动物行为与电生理专题⑮丨光遗传在动物刻板行为中的应用

  由于人类重复刻板行为在某些神经精神疾病中有几率会成为一种病态表现，因此对啮齿类动物自我理毛行为的评估有助于作者理解这些疾病中重复刻板行为的神经生物学基础。啮齿类动物的自我理毛行为是一种复杂的先天行为，具有进化上保守的行为模式，也是啮齿类动物最常见的行为活动之一。自我理毛行为是一种内在行为，这种行为对动物自身的清洁和其他生理过程，例如体温调节、社会交流和唤醒等都有重要意义。在清醒的啮齿类动物中，自我理毛行为是动物最常见的行为之一，它具有固定、顺序的模式。此外，自我理毛行为在不一样的物种之间非常相似。

  小鼠和大鼠的自我梳理显示出高度的行为复杂性和组织性。在发育的早期阶段，自我理毛行为仅包括面部梳理，但跟着时间的推移，发展到对整个头部、颈部和躯干的梳理。成熟的啮齿类动物自我理毛行为由特定、高度刻板的顺序运动模式组成，称为链式模式。所谓的链式模式，是指行为的顺序是高度刻板的，一旦开始，它们就会在不需要外界感官反馈的情况下按顺序进行直至完成。一个典型的自我理毛链式行为通常包含以下四个阶段：第一阶段，双爪在鼻子附近进行一系列地椭圆形状的梳理（爪和鼻子的梳理）；第二阶段，包括一系列的单侧抚摸（每一次都由一只爪子完成），从触须到眼睛以下（脸部梳理）;第三阶段，包括一系列由两只爪子同时从头部向后和向上的双侧梳理（头部梳理）；第四阶段，最重要的包含对身体的舔舐。这样一个经典的链式自我理毛行为经常被嵌入到别的形式的梳理行为中，这些梳理行为分布到四个不同的、可预测的链式阶段，并且遵循相同的头-尾-体规则。这种链式自我理毛行为约占所有观察到的啮齿动物自我理毛行为的10-15%，其余的行为遵循较难预测的顺序模式规则。啮齿类动物自我理毛行为的顺序、链式行为的起始和链式行为的完成会受到某些实验操作的双向影响，包括多巴胺损伤、各种多巴胺能药物的使用、基因突变和外界压力等。

  将AAV-CaMKII-ChR2-mCherry病毒精准注射到小鼠的左半脑vmOFC中，实现特异性调控皮层内兴奋性神经元的目的，并且将光纤植入到左半脑VMS上方。做完手术后将动物放回到鼠笼中恢复3-4周，此时AAV病毒已经稳定并充分表达。利用光遗传的手段建立小鼠重复刻板行为动物模型，该模型有很好的特异性，此种动物模型只表现出OCD样的重复刻板行为。在行为学实验真正开始之前，每天在固定的时间对小鼠进行捉持，连续捉持5天，并将光纤跳线或headstage插到小鼠头部让其在实验环境中自由探索5~10分钟（除焦虑相关实验外），这样做才能够减少动物对实验操作的应激反应。

  作者将小鼠放进旷场（40cm×40cm×40.5cm）并连接光遗传设备进行行为检测，并用CCD相机连接分析软件对行为进行记录。将光纤跳线的一端连接到小鼠头部的陶瓷插芯上，另外一端连接到固体激光刺激器上，用刺激器控制激光刺激器的输出频率。在每次实验开始之前，先让小鼠自由活动5分钟，适应环境。行为学测试完后，用10%酒精擦拭旷场装置，用吹风机充分吹干旷场后再开始下一次的测试，防止不同小鼠之间的气味对他们的行为产生一定的影响。行为测试结束后，作者采用双盲原则对动物在测试不同阶段的自我理毛行为进行统计分析。

  将小鼠置于旷场中并让小鼠能自由活动，通过视频记录并分析其5分钟内在旷场中的总运动距离和不动的时间。旷场焦虑水平检测；首先将旷场划分成5×5的棋盘格，并定义中间的3×3区域是中心区域，以外是边缘区域。将小鼠置于旷场一角并让小鼠的头朝向旷场中心区域，立刻通过视频记录其在旷场中自由活动的前5分钟内小鼠在旷场中心区域的时间。越是焦虑的小鼠在旷场边缘区域的活动时间越多，进入中心区域的活动时间越少。

  将小鼠置于高架零迷宫的某一开放臂和封闭臂的交界处，且将其头朝向封闭臂，让小鼠可以在迷宫中自由活动，通过视频记录和分析其在迷宫中前5分钟内在高架零迷宫开放臂活动的时间。越是焦虑的小鼠在高架零迷宫的封闭臂活动时间越多，进入开放臂的活动时间越少。

  在进行光遗传刺激前一周，每天对动物进行捉持，并且将动物放入旷场中熟悉实验环境和光刺激设备。在这之后，连续五天给予小鼠473nm的10Hz光遗传刺激，持续刺激5分钟。在旷场上方放置摄像头对动物的行为进行记录，并且对光刺激前（Pre）、中（Stim）、后（Post）三个阶段的自我理毛行为做多元化的分析。测试动物在光刺激结束两周后的自我理毛行为，相比之前有明显的上升，证明连续五天的光遗传刺激造成了小鼠的过度重复刻板行为。

  A、视频记录慢性光遗传刺激下小鼠重复刻板行为的装置示意图，小鼠放置在小鼠旷场中习惯5天后，通过光纤跳线连接激光控制器给予小鼠预设的光遗传刺激，并且在上方放置摄像头连接至分析软件进行记录。

  B、病毒注射和光纤植入诱导重复刻板行为的位置示意图；连续五天的重复光遗传刺激的两周后进行仔细的检测，发现小鼠的自我理毛行为时间显著增加。

  2、薛锦文. 中脑多巴胺调控重复刻板行为的神经环路基础[D].东南大学,2022.

  4、光纤记录系统在神经科学研究中的应用[J]. 张莉唯;毕爱玲;李谦;毕宏生.生理学报,2021(02)

  可进行≥6，8 位点刺激，程序可设置≥16 组，每组位点和数量可自由选择。支持多节参数设定≥16 节。可设置的参数包括运行时间、光强、闪烁频率