Rotarod實驗鼠滾輪操作儀的簡介

Rotarod（滾輪測試儀) 是用於評估囓齒類動物運動表現相當廣泛使用的性能與行為任務。運動表現可視為神經功能缺損的指標（Hamm 等人，1994）。Rotarod 測驗的原理在於許多神經系統疾病皆可能影響功能性運動參數，例如平衡感、運動協調性或運動學習能力（Crawley，1999），進而直接影響動物維持在轉棒上的能力。Rotarod 測驗主要測量動物在加速旋轉的轉棒上持續行走的時間，藉此評估疾病模型或介入措施所誘發的運動功能缺損。例如，運動功能缺損是創傷性腦損傷的常見後果，因此 Rotarod 常用作損傷誘發運動缺損的指標（Curzon 等人，2009）。

旋轉棒會產生強制性的運動活性，這能夠測出自由行走或靜止不動的動物身上無法察覺的運動功能異常。Rotarod 也可用於篩檢藥物對運動功能的影響或副作用（Cartmell 等人，1991；Kirschbaum 等人，2009）。

測試裝置包含一個固定直徑的旋轉棒，其轉速會在預設的時間內逐漸增加。隨著速度加快，小鼠必須走得更快以維持在轉棒上的位置。記錄動物從旋轉棒上掉落的潛伏時間（latency）或掉落時的速度，即可作為運動表現的衡量基準。

Rotarod 測驗最初由 Dunham 與 Miya 於 1957 年開發，當時被稱為「rolling roller」，用於測量藥物對囓齒類動物運動協調性的影響（Dunham 和 Miya，1957）。自那時起，該測驗出現了多種版本。最初的版本使用固定的轉速；而 Jones 與 Roberts（1968）則透過在動物行走時逐漸增加轉棒的旋轉速度，提升了此任務的敏感度。

Rotarod 測驗已被廣泛應用於研究多種疾病模型，包括巴金森氏症、亨丁頓舞蹈症或創傷性腦損傷，以及基因剔除和小鼠轉殖基因的研究。

設備基本介紹

Rotarod 測試裝置包含一支連接至步進馬達的中央驅動棒。轉棒設有一定的高度，以防止動物輕易跳下。棒體表面設有防滑設計，並帶有一系列平行縱向的溝紋，方便囓齒類動物抓握。轉棒的長度與直徑則取決於所測試的囓齒類動物物種。轉棒被塑膠隔板劃分為數個隔間，可同時測試相應數量的動物。裝置底部配有軟墊表面，以緩衝動物掉落時的衝擊。

馬達連接至速度控制盒。轉棒的旋轉速度可以設定為固定轉速，也可以根據測試目的以預設的速率進行加速。

裝置內建計時器，當馬達啟動時會自動開始計時；當動物掉落至裝置底部並打斷紅外線感應時，計時器即會自動停止。

訓練步驟

Rotarod 測驗的目的是透過評估囓齒類動物維持在旋轉棒上的能力，來比較對照組與疾病模型/介入處置組之間的運動表現。

通常，當囓齒類動物被放置在 Rotarod 上時，由於轉棒設定的高度，動物傾向於留在棒子上。當轉棒以固定速度或加速旋轉時，動物會被迫行走以保持留在轉棒上。

Rotarod 的實驗流程有多種版本，主要差異在於旋轉速度、加速度以及測試時間。

Rotarod 預先訓練（Pre-training）

應讓動物預先適應測試設備，以盡可能減少焦慮與探索行為，避免動物因此不小心從轉棒上掉落。

在實驗開始前的一週內，每天應進行一次 30 分鐘訓練。訓練期間，將動物放置於旋轉棒上；若動物從轉棒上掉落，必須立刻將其重新放回轉棒上。

使用 Rotarod 評估運動功能

測試受傷動物時，手術後請至少等待 24 小時，以確保動物已完全從麻醉藥物的影響中恢復。

開始測試前，先將每隻動物放置於慢速固定轉速（例如 4 rpm）的 Rotarod 上訓練 5 分鐘。進行第一次正式測試前，請間隔 1 小時。

將裝置設定為預定的加速模式（例如：初始速度 4 rpm，加速度 20 rpm/min，最高轉速達 40 rpm；Deacon，2013）。

將動物放在轉棒上，使其朝向旋轉方向的相反側，這樣動物必須向前行走才能留在轉棒上；隨後啟動馬達與計時器。當動物從轉棒上掉落時，該次測試即結束。當動物掉落時，記錄計時器顯示的掉落潛伏時間（latency to fall）以及掉落時的旋轉速度。重複此步驟兩次。

由這三次測試所測得的平均潛伏時間或平均旋轉速度即為最終結果。兩者皆可作為運動功能的衡量基準，並用於隨後的數據分析。

每隻動物測試完畢後，請清潔並消毒設備。

改進版本的Rotarod

在 Dunham 和 Miya（Dunham 和 Miya，1957）最初描述的 Rotarod 測驗版本中，小鼠是在以固定速度旋轉的轉棒上行走。最顯著的改進是由 Jones 和 Roberts 於 1968 年提出，他們在動物行走時加入轉棒旋轉速度的漸進式加速，從而提升了該任務在評估運動協調性方面的敏感度。

轉棒本身也進行了改進。利用一系列不鏽鋼條包覆轉棒核心，需要動物在行走時抓握鋼條。由於腦損傷後握力可能會下降，這種改進可以提高該測驗對創傷性腦損傷動物模型的敏感度（Hamm 等人，1994）。

Rotarod 也被改裝用於測試運動技能學習（motor skill learning）。在這種情況下，轉棒具有較硬的表面，對於未經訓練（naive）的小鼠來說較難維持在上面；但使用較寬的轉棒與固定的低速，能給予小鼠學習如何在該表面行走的空間——隨著每次訓練，小鼠能在 Rotarod 上停留更長時間。記錄連續幾天內的掉落潛伏時間，即可繪製出運動技能學習曲線（Shiotsuki 等人，2010）。

Rotarod 還被用作運動技能訓練任務，以評估大腦的結構塑性（structural plasticity）（Scholz 等人，2015）。

某些版本的測試裝置底部還配有電擊網，當動物從轉棒上掉落時會施加微弱的電流刺激，作為一種條件刺激以防止動物主動跳下轉棒。

數據呈現

Rotarod 測驗所獲得的數據，通常透過繪製動物維持在轉棒上的時間，或動物掉落時的速度圖表來呈現視覺化。這兩項指標皆能輕鬆繪製成圖，並在對照組與疾病模型組或介入處置組之間進行比較。下方的範例圖表顯示了創傷性腦損傷對動物留在旋轉棒上的時間，或動物能維持在轉棒上的最高速度所產生的影響。

使用類似這樣的圖表來比較動物在 Rotarod 上停留的時間或掉落時的速度，能夠非常直觀地呈現其對運動表現的影響。遭受創傷性腦損傷的動物，在轉棒上停留的時間應該會較短，且會在較低的轉速下掉落。

優點與限制

Rotarod 測驗相較於其他運動表現測驗（例如衡木平衡或衡木行走測驗），能夠在更輕微的損傷程度下檢測出損傷誘發的運動功能障礙（Hamm 等人，1994）。

Rotarod 測驗是一種敏感度高的方法，可用於評估藥理學介入措施的效果（Cartmell 等人，1991）。

由於其敏感度高於其他測驗，Rotarod 測驗在檢測疾病模型或介入措施所誘發的運動障礙時，可能需要較少的動物數量。

幼年與高齡動物在此任務中的表現可能會較差（Curzon 等人，2009）。

囓齒類動物從加速 Rotarod 掉落的潛伏時間在不同實驗室之間可能存在顯著差異。這些差異源於例如使用不同的轉棒直徑與表面材質、不同的實驗流程，或是未經校正的加速度（Bohlen 等人，2009）。

總結

• Rotarod 測驗被廣泛用於測試運動表現

• 此測驗旨在評估動物維持在加速旋轉棒上的能力

• 在腦損傷或神經退化性疾病模型中的動物，從旋轉棒掉落的速度更快，且掉落時的轉速較低

• 此測驗已被改編用於評估運動技能學習，並作為運動技能訓練任務

• Rotarod 測驗也被用於研究藥物對運動表現的療效與副作用

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).