动物行为实验指南丨小鼠琴键式运动行为分析（Erasmus Ladder测试）

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"Erasmus Ladder"是一种用于评估小鼠运动表现和运动学习能力的全自动设备。它由两个带压空气出口和LED灯的遮蔽盒组成，中间是一个梯子，梯子上的触敏横杆可以测量步长时间和步态。梯子由74根横档组成，两侧各32根。所有横档都装有压力传感器，用于监测小鼠的行走模式。横档的高低位置不同，每个高横档对面是一个低横档。最方便的行走模式是使用较高的横档，称为正确的步态，而使用较低的横档则被视为错误步态。Erasmus Ladder是一种高精度的自动化仪器，用于评估小鼠的运动协调性和学习记忆能力。该仪器由两个目标盒和中间的水平梯子组成，梯子上的横杆是触敏的，可以精确记录小鼠的步行动作和行为表现。装置配备有高分辨率的摄像系统和软件，可以自动记录和分析小鼠的步态和运动表现。它由两个目标箱和一个水平梯子组成，梯子上装备了触觉敏感的横档，能够检测小鼠在梯子上的位置和步态。这个设备可以记录小鼠的步幅、步态错误、后退步和跳跃等参数，并且所有参数都可以区分方向，这对于研究影响身体一侧的疾病模型特别有用。

Fig1 Erasmus Ladder示意图

目的：

在小鼠实验中，Erasmus Ladder被用来评估小鼠的运动表现和运动学习能力。这个设备通过捕捉小鼠在梯子上的步态动态，来评估其运动协调性和学习能力。通过这种实验设置，研究人员可以评估小鼠的运动协调性和学习能力，以及小脑对这些功能的影响，可以量化小鼠在面对挑战性任务时的运动表现，从而更好地理解其运动控制和适应性学习能力。这对于研究小脑功能、神经系统疾病和潜在的治疗方法具有重要意义。尤其是在研究神经系统疾病、药物效果或遗传因素对运动功能影响的研究中。

Erasmus Ladder软件记录小鼠的运动表现和运动学习能力。在测试的第二阶段，一个意外的物体——抬高的横杆——突然出现，构成了一项挑战。动物如何学会应对这一挑战是反射性运动学习的衡量标准，也是小脑功能的反映。

Fig2 Erasmus Ladder中小鼠任务

在实验中，小鼠被放置在梯子的一端，然后通过光线和气流的刺激激励小鼠穿越梯子到达另一端。实验分为两个阶段：前四个会话用于训练小鼠有效穿越梯子，后四个会话则用于测试小鼠的适应性运动学习能力。在第二阶段，梯子上的某些横档会突然抬起，形成障碍，小鼠需要学会如何应对这一挑战，这是衡量联想运动学习的一种指标，也是小脑功能的一个反映。

在每次训练开始时，将小鼠放置在“起始”盒中，等待LED灯亮起，随后几毫秒内，气流逐渐增强，直到小鼠进入“结束”盒。一旦进入“结束”盒，气流停止，开始“试验间隔”期。这个间隔期在8到12秒之间变化，小鼠必须留在当前盒中。一旦小鼠离开盒子，就会从对面的遮蔽盒中吹出空气，迫使动物返回。小鼠经过连续五天的训练，每天训练包括42次跑步。研究的依赖变量是每次跑步的正确步态百分比（每天每只小鼠42个百分比值，总共每只小鼠210个值）。

实验步骤：

1. 动物准备：

选择健康的成年小鼠，通常为8-12周龄，在实验前至少1周将小鼠适应实验室环境，确保小鼠在实验当天处于良好的健康状态。

2. 设备设置：

打开Erasmus Ladder装置，确保所有部件正常工作，根据实验需求调整横杆间距（通常为1.5 cm），开启摄像系统和数据采集软件。

习惯化阶段：

将小鼠放入Erasmus Ladder装置的一端，让其自由探索和熟悉环境。习惯化时间通常为12天，每天10-15分钟。记录小鼠在习惯化期间的表现，以便评估其对装置的适应情况。

训练阶段：

基础训练：将小鼠放在装置的一端，引导其走到另一端。记录小鼠完成任务的时间、步数、步态和错误次数（如踩空）。

多次训练：每天进行23次训练，每次训练间隔1小时左右，连续训练5-7天。

逐步增加难度：在训练过程中，可以逐渐增加横杆的间距或改变横杆的位置，以提高任务难度。

测试阶段：

正式测试：在训练结束后，进行正式测试。记录小鼠在不同条件下的表现，包括完成任务的时间、步数、步态和错误次数。

重复测试：为了评估学习记忆能力，可以在不同时间点（如1天、1周、1个月后）进行重复测试，记录小鼠的表现变化。在测试的第二阶段，引入一个意外的物体——抬高的横杆，模拟突然出现的障碍。记录小鼠如何应对这一挑战，评估其反射性运动学习能力和小脑功能。

数据分析：

1. 基本参数：

完成时间：小鼠从起点到终点所需的时间。

步数：小鼠完成任务所需的步数。

步态：小鼠的步态特征，如步长、步频等。

错误次数：小鼠在行走过程中踩空或失误的次数。

2. 高级参数：

步态稳定性：通过步长和步频的变化评估小鼠的步态稳定性。

学习曲线：通过多次训练和测试的数据，绘制小鼠的学习曲线，评估其学习和记忆能力。

Fig3 结果示例评估参数

使用Erasmus Ladder获得的数据可以用来量化不同的运动行为：

1. 运动表现：可以通过在不同会话中记录步态错误来衡量。这些错误被称为“missteps”，在训练过程中，小鼠学会如何有效地在梯子上移动，从而减少错误。

2. 后退步：当动物向目标箱的相反方向移动时，会记录后退步。这是动物完成梯子任务的动力指标。

3. 跳跃：当动物在梯子上移动时，如果跨越同一侧的超过两个横档，会记录跳跃。这是动物在任务期间的焦虑或敏感状态的指标。

4. 步幅：当动物在同一侧的连续横档上移动时，会记录短步幅；当动物移动到同一侧的下一个相邻横档时，会记录长步幅。对于成年动物，在训练会话期间，短步幅和长步幅的百分比没有显著差异，但在挑战会话期间，步幅类型有统计学上的显著差异。

5. 步态时间测量：可以用来比较训练和挑战会话期间的步态动态。在第5测试中，刺激前后的步态时间有统计学上的显著差异，表明条件刺激（CS）和无条件刺激（US）之间没有完全关联。到第6次时，没有差异，表明存在适应性小脑学习。

注意事项：

确保实验环境安静、光线适宜，避免外界干扰。保持实验条件的一致性，如温度、湿度等。

文献引用：

• Dijkhuizen, S., Van Ginneken, L.M.C., IJpelaar, A.H.C. et al. Impact of enriched environment on motor performance and learning in mice. Sci Rep 14, 5962 (2024).

• Sathyanesan A, Gallo V. Cerebellar contribution to locomotor behavior: A neurodevelopmental perspective. Neurobiol Learn Mem. 2019 Nov;165:106861.

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