这是大脑中的一组神经纤维,在脊髓间来回输送肢体运动的信息。
 
神经病学家可以通过评估一名患者的旋后能力,检测出大脑或脊髓的损伤,例如在中风时所遭受的损伤。“这是皮质脊髓束损伤中经典的神经系统体征。”伯克医学研究所运动功能恢复实验室主任Jason Carmel表示。通常,在要求皮质脊髓束受损的患者伸出手臂、手心向上时(就像是举着披萨盒),他们的手臂往往会出现动作偏差。但是,研究人员不能要求大鼠假装拿着披萨盒。因此,同时也担任神经病学主治医生的Carmel为大鼠开拓了一种旋后任务,以量化疗法的有效性,力求最终能够为他的患者寻找到最佳的治疗方法,让患者重获运动机能。
 
Carmel与Vulintus的科学家就此开展合作。Vulintus的前肢评估系统MotoTrak设有行为强化的高精度传感器和计算机监测,用以替代传统运动评估所需的几乎不间断的人工监控。如果是采用传统的一对一训练,预先对动物进行运动评估任务的训练可能需要花费数周乃至数月的时间,这可能会占用掉实验室全部的时间。MotoTrak系统可以让几乎所有的动物训练和测试都实现自动化。如今,Carmel表示,“我们可以更快地完成研究,并使用更多的动物。”
 
MotoTrak采用的是自适应训练协议,自动调整奖励所需的任务参数,保持动物的积极性。在MotoTrak的旋后模块中,“动物被训练着去抓一个像门把手的控制杆(目标),然后将把手旋转到具体的度数,触发(食物小球)的奖励。”Vulintus的主任Andrew Sloan表示。一旦大鼠在旋后任务中表现自如,MotoTrak就会自动检测在皮质脊髓束损伤的不同疗法前后大鼠的旋后表现。这些疗法包括标准的神经康复练习,未来,将有可能纳入大脑和/或脊髓的电刺激治疗。Carmel希望利用这一新设备能够研发出治疗皮质脊髓束损伤的疗法,惠及他的患者。
 
甜蜜之家
 
啮齿动物是行为研究中最常见的模型,而敲除技术的到来让小鼠成了尤为有趣的实验对象。实验室小鼠在传统上来讲一般都生活在饲养笼里——虽然这不是它们的自然栖息地,但对于生活在实验室的小鼠来说已经是尽量“正常”的环境,研究人员会暂时将它们移放到实验装置中,例如迷宫或社会认知室。但是,研究人员逐渐意识到,在动物的饲养笼中随时对它们进行测试更为有效,因为这会减少动物所感受到的压力。如果是要衡量行为参数,那么在饲养笼中检测小鼠尤为重要,因为这些参数可能很容易受到人为操作或环境改变的影响。有多家公司提供两用饲养笼,这也可以作为行为测试室。
 
诺达思信息技术公司(NIT)的PhenoTyper饲养笼就是专门为行为跟踪而设计的笼子——它的摄像机和顶端灯光都经过优化,用于视频记录、消除阴影,并均匀地照亮笼底。“在PhenoTyper中,动物可以走来走去,钻进垫草里,吃喝,打洞,玩耍——这比老式的测试笼(更舒适),那种都是裸露的塑料,距离自然的环境相差甚远。”NIT的创始人与总裁Lucas Noldus表示。
 
目前,在敲除小鼠的很多行为研究中都在使用PhenoTyper饲养笼。NIT是“创新药物计划”EU-AIMS(欧洲自闭症干预——研发新药物的多中心研究)的合作伙伴,EU-AIMS是学术界和制药企业共同创立的联盟,旨在寻找自闭症谱系障碍的治疗药物。NIT为荷兰乌特勒支大学医学中心的临床前研究提供PhenoTyper饲养笼和软件。罗氏、辉瑞和其它合作伙伴正在检测在自闭症小鼠模型中药物对行为的效果。
 
记录运动
 
NIT在利用PhenoTyper饲养笼的同时,还提供EthoVision XT自动行为识别软件,通过视频跟踪全天候监督啮齿动物在正常环境下的行为。其它系统往往将动物作为一个质量中心点进行跟踪,而EthoVision则会找到动物的轮廓,并在两个向量上跟踪动物的三个点——鼻子、质量中心以及尾巴基部,同时,跟踪从视频图像上提取到的很多其它的身体特征。
 
EthoVision通过点和向量对动物进行跟踪,可以自动获得更多的信息。例如,由两个向量形成的角度(在质心相交)可以告诉你这只动物的身体是伸直的、蜷缩的,还是向左向右转的。前部向量的方向可以显示出动物运动的方向(如果在移动的话),以及它的视野。如果后部向量是固定的,前部向量左右移动,那么这只动物正在前后摆头,扫视周围的环境。
 
EthoVision可以自动识别10种不同的行为,该系统已被用于研发帕金森病和阿尔茨海默病的动物模型,并通过寻找动物模型中的行为改变筛选治疗药物,Noldus表示。同时,NIT也在与其它技术企业合作,包括制造无线遥测传感器的公司数据科学国际(Data Sciences International)等。如果将像微型芯片一样的小传感器植入动物体内,可以向EthoVision传输体温、心跳等生命特征,然后EthoVision将这些生理学上的生命特征同步到行为数据中。“在居住—入侵的范式中,这会让你思考,在入侵者碰上捍卫自己领地的愤怒的居住动物时,心跳是否会加快。”Noldus表示,“以及动物身上的压力是否会被抗焦虑药物所抑制。”
 
食物心理:最新的行为跟踪技术
 
明尼苏达大学和明尼苏达VA医学中心食物科学及营养学系教授Catherine Kotz及其合作者Charles Billington和Jennifer Teske,正在将新的行为跟踪技术应用到肥胖症研究中。该团队利用多项技术,研究神经肽食欲肽在大脑管理啮齿动物的饮食行为和能量消耗中的作用。
 
Kotz使用的是Sable Systems公司的Promethion系统饲养笼,因为这款饲养笼与动物的饲养笼是完全一样的,不需要适应周期——她强调这对于能量平衡测定来说是尤为重要的。“对于这些动物来说,在适应新环境时遭受压力的一个典型征兆就是体重减轻,那么你就无法研究体重减轻的问题。”Kotz表示,“代谢速率和身体活动测定能量的所有假设都必须满足,这要求稳定的能量平衡。”Promethion系统提供的检测较以往她所接触的任何系统而言都更为灵敏,包括食物和水摄入、体重、身体活动和能量消耗的测定。除此之外,该系统还可以测定总体的能量消耗,而非仅由代谢速率引起的能量消耗。“该系统让我们能够获得更好的数据。”她说。
 
食欲肽会影响饮食行为以及身体活动水平,因此,Kotz想要测定在某些特定活动中所消耗的能量。“其它系统在测定基本的代谢速率时是OK的,但是如果你想要测量某个行为所燃烧的卡路里,其它系统就没有用了。”她说。Promethion系统可以帮她实现这一点,因为它可以实时返回行为和代谢的同步信息。它使用X、Y和Z平面的光束,光束的中断可以记录动物在笼内的活动路径。此外,饲养笼内还包含体重秤、转轮,以及食物和饮水器的传感器。这些信息可以与带有时间标记的能量消耗数据相配对,确定在某个具体行为中所燃烧的卡路里。
 
食欲肽是在下丘脑中产生的,并投射到整个大脑部分。为了研究它的作用,Kotz采用了光遗传学的技术,所使用的小鼠专门用于在食欲肽生成神经元中表达光敏离子通道。当光通过贴在脑部的小电缆脉冲到这些小鼠的大脑中时,神经元就会释放这种肽。同时,Kotz也在使用药物遗传学方法DREADD(仅由化合药物激活的受体),确定身体活动能量消耗中食欲肽的作用。Kotz的实验室正在与明尼苏达大学神经系统科学家Mark Thomas合作,验证工程小鼠的电生理学现象,而且计划很快开始研究小鼠在Promethion系统中响应光学刺激的行为。
 
Kotz尤其关注光遗传学和DREADD方法的行为结果,因为在此前的工作中,他们是通过注射将食欲肽引入大脑的。下丘脑神经元在释放食欲肽的同时也会释放其它物质,其所导致的行为可能会异于单独受食欲肽影响的行为。而使用光遗传学和DREADD方法,“我们将能够看到整个食欲肽神经元及其在激活后释放的所有物质的生理学现象,以及此后的行为”,她说。
 
小鼠与人类:社交行为监测
 
英国医学研究理事会(MRC)哈维尔研究所的研究人员,正在与国际小鼠表型分析联盟(International Mouse Phenotyping Consortium)开展合作,进行敲除小鼠的行为分析。他们的目的是要观察敲除了所有蛋白编码基因的小鼠的基因多效性——这其中包含描述超过2万个敲除,以及长达数小时的行为观察。“我们希望24小时的监测能够让我们看到,很多突变体的行为、饲养方式、活动和社交互动所发生的微小改变。”英国医学研究理事会哈维尔研究所玛丽·里昂中心的主任Sara Wells表示。
 
英国医学研究理事会哈维尔研究所最近采用Actual Analytics系统研究敲除小鼠的行为,并使用能够适应其高密度笼架的ActualHCA饲养笼环境。据英国医学研究理事会哈维尔研究所哺乳动物遗传学部的神经行为学小组负责人Patrick Nolan介绍,该系统有两大优势:能够在不受干扰的饲养笼环境下对行为进行监督,同时,它也为群居提供了可能。小鼠生来就是社会性动物,在群居环境下,它们的身体也会比独居时更为健康,所受到的压力也更小,这也让研究人员能够研究它们的社交互动。
 
对超过一只动物进行自动行为跟踪总是比较复杂的,因为监控系统并不总是能将这些动物区分清楚。Actual Analytics系统所采用的射频识别技术(RFID)让这一切变为可能,它所采用的方法是将微型芯片植入到每只动物的表皮之下(就像你的宠物在兽医处植入的微芯片)。在ActualHCA饲养笼下装有RFID阅读器,它可以将信息发送至电脑中,帮助追踪每只动物的身份。同时,还有一大批探测器和高清视频用于跟踪动物的行为。“我们的分析工具会测量一系列的自发行为,例如移动、昼夜节律、攀爬,和动物间的互动。”Actual Analytics系统的首席科学官Douglas Armstrong表示,“这些都在进行不断的完善发展,定期都会有新的行为加入进去。”
 
对于研究神经精神障碍的遗传基础的Nolan团队而言,ActualHCA(饲养笼分析)系统让他们能够更为准确地记录社交行为,并测试在一个饲养笼内的混合基因型是否会对行为产生影响。他希望,研究小鼠突变将会加深对行为的了解,“这不仅会为我们的具体研究领域提供帮助,而且也会在整体上为神经系统疾病和神经退行性疾病的研究带来福音”。
 
触屏技术与大脑行为
 
触屏技术在小鼠认知测试中处于相当重要的位置,其结果让人着实兴奋,因为这种测试可以很容易地从小鼠模型转化到人类身上。小鼠在Bussey-Saksida触屏室内接受训练,该触屏室是由英国剑桥大学的科研人员Tim Bussey和Lisa Saksida共同研发并因此得名的。在触屏室内装有触摸感应的视屏,用以播放图像。小鼠将会学习到,当它们用自己的鼻子触摸到(所以在英文中被称为“nose-pokes”)屏幕上的正确图像时,它们就会获得奖励。每次正确的触鼻行为都能让它们获得美味的食物,例如一小滴草莓奶昔。现在有几家公司现提供Bussey-Saksida触屏室,包括Campden Instruments公司、Lafayette Neuroscience公司、Med Associates公司和Stoelting公司。
 
在查尔斯河探索(Charles River Discovery,是查尔斯河实验室的一部分),转化生物学负责人Maksym Kopanitsa正在利用这些触屏室,研究脑功能障碍在小鼠模型中的认知情况,例如阿尔茨海默病和亨廷顿氏病。Kopanitsa的团队想要知道,在小鼠疾病模型中,哪个认知参数的改变最大。这样,查尔斯河的客户就可以利用这些参数,对新型药物疗法进行检测——可能会找到某种药物,能够将改变了的参数调整回正常小鼠的参数值。
 
阿尔茨海默病的小鼠模型所采用的触摸屏测试类似于阿尔茨海默病的人类患者所采用的测试,这让转化变得更为容易。“触屏技术让人们能够评估直接与人类学习和记忆相关的任务中的小鼠模型,并且可以检测药物对于这些任务中的表现有多大的提升效果。”Kopanitsa表示。他希望,研究人员最终能够实现在开展触屏实验的同时对大脑活动进行电生理学测定,以观察在认知活动中有所参与的神经元回路。“有了这些测量数据将从根本上完成这个循环,提供证据证明小鼠模型能够在行为上和生理学上复制人类的大脑障碍。”
 
如今,在触屏测试等技术的推动下,神经系统科学家正在为了解大脑功能敞开新的行为学窗口。随着研究人员愈发深入地了解功能和行为之间的联系,这些探索发现可能能够转化为有效的治疗方法,拯救某些对人类最具毁灭性的医学疾病。■
 
 
Caitlin Smith是俄勒冈州波特兰市的自由科学撰稿人。
DOI: 10.1126/science.opms.p1600109
鸣谢:“原文由美国科学促进会(www.aaas.org)发布在2016年11月4日《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/custom-publishing/technology-features/mouse-milkshake-behavioral-windows-brain-function。
 
《科学新闻》 (科学新闻2017年8月刊 科学·生命)
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