實驗鼠滾輪測試儀 (Rotarod) 詳細介紹

基本介紹

實驗鼠滾輪測試儀 (Rotarod, 以下略)  是一種廣泛使用的表現與行為任務，用於評估齧齒類動物的運動表現。運動表現可以被視為神經功能缺損的一項指標 (Hamm et al., 1994)。Rotarod 測試基於以下事實：許多神經系統狀況可能潛在影響功能性運動參數，例如平衡、運動協調或運動學習能力 (Crawley., 1999)，進而直接影響動物留在桿上的能力。Rotarod 測試測量動物在加速旋轉的桿上保持行走的時間，從而允許評估由疾病模型或干預措施所引起的運動缺損。例如，運動功能缺損是創傷性腦損傷的常見後果。因此Rotarod 經常被用作損傷引發運動缺損的指標 (Curzon et al., 2009)。

旋轉桿產生了強迫運動的環境，允許測量在自由行走或久坐動物中不明顯的運動功能干擾。Rotarod 也可以用作藥物對運動功能的影響或副作用的篩選測試 (Cartmell et al., 1991; Kirschbaum et al., 2009)。

Rotarod由一個固定直徑的旋轉桿組成，其速度在預定的一段時間內增加。隨著速度增加，小鼠被要求走得更快以維持其在桿上的位置。從旋轉桿掉落的潛伏期或齧齒類動物從桿上掉落的速度可以被記錄並作為運動表現的衡量標準。

Rotarod 測試最初由 Dunham 和 Miya 於 1957 年開發，用於測量藥物對齧齒類動物運動協調的影響，當時被命名為「Rolling roller」(Dunham and Miya., 1957)。從那時起，已經描述了該測試的幾個版本。原始版本具有設定的恆定速度；Jones 和 Roberts (1968) 透過在動物行走時逐漸增加桿的旋轉速度來提高任務的靈敏度。

Rotarod 測試已被用於研究許多疾病模型，包括帕金森氏症、亨丁頓舞蹈症或創傷性腦損傷，以及基因剔除和基因轉殖小鼠。

硬體組成

Rotarod 由一個連接到步進馬達的中央驅動桿組成。該桿位於一個足以阻止動物從其跳下的高度。該桿是一根覆蓋著防滑表面的橫桿，表面包含一系列平行的縱向脊狀突起，使齧齒類動物能夠抓握它。桿的長度和直徑將取決於待測試的齧齒類物種。該桿被塑料牆分隔成多個隔間，允許同時測試相應數量的動物。該裝置的基座包含一個柔軟的襯墊表面，以緩衝動物的掉落。

馬達連接到一個速度選擇器箱。根據測試的目的，桿旋轉的速度可以固定，也可以按預定的速率加速。

裝置內含一個計時器，當馬達開啟時會自動開始計時，並在紅外線光束被阻斷偵測到動物掉落到裝置底板時停止。

實驗操作流程

Rotarod 測試的目的是透過評估齧齒類動物留在旋轉桿上的能力，來評價對照組與疾病模型/干預組動物的運動表現。

通常情況下，當被放置在 Rotarod 上時，由於桿子放置的高度，齧齒類動物會傾向於留在桿上。當它以恆定或增加的速度旋轉時，齧齒類動物被迫行走以留在桿上。 Rotarod 有幾種版本的實驗方案可供使用，主要在旋轉速度、加速度率和測試時間方面有所不同。

Rotarod 的預先訓練

動物應習慣於該設備，以減少可能導致牠們不慎從桿上掉落的焦慮和探索行為。 在實驗開始前的一週內，應每天進行 30 分鐘的訓練試驗。在試驗期間，將動物放置在旋轉桿上；如果動物從桿上掉下，必須立即將其放回桿上。

使用 Rotarod 評估運動功能

測試受傷動物時，請在手術程序後至少等待 24 小時，以便從麻醉藥物的影響中完全恢復。 在開始測試前，將每隻動物放在 Rotarod 上以緩慢的恆定速度（例如 4 rpm）訓練 5 分鐘。在開始第一次試驗前留出 1 小時的間隔。 將裝置設置為按預期加速（例如初始速度為 4 rpm，加速度率為 20 rpm/min，直到最大速度為 40 rpm；Deacon, 2013）。 將動物放在桿上，背對旋轉方向，使其必須向前行走才能留在桿上；啟動馬達和計時器。

當動物從桿上掉下時，每次試驗即告結束。當動物掉落時，記錄計時器顯示的從旋轉桿掉落的潛伏期，以及掉落時的旋轉速度。重複此程序兩次。 由三次試驗確定的平均潛伏期或平均旋轉速度將作為最終結果。兩者皆可作為運動功能的衡量標準並用於隨後的分析。 在每隻受測動物之間清潔並消毒設備。

改良版本

在 Dunham 和 Miya (Dunham and Miya., 1957) 所描述的原始版本 Rotarod 測試中，小鼠會在以恆定速度旋轉的桿上行走。最顯著的修改是由 Jones 和 Roberts 於 1968 年提出的，他們在動物行走時引入了桿旋轉速度的逐漸加速，從而提高了該任務對運動協調評估的靈敏度。

對桿本身也進行了修改。用一系列不鏽鋼條圍繞桿的核心，要求動物在行走時抓握鋼條。由於腦損傷後抓握力可能會下降，這種修改可能會提高該測試對創傷性腦損傷動物模型的靈敏度 (Hamm et al., 1994)。

Rotarod 也被修改用於測試運動技能學習。在這種情況下，桿具有堅硬的表面，未經訓練的小鼠較難停留在上面；但使用較寬的桿和恆定的低速，為小鼠留下了學習如何在那種表面上行走的空間——隨著每次訓練，小鼠能夠在 Rotarod 上停留更長時間。記錄連續幾天內掉落的潛伏期，可以確定運動技能學習曲線 (Shiotsuki et al., 2010)。

Rotarod 也被用作一項運動技能訓練任務，以評估大腦的結構塑性 (Scholz et al., 2015)。

某些版本的測試裝置還在其底部包含一個電網，向從桿上掉落的動物施加低電流電擊，作為一種制約刺激，以阻止動物從桿上跳下。

獲得數據範例

從 Rotarod 測試中獲得的數據通常透過繪製動物留在桿上的時間或動物掉落時的速度來進行視覺化。這兩者都可以輕鬆地繪圖，並在對照組與疾病或干預組之間進行比較。下方的範例圖表顯示了創傷性腦損傷對於在旋轉桿上花費的時間，或對於動物能夠留在桿上的最大速度之影響。

使用類似這樣的圖表來比較在 Rotarod 上花費的時間或動物掉落的速度，可以輕鬆地將運動表現受到的影響視覺化。患有創傷性腦損傷的動物在桿上花費的時間應該較短，且會在較低的速度下掉落。

長處與限制

Rotarod 測試與平衡桿或走桿測試等其他運動表現測試相比，能夠在更輕微的損傷程度下偵測到損傷誘發的運動障礙 (Hamm et al., 1994)。

Rotarod 測試是一種靈敏的測試，可以評估藥物干預的效果 (Cartmell et al., 1991)。

由於比其他測試更靈敏，Rotarod 測試在偵測由疾病模型或干預誘發的運動障礙時，可能需要較少的動物數量。

幼年和老年的動物在執行此項任務時表現可能較差 (Curzon et al., 2009)。

齧齒類動物從加速的 Rotarod 掉落的潛伏期在不同實驗室之間可能存在顯著差異。例如，這些差異源於使用不同的桿直徑和表面紋理、不同的實驗方案或未經校準的加速度率 (Bohlen et al., 2009)。

重點摘要

• Rotarod 測試被廣泛用於測試運動表現
• 此測試評估動物留在以加速旋轉的桿上的能力
• 腦損傷或神經退化性疾病模型的動物從旋轉桿掉落的速度更快且在較低的速度下掉落
• 此測試已被改編用於評估運動技能學習並作為一項運動技能訓練任務
• Rotarod 測試也已被用於研究藥物對運動表現的影響和副作用

參考文獻

Cartmell SM, Gelgor L, Mitchell D. A revised rotarod procedure for measuring the effect of antinociceptive drugs on motor function in the rat. J Pharmacol Methods, 26(2):149-59 (1991).

Crawley JN. Behavioral phenotyping of transgenic and knockout mice: experimental design and evaluation of general health, sensory functions, motor abilities, and specific behavioral tests. Brain Res, 835(1):18-26 (1999).

Curzon P, Zhang M, Radek RJ, Fox GB. The Behavioral Assessment of Sensorimotor Processes in the Mouse: Acoustic Startle, Sensory Gating, Locomotor Activity, Rotarod, and Beam Walking. In: Buccafusco JJ, editor. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. 2nd edition. Chapter 8. Boca Raton (FL): CRC Press/Taylor & Francis (2009).

Deacon RM. Measuring motor coordination in mice. J Vis Exp, (75):e2609 (2013).

Dunham NW, Miya, TS. A note on a simple apparatus for detecting neurological deficit in rats and mice. J Am Pharm Assoc Am Pharm Assoc. 1957 Mar;46(3):208-9. doi: 10.1002/jps.3030460322. PMID: 13502156.

Jones BJ, Roberts DJ. The quantiative measurement of motor inco-ordination in naive mice using an acelerating rotarod. J Pharm Pharmacol, 20(4):302-4 (1968).

Hamm RJ, Pike BR, O’Dell DM, Lyeth BG, Jenkins LW. The rotarod test: an evaluation of its effectiveness in assessing motor deficits following traumatic brain injury. J Neurotrauma, 11(2):187-96 (1994).

Kirschbaum KM, Hiemke C, Schmitt U. Rotarod impairment: catalepsy-like screening test for antipsychotic side effects. Int J Neurosci, 119(10):1509-22 (2009).

Scholz J, Niibori Y, Frankland PW, Lerch JP. Rotarod training in mice is associated with changes in brain structure observable with multimodal MRI. Neuroimage, 107:182-9  (2015).

Shiotsuki H, Yoshimi K, Shimo Y, Funayama M, Takamatsu Y, Ikeda K, Takahashi R, Kitazawa S, Hattori N. A rotarod test for evaluation of motor skill learning. J Neurosci Methods, 189(2):180-5 (2010).

Bohlen M, Cameron A, Metten P, Crabbe JC, Wahlsten D. Calibration of rotational acceleration for the rotarod test of rodent motor coordination. J Neurosci Methods, 178(1):10-4 (2009).