5xFAD小鼠开放场地运动组织能力和空间定向能力的评估

《Brain Research》：Evaluation of open field movement organization and spatial orientation in 5xFAD mice

　　

L. Roblin|H. Sampson|I. Murillo|R. Lake|L. Yasui|M.L. Hastings|D.G. Wallace

美国伊利诺伊州迪卡尔布市北伊利诺伊大学心理学系

摘要

在阿尔茨海默病（AD）的进展过程中，经常观察到动物在熟悉的环境中徘徊或迷路的行为，这可能是该疾病的早期症状之一，但对患有这种神经退行性疾病的人来说极其危险。β-淀粉样肽（Aβ）的积累与AD相关的神经病理学和认知缺陷有关。本研究调查了5xFAD阿尔茨海默病小鼠模型中开放场地运动组织的变化以及淀粉样病理的沉积情况。在3个月、6个月、9个月和12个月大时，分别收集了小鼠在黑暗和光照条件下的开放场地行为数据。结果表明，基因型差异主要表现为运动功能障碍，而非自我运动或环境线索利用能力的受损。这项工作为未来研究治疗干预措施的有效性奠定了基础。

引言

随着医学的进步和生活质量的提高，世界人口的中位年龄持续上升（阿尔茨海默病事实与数据，2024年）。因此，与年龄相关的病理衰退效应变得越来越普遍。特别是在阿尔茨海默病（AD）中，认知能力下降尤为明显，这种疾病表现为记忆（显性和隐性）和其他认知功能（如执行功能和语言功能）的严重慢性衰退。这种神经退行性疾病最终导致患者无法独立生活（阿尔茨海默病事实与数据，2024年）。阿尔茨海默病痴呆的一个常见特征是“徘徊”行为，通常出现在疾病的晚期阶段。先前的研究表明，在阿尔茨海默病进展过程中，自我运动线索（如前庭系统和视觉流）的处理能力受损（Cushman等人，2008年；Mapstone等人，2006年；Tetewsky和Duffy，1999年）。处于这种状态的患者可能会在环境中无目的地移动，有时表现为看似随机的步伐或重复动作（Cipriani等人，2014年）。这种徘徊行为常常使患者处于危险境地，成为阿尔茨海默病患者住院和死亡的主要原因之一（Rolland等人，2007年）。阿尔茨海默病与患者大脑中病理特征的积累有关（Hardy和Allsop，1991年；Jack等人，2013年；Selkoe和Hardy，2016年）。

阿尔茨海默病的病因尚存争议。最受研究的假设是细胞外β-淀粉样肽（Aβ）的积累，形成所谓的“斑块”（Hardy和Allsop，1991年；Selkoe和Hardy，2016年），其次是细胞内神经纤维缠结（NFTs）的形成（Oblak等人，2021年）。针对阿尔茨海默病患者进行的治疗研究主要集中在减少Aβ斑块的发展上；然而，也有人认为Aβ肽的积累可能并非疾病发展的主要原因（Herrup，2015年；Kepp等人，2023年）。大多数阿尔茨海默病病例是散发的，其原因尚不清楚，有证据表明病理变化源于多种遗传风险因素，而不仅仅是单一基因变异。不过，存在一些可遗传的基因变异会导致早发性阿尔茨海默病（FAD）。基于这些FAD突变开发了小鼠模型（Oblak等人，2021年；Hall和Roberson，2012年）。使用阿尔茨海默病的小鼠模型可以研究神经病理学的进展以及行为变化。本研究使用了5xFAD小鼠模型，该模型包含五种不同的突变基因，包括三种淀粉样前体蛋白（APP）突变和两种早老素突变——这些突变都被认为与Aβ毒性事件的发生有关。5xFAD小鼠模型通过表现出类似的淀粉样斑块负荷显著增加以及关键脑结构中的早期神经病理变化，为人类阿尔茨海默病的发展提供了重要见解（Forner等人，2021年；Oakley等人，2006年；O’Leary等人，2018年；O’Leary和Brown，2022年；O’Leary和Brown，2024年）。先前的研究记录了Aβ肽在皮层、海马体和丘脑中的积累；这些结构参与维持空间定向（Oblak等人，2021年；Bader等人，2023年；Tsui等人，2022年）。

人类和啮齿动物通过处理自我运动和环境信息来维持空间定向。当身体运动时，会产生自我运动线索，使动物感知到自己在空间中的位置和方向。环境线索是由感觉系统（如视觉、嗅觉等）检测到的稳定信息来源，这些线索相对于动物的距离和方向各不相同（Blankenship等人，2016年；Fitzpatrick等人，2006年；Lester等人，2017年）。导航策略依赖于这些不同类型的线索，这些线索由大脑的不同结构提供。海马体长期以来一直与空间定向有关；然而，其具体作用仍有争议（Maaswinkel等人，1999年；O’Keefe和Burgess，1996年；O’Keefe和Nadel，1978年；Wallace和Whishaw，2003年；Whishaw等人，2001年）。最近的研究表明，空间信息处理还依赖于海马体以外的脑结构（Fouquet等人，2013年；Gahnstrom和Spiers，2020年；Grieves和Jeffery，2017年；Whishaw等人，1987年）。例如，丘脑复合体中的后丘脑区域包含头部方向（HD）细胞，这些细胞提供相对于线索的方向信息，并形成连接多个皮下和皮层区域的复杂回路（Hopkins等人，2005年；Taube等人，1990年）。此外，前庭系统也是空间定向的关键结构（Banovetz等人，2021年；Smith，1997年；Smith，2022年；Smith等人，2010年）。先前的研究（Wallace等人，2002年）通过测试不同线索可用性条件下的食物储存行为，发现了前庭线索在空间定向中的关键作用，同时也表明动物能够在线索受损时切换导航策略。这一结果还表明，自发的空间行为可以检测到不同脑区病理的变化，因为不同的导航策略可能依赖于多个脑结构。对啮齿动物开放场地行为的分析显示，这种分析方法也有助于表征空间定向的变化。

在受控的开放场地环境中评估探索行为可以提供有价值的空间定向评估，从而区分线索的使用情况。啮齿动物利用多种信息和导航策略来组织其开放场地行为（Whishaw等人，2001年；Hines和Whishaw，2005年）。例如，啮齿动物会在新环境中或视觉线索有限的环境中使用自我运动线索来引导运动（Maaswinkel和Whishaw，1999年）。然而，当啮齿动物熟悉一个可以获取视觉线索的环境时，它们会利用这些线索来引导运动。大多数开放场地研究关注的是总体指标（如行进距离或在外围停留的时间）。然而，这些指标无法捕捉到动物建立“基地”的行为（Eilam和Golani，1989年；Schaeffer等人，2023年）以及其他运动的地形和运动学特征（Wallace等人，2006年；Schaeffer等人，2024年）。具体来说，啮齿动物将其开放场地行为组织成一系列以“基地”为基准的停顿和前进动作（Eilam和Golani，1989年；Wallace等人，2006年；Drai等人，2000年；Fonio等人，2009年；Golani等人，1993年）。这些组成部分都表现出一致的地形和运动学特征。例如，啮齿动物利用环境中的视觉线索来建立“基地”，从而能够在不迷失方向的情况下探索环境并返回基地。它们的前进动作也会根据是离开基地还是返回基地而表现出不同的运动学特征（Schaeffer等人，2023年）。为了考虑啮齿动物利用多种线索维持空间定向的能力，本研究限制了它们获取环境线索的机会（即在黑暗条件下进行实验，限制了视觉线索）。如果由于某种脑部损伤，啮齿动物无法处理自我运动线索，并且环境线索也被限制，那么它们可能无法切换导航策略来弥补这一缺陷，从而可能表现出空间定向障碍。这是首次对5xFAD小鼠模型的开放场地行为进行深入分析的研究。此外，通过采用纵向设计，评估衰老对开放场地表现的影响为研究疾病进展中的导航变化提供了发展框架。在最后一次开放场地实验后，对一部分小鼠的斑块分布进行了分析。

章节片段

动物

本研究使用了22只来自罗莎琳德·富兰克林医学与科学大学的转基因小鼠（Jackson实验室编号#008730），这些小鼠符合机构动物护理和使用委员会（IACUC）的规定。将杂合的5xFAD转基因小鼠（Jackson实验室品系#008730）与非转基因小鼠交配，以产生杂合子和小鼠。当前研究中的小鼠来自五窝，包括12只5xFAD小鼠（雌性5只；雄性7只）和10只C57BL/J野生型小鼠（雌性5只；雄性5只）。

Aβ分布

通过使用Imaris进行图像分析，对5xFAD小鼠的斑块密度进行了形态测量，以量化Aβ斑块的存在，并确认野生型小鼠脑切片中不存在Aβ斑块。在5xFAD小鼠的脑切片中，观察到每个区域的斑块分布存在明显差异，所有三个区域都显示出大量的Aβ斑块。丘脑中的斑块密度最高，而

总体讨论

本研究调查了3个月、6个月、9个月和12个月大的5xFAD阿尔茨海默病小鼠模型中的自发开放场地行为组织情况，以评估空间定向能力。结果与5xFAD小鼠的空间定向能力未受损但运动功能受损一致。结果还显示了与AD类型病理学一致的神经病理学变化。在5xFAD小鼠的脑切片中观察到了Aβ斑块，而在野生型小鼠的脑切片中未观察到Aβ斑块。

CRediT作者贡献声明

L. Roblin：撰写初稿、正式分析、数据管理。H. Sampson：撰写初稿、方法学设计、数据管理。I. Murillo：撰写初稿、可视化处理、实验设计、数据管理。R. Lake：撰写初稿、软件开发、数据管理。L. Yasui：撰写初稿、方法学设计、实验设计、概念构思。M.L. Hastings：撰写初稿、资源准备、概念构思。D.G. Wallace：撰写初稿、监督工作、整体协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。