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Morris water maze 水迷宮實驗簡介

JUL 01 ,2020

Morris Water Maze 水迷宮實驗:研究空間記憶的有效方式

 

Morris Water Maze水迷宮實驗是對一種研究囓齒類實驗動物空間記憶 (Spatial Memory) 生成的解決辦法,此實驗的原則為將動物放在一個固定大小的圓型水池內,水池中包含了一個位於水面上或是水面下,體積小但足以讓動物站上喘息的逃生平台,以及位於水池周圍的作為方位線索的提示或標記。老鼠天性不喜歡水,初次下水後會急著逃離這片全都是水的危險區域,需要透過身體力行的方式在水池內各個角落探索,直到接觸到逃生平台為止。經過數日的訓練,老鼠下水後會透過辨認週遭提示使用更短的路徑前往逃生平台,我們甚至可將平台沒入水中使之無法被老鼠看見,這種辨認提示推測逃生平台的方式需要使用到海馬迴 (Hippocampus) 生成的空間參考記憶 (Spatial Reference Memory) ,因此水迷宮非常適合用來進行某些藥物或神經退化性疾病的相關研究。

Morris Water Maze水迷宮於1980年代初由蘇格蘭聖安德魯斯大學的Richard Morris首次使用。 從那時起,它已經成為行為神經科學中使用最廣泛的工具之一,因為此實驗易於操作和訓練,且具有多種變體,能夠透過稍微修改實驗步驟或方式以測試大腦各個功能區域的能力。 自這些最初的論文發表以來直到今日已累積了數千篇相關的參考文獻,迷宮被用於研究各種疾病模型,包括內分泌異常,中風,阿茲海默症,其他神經退化性疾病及其對學習和記憶的影響(Brandeis et al. 1989)。

 

Morris Water Maze 範例實驗步驟 (標準版)

預訓練階段

將水池注滿乾淨清澈的水,逃生平台略高於水面1公分。並在水池內牆和水池周圍設置視覺提示(如果有)。將受測動物帶入房間,並讓其至少15分鐘以適應該測試區域。

每隻動物每天皆要進行3次試驗。首先,將對象放置在水池中的平台上20秒鐘,以使其熟悉水池中逃生平台的存在。該池實際上分為四個象限,四個象限具有四個起點:東、西、南、北。操作者可從這些開始位置中選一個開始,將動物以面向牆壁的方式輕輕地將它降至水池中。最初,動物可能會在水池邊緣游動試圖爬牆,但最終仍會放棄由牆邊爬出,轉而搜索之前站過的逃生平台。操作者需給動物60秒以找到逃生平台。如果動物在設定時間內未能找到平台,則由操作者將其輕輕地引導向平台。

重複進行2或3次試驗,試驗間隔為5分鐘,每次試驗的起始位置都不同。在完成所有試驗後,將動物從水池中取出,儘可能的擦乾並放在加熱燈下,然後將其放回飼育籠內。

 

實驗階段

逃生平台仍需放置在與預訓練相同的位置,像之前一樣將水池注水,但水面需高於逃生平台1-2公分,並需使用牛奶、起雲劑或無毒顏料將水著色。在實驗階段, 每隻動物皆需進行12次試驗,每3次試驗更換一次起點。

如同預訓練階段,操作者挑選一個起始位置開始,將動物以面向牆壁的方式輕輕地將它降至水池中,並給予其60秒鐘找到隱藏的逃生平台。 在動物找到平台後,讓它停留10秒鐘。 若動物無法找到逃生平台,則將其輕輕地引導至平台。 在繼續進行下一個階段之前,對每隻動物重複進行試驗,直到完成所有12次試驗。

 

空間探測試驗 (Probe Test)

在實驗階段完成之後進行空間探測試驗,以確保動物真的知道隱藏平台的位置。此試驗所需的水池條件如同實驗階段,但要將逃生平台移除,使之無法逃生。 空間探測試驗可用於證明動物確實了解平台位置所在,操作者可以透過動物進入逃生平台所在象限最短時間與停留時間比例來證明。 每次試驗需至少持續30秒。

將動物以面向牆壁的方式輕輕地將它降至水池中,並記錄其穿過平台位置的時間以及各個象限的停留時間/比例。 試驗完成後,將動物取出,擦乾並放回其飼育籠中。

 

工作記憶測試

此試驗(也稱為逆轉試驗 reversal test)通常在實驗階段之後進行,以確保動物可以透過空間工作記憶 (Spatial working memory)得知隱藏逃生平台的位置。 實驗流程類似實驗階段,將動物以面向牆壁的方式輕輕地將它降至水池中。 給予其至少30秒探索逃生平台。 當動物找到平台時,可以讓其停留在平台上10秒鐘,然後將其從水池中取出讓動物於飼育籠休息一段固定間隔的時間。 間隔之後,更改平台的位置,並再次從同一起始位置釋放動物。 記錄動物重新找到平台所花費的時間。 此試驗需每天進行至少2次,並重複此試驗至少4天。

 

數據獲取分析

在水迷宮實驗中,主要記錄的數據為動物找到平台所需時間以及在平台所在象限中停留的時間/時間比例。借助功能強大的軌跡追蹤軟體,操作者可以進一步的繪製出動物所經過的路徑,甚至可以獲得動物的速度。

經過反覆試驗,動物找到平台的所需時間減少了。我們可以很容易地繪製所需時間的圖形,並在假對照組 (Sham) 和疾病模型之間進行比較。使用圖表比較不同疾病或治療組之間的所需時間,可以輕鬆直觀地觀察對空間記憶和學習的影響。對照組中的動物在迅速了解逃生平台的位置時,應表現出抵達平台所需時間顯著減少。例如,作為神經退化性疾​​病的疾病模型動物,即使經過多次試驗,也應顯示出慢得多的學習曲線和更長的逃生所需時間。

 

使用實驗動物軌跡追蹤軟體,可得到無法透過肉眼人工觀察得到的實驗數據,例如動物實際的移動距離

使用實驗動物軌跡追蹤軟體,亦可輕易的得到圖型化的數據(例如軌跡或是停留位置偏好),讓您更容易呈現實驗結果

 

參考文獻

Brandeis, R., Brandys, Y., & Yehuda, S. (1989) The use of the Morris Water Maze in the study of memory and learning. Int. J. Neurosci. 48: 29-69

Buresová O, et. al. (1985) On-demand platform improves accuracy of the Morris water maze procedure. J Neurosci Methods. 15: 63-72.

D’Hooge R. & De Deyn P.P. (2001) Applications of the Morris Water Maze in the study of learning and memory. Brain. Res. Reviews. 36: 60-90.

Morris, R.G.M. (1984) Development of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. J. Neurosci. Methods. 11: 47-60.

Nunez, J. (2008) Morris Water Maze experiment. JoVE 19: 897

Vorhees CV, Williams MT. (2006) Morris water maze: procedures for assessing spatial and related forms of learning and memory. Nat. Protoc. 1: 848-858.