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視覺對空間學習與記憶能力的影響分析

來源:原創論文網 添加時間:2019-06-25

  摘    要: 目的 探究視覺對小鼠水迷宮行為的影響。方法 選用健康的5~6周齡小鼠38只, 隨機分成視覺剝奪組和空白組兩組各19例進行Morris水迷宮行為學試驗。Morris水迷宮訓練逃避潛伏期和空間搜索試驗分四象限進行。訓練逃避潛伏期連續4天每天下午同一時段, 一天跑4次, 從不同的象限放下去, 每次歷時2 min;空間搜索試驗于第5天下午同一時段進行, 歷時2 min。結果 在第3天、第4天視覺剝奪組較空白組在訓練逃避潛伏期所經歷的時間更長, 有統計學意義。空間搜索試驗中, 視覺剝奪組在平臺所在象限內停留時間百分比低于空白組, 有統計學意義。視覺剝奪組較空白組穿越平臺次數減少, 有統計學意義。結論 視覺剝奪組小鼠水迷宮定位能力有明顯的變化, 視覺對小鼠在水迷宮的定位有重要作用。結論

  關鍵詞: 視覺剝奪; 水迷宮; 小鼠;

  Abstract: Objective To explore the effect of vision on the localization of water maze in mice. Methods There were 38 healthy mice aged 5-6 weeks randomly divided into two groups: the experimental group and the control group ( Each group include 19 mice) . The Morris water maze behavior test was performed. The escape latency of Morris water maze training and the spatial search test were conducted in four quadrants. The training escape latency lasted for 4 consecutive days, 4 times a day at the same time in the afternoon and 2 minutes each time from different quadrants; the spatial search test was conducted at the same time in the afternoon of the 5 th day, lasting 2 minutes. Results On the 3 rd and 4 th day, the experimental group experienced longer training escape latency than the control group, with statistical significance. In the spatial search test, the percentage of residence time in the platform quadrant in the experimental group was lower than that in the control group, which was statistically significant. Compared with the control group, the times of crossing the platform in the experimental group were decreased, which was statistically significant. Conclusion The water maze localization ability of mice in the experimental group has obvious changes, and vision plays an important role in the localization in the water maze.

  Keyword: Visual Deprivation; Water Maze; Mouse;

  視覺是學習記憶中的一個重要過程, 對哺乳動物的生存具有決定性的作用。在國內, Morris水迷宮行為學試驗[1]已經十分普遍, 而在國外, 學者Laramee[2]的研究有助于表明鼠眼與人眼在視網膜以及視覺傳導通路方面有相似之處, 21世紀, 國外學者Frenkel[3]對視覺剝奪進行了較為深入的研究, 而Jaepel等[4]則通過雙光子鈣離子成像技術探索單眼剝奪對小鼠視器及視覺的影響。國內則有劉銳, 張作明等[5]對視網膜變性的盲老鼠的視覺進行了較為深入的研究, 由于并未有對老鼠進行大規模眼部手術, 眼部組織如神經, 肌肉等未受到牽拉, 理論上不發生眼心反射[6], 小鼠生命不受到威脅。
 

視覺對空間學習與記憶能力的影響分析
 

  水迷宮實驗 (Morris Water Maze Test) , 是評價大腦神經系統學習記憶功能的常用方法。溫優良[7]等便運用水迷宮實驗來評價動物的認知功能。并且近來國外已有研究表明鼠可識別簡單圖像[8]。在水迷宮實驗之后, 不斷有研究者將實驗改良運用于小鼠。其基本原理是利用嚙齒類動物天生厭惡水環境, 通過訓練使大鼠對環境中的空間信息進行加工, 形成穩定的空間位置認知能力, 以“異我”為參照物的參考認知, 形成一種空間參考記憶[9]。本文基于以上基礎, 嘗試探討視覺對空間學習與記憶能力的影響及可能機制。

  1 、材料與方法

  1.1、 實驗動物

  選用健康的5~6周齡小鼠38只, 自由飲食飲水飼養, 自然光暗周期 (實驗動物由廣州中醫藥大學實驗動物實驗中心提供) 。

  1.2、 動物模型

  隨機分出19只小鼠, 將其眼球摘除、止血 (視覺剝奪組) , 另19只小鼠不做任何處理1 w后進行試驗 (空白組) 。

  1.3 、水迷宮組成

  水迷宮由圓柱水池、平臺和記錄系統3部分組成。水池直徑120 cm, 高50 cm, 水池內水深12 cm。水池池壁上每90°貼有一個標記物, 每個標記物均不同, 共4個, 作為小鼠定位、定向的參照物。實驗室內的門、窗、錄像設備等作為遠距離視覺參照物, 實驗過程中保持不變。平臺由與背景色相同的黑色重圓臺組成, 上方供小鼠落腳的圓直徑5 cm, 沒入水下0.7 cm[10]。

  1.4、 動物分組

  將小鼠分成空白組、視覺剝奪組兩組。

  1.5、 訓練逃避潛伏期

  將兩組小鼠分別放在Morris水迷宮內尋找平臺, 人為將水迷宮劃分為4個象限, 每天下午同一時間將受試小鼠按順時針方向依次由第一, 二, 三, 四入水點順序放入水中, 記錄小鼠在2 min內尋找平臺的時間, 如果小鼠在2 min內找到平臺, 記錄2 min內的逃避潛伏期, 如果2 min內未找到平臺, 由實驗者將其引上平臺并停留60 s, 逃避潛伏期記錄為2 min。訓練小鼠歷時4 d。

  1.6、 空間探索試驗

  4 d訓練逃避潛伏期結束后, 次日將水迷宮內的平臺移除, 讓兩組小鼠從原來平臺所在象限的對側象限進入水迷宮, 用Smart系統測其在2 min內跨越原平臺位置的次數和小鼠在平臺各個象限停留的時間, 距離, 以判斷小鼠記憶儲存以及提取再現能力。

  2、 結果

  2.1、 水迷宮運動軌跡結果

  空白組和視覺剝奪組測試結果運動軌跡圖見圖1、圖2。空白組的軌跡密集, 遍布整個水池。將所放置平臺的象限為第一象限, 并且順時針命名其他象限, 如圖可知小鼠運動軌跡較密集尤其是第一象限, 說明第一象限小鼠穿過和停留的頻率最高, 穿越平臺次數較多。視覺剝奪組的運動軌跡稀疏, 多在池壁周圍。將所放置平臺的象限為第一象限, 并且順時針命名其他象限, 根據實驗結果分析幾乎所有象限停留或停留的頻率相等。

  2.2 、水迷宮實驗結果

  空白組與視覺剝奪組逃避潛伏期第1、2天無明顯差異, 第3、4天視覺剝奪組所用時間比空白組長, 具有統計學差異 (P<0.05) ;測試實驗中視覺剝奪組穿越平臺次數比空白組少, 具有統計學意義 (P<0.05) , 在目標象限停留時間百分比差異兩組有明顯差異, 視覺剝奪組比空白組停留時間短, 有統計學意義 (P<0.05) 。見表1。

  圖1 空白組
圖1 空白組

  圖2 視覺剝奪組
圖2 視覺剝奪組

  表1 兩組小鼠水迷宮實驗結果
表1 兩組小鼠水迷宮實驗結果

  注:1) 空間搜索試驗中, 小鼠在平臺所在象限內停留時間占總實驗時間的百分比

  3、 討論

  感覺能力對認知的影響, 近些年來一直有人在研究[11]。視覺對空間定位、記憶能力的影響也是屬于熱門研究的一個方面。有研究[11]報告表明, 先天失明、后天失明和視力正常的成年人空間定位能力的大小有明顯差異, 先天失明的人明顯能力不足;一般空間認知的發展, 需要一些早期視覺的體驗;這些都說明視覺在空間認知能力方面具有不可或缺的作用。有許多學者實驗[12]利用水迷宮可以來評價視功能, 通過訓練視功能完好的大鼠可以根據視覺提示的刺激到達平臺。有文章[13]顯示利用Morris水迷宮進行視覺測試, 有便于動物學習和排除其他行為學信息的干擾、傾向于視覺測試等優點。并有文章說明無創水迷宮的方法在視覺效果評估上有較高的敏感度[14]。

  空間記憶采集實驗和空間搜索實驗是水迷宮實驗最基本的實驗。為不影響水迷宮實驗結果, 應注意無關變量的控制, 如動物的種屬、背景、性別、年齡、健康狀態、實驗對小鼠造成的應激、小鼠須學習的實驗規則 (在看不見的平臺上等待“援助”) 及小鼠對援助的理解。由于實驗需進行多日, 所以在實驗過程中還要注意對小鼠行為造成影響的因素如年齡、性別、營養及健康狀態等。還要注意每次實驗操作過程中的一些變量保持一致, 如實驗環境 (燈光、水溫、氣味及平臺位置等) ;小鼠入水時頭的朝向;在實驗完成時及時擦干小鼠身體, 需要時給予加熱以減少體溫降低對小鼠的刺激等[15]。

  在本次實驗中, 以4 d為訓練逃避潛伏期訓練小鼠學習記憶平臺的位置, 以2 min為小鼠尋找平臺最長期限, 60 s為小鼠在平臺停留的時間[10]。

  3.1、 空間學習能力

  師黎等[16]對構造大鼠視網膜損傷模型, 利用水迷宮實驗, 發現視覺剝奪組大鼠對比健康對照大鼠, 搜尋水迷宮內平臺時間與軌跡顯著高于后者, 提示視覺對大鼠空間記憶有重要影響。實驗結果顯示, 在訓練逃避潛伏期第1、2天, 視覺剝奪組和空白組并無明顯差別。而在第3、4天則視覺剝奪組較空白組在訓練逃避潛伏期所經歷的時間更長, 有統計學意義。實驗結果提示視覺對小鼠空間學習能力有影響。

  3.2、 空間搜索定位能力

  賀雨南等[17]指出, 哺乳類的空間定位信息主要來源于視覺, 視覺捕捉和高分辨率的視覺成像在空間定位中的重要性不容忽視, 且視覺信息可以增強空間認識感。在空間定位認知功能中, 有視覺捕捉參與并調控。視覺剝奪也會影響空間定位。軌跡圖可表明摘除眼球的小鼠在空間搜索路線比較紊亂, 從軌跡路線圖可看出空白組小鼠的搜尋路線在平臺周圍和平臺所在象限密集得多, 具有較強目的性。而視覺剝奪組小鼠幾乎在所有象限停留或停留的頻率相等。測試實驗中, 空白組和視覺剝奪組目標象限停留時間對比, 發現空白組時間明顯比視覺剝奪組長, P<0.05, 有統計學意義。實驗結果表明視覺剝奪可造成對小鼠搜索定位能力的削弱。

  3.3 、空間運動能力

  劉秀麗等[18]實驗顯示, 視功能的損傷會影響動物的運動能力, 隨著視功能漸進性地下降, 視功能所介導的運動能力也會隨著變化, 平均運動速度漸進性下降。運動軌跡圖中, 空白組的軌跡比較密集, 軌跡遍布整個水池。而視覺剝奪組小鼠的運動軌跡則對比稀疏得多, 軌跡主要圍繞池壁周圍。可說明視覺剝奪組小鼠的運動能力較低, 運動的速度也不如空白組小鼠, 可見視覺對小鼠空間運動能力有影響, 視覺剝奪可造成小鼠運動能力的下降。

  綜上, 視覺對小鼠在學習能力、搜索定位能力、運動能力方面均有影響, 視覺剝奪可能會使得小鼠的學習能力、搜索定位能力、運動能力有所下降, 但視覺對小鼠行為學方面影響的機制本實驗并沒有探究。

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