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Elevated Plus Maze 高架十字迷宮簡介

JUN 16 ,2021

高架十字迷宮 (Elevated Plus Maze, EPM) 是一種在神經科學領域中被廣泛用於焦慮與其相關症狀研究的行為實驗,此種實驗充分利用了囓齒動物不喜歡開闊地並盡可能的去追求遮蔽的天性。高駕十字迷宮為一個擁有四種選擇的迷宮,其中兩個方向為開闊且無圍牆保護的空間 (Open Arms),而另外兩個為封閉空間 (Close Arms),動物在天性驅使之下會去追求遮蔽,因此會在擁有遮蔽的封閉臂待上較久的時間,利用老鼠害怕開闊地的天性進而觀察其焦慮或恐懼所造成的行為,此類型實驗模式的雛型是由 K. C. Montgomery  1955 年所創立的,他使用了改裝過的Y字迷宮(Y-Maze) ,與現今的Y字迷宮不同的是他所使用的迷宮分別擁有一個開闊臂與封閉臂,動物馬上就會對這兩臂有著直接的喜好與厭惡而無需特定誘因 。基於這樣的結果, Handley and Mithani (Handley & Mithani 1984) 1984年研發出了高架十字迷宮,自此高架十字迷宮即成為了研究焦慮成因以及研發抗焦慮藥的利器。

高架十字迷宮近期發展

Akyazi 以及其研究團隊 發現了動物的壓力會在其室友間進行傳播,只要將壓力很大的動物與正常動物放在同一個飼養籠中一起生活,原本正常的動物也會感受到壓力。這些被受影響的老鼠在進行高架十字迷宮時,會花上比對照組 (無壓力且沒有惱人室友的老鼠) 更多的時間來探索高架十字迷宮的開闊臂區域 。學者們因此有了個推論:惱人室友可能是透過某種方式逐漸抑制正常室友的皮質醇 (Cortisol, 與短期記憶與害怕反應有關) 濃度,使得正常老鼠較難感到害怕,因此才產生了違背天性嘗試探索危險區域的行為。Colnaghi 以及其研究團隊 則提出了社交行為 (不管是提供群居環境還是獨居使其缺乏社交) 可能與動物的害怕/厭惡經驗生成有著微妙的關係;群居的小鼠在進行高架十字迷宮時,與獨居個體相比也出現了花更多時間探索開闊臂的行為,目前可以確定的是社交確實會影響動物面對天生害怕或厭惡的事物 (例如十字迷宮的開闊臂,但此種影響是好是壞則需要更進一步的研究與討論。大麻二酚 (Cannabidiol) 目前已經有研究指出具有治療焦慮、憂鬱等精神相關疾病的潛力; Mahmud 以及其研究團隊 試著將大麻二酚用在大鼠上,並觀察其在高架十字迷宮的表現,結果顯示在給予藥物後大鼠會花較多的時間待在開闊臂上,然而,這並不會影響動物進出各臂的次數 (顯示出動物並非焦慮且漫無目的的到處找地方躲) 上述結果顯示,在控制得當的情況下大麻二酚有很顯著的抗焦慮作用。

 

 

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高架十字迷宮累積參考文獻數量

(截至2018年初)


高架十字迷宮硬體設備介紹 

標準的高架十字迷宮擁有一個小型的中間出發區域,此區域有4條向四方延伸的開闊/封閉臂,四條臂長約30-50公分且寬約為5-10公分,彼此間保持90度夾角,實際的大小由您要使用的實驗動物種類而定 (大鼠、小鼠甚至是小型靈長目) 。開闊臂與封閉臂採交叉間隔,封閉臂通常擁有高達40公分但無天花板的牆面,牆面可以是透明或是霧面 ,至於開闊臂的末端建議可以加裝一塊擋板,防止動物在開闊臂探索時掉落。迷宮的顏色應該與實驗動物的顏色形成對比以利觀察或分析 (例如白鼠配深色迷宮)。整組迷宮需離地至少50公分,防止動物從開闊臂逃離。

由於封閉臂的牆面可能會產生陰影,而陰影可能會影響動物本身的視野或行為,因此在架設高架十字迷宮時需特別考量燈光的位置,將燈源架設在迷宮的正上方會是個好選擇。使用軌跡追蹤系統 (例如 Noldus Ethovision XT) 並架設攝影機時,也需要考量到攝影機是否能將整個迷宮映入畫面中且無陰影干擾 。每隻動物進行新的實驗前,務必徹底清理迷宮本體,避免上一個受測對象在現場留下了氣味等與實驗不相關的線索。

 

實驗流程說明

高架十字迷宮用來評估焦慮以及焦慮症狀。實驗鼠 (不管是大鼠還是小鼠) 天生都偏好封閉環境,待在封閉環境會帶給牠們舒適與安全感,因此正常個體在進行高架十字迷宮時都會主動避免開闊臂,即使是在探索階段動物也會避免暴露在開闊臂的環境之下過久。動物在接受了抗焦慮藥物後會產生焦慮行為減少的現象並且增加探索危險區域的頻率,另一方面,動物若接受的是促進焦慮現象的藥物,則會大大增加待在封閉臂的時間 (即使是與正常的老鼠相比。計算動物花在兩種臂的時間比即為我們探討動物焦慮症狀嚴重與否的重點所在。 

與許多需要適應甚至重覆訓練的迷宮不同,動物進行高架十字迷宮之前無需進行任何的適應或訓練,我們要得到的正好是動物在不熟悉環境下本能產生的反應,不過在進行每次實驗之前,迷宮都需要被徹底清潔並消除氣味,避免不相關的線索干擾實驗結果。

 

利用高架十字迷宮判斷動物焦慮程度

為了獲得準確的結果,我們必須要讓動物在很自然且自在的情況下進到迷宮內。動物在移動至行為房時需單獨移動,避免室友給予牠額外的壓力 。在將動物放上迷宮中心時,請讓動物的頭面向離您較遠的那個開闊臂,您亦需確保每一隻動物在實驗開始時皆面向同一個方向。

當動物放上迷宮中心時即算開始實驗 。實驗進行期間動物被允許自由探索迷宮的任何一個角落,您需要至少讓動物探索5分鐘,期間需由置頂式攝影機由上往下全程錄影。主要採集的數據是動物進出各臂的次數以及在各臂所待的時間長短,要特別注意的是進出某臂的判定需嚴謹,務必要動物四肢或頭尾皆進入該臂才能算數,若可以的話也請將動物的異常行為記錄下來 (例如Freezing) 。當實驗時間結束,請您中斷錄影並將動物移出迷宮並送回飼育室 (Komada , 2008).

 

改進型迷宮設置

在很久以前,高架十字迷宮的實驗流程是涵蓋訓練階段的,但是經過多次的驗證,訓練階段會讓動物熟悉環境,大大降低實驗階段探索的頻率,動物很有可能在實驗一開始就躲在牠熟悉的角落休息,因此在最新的實驗流程中,進行高架十字迷宮實驗是不需要訓練的。 (Walf & Frye, 2007Campos ,. 2013)

高架十字迷宮因其單純的設計,擁有很多改進或客製的空間,學者們很容易依照自己的實際需求調整迷宮結構:例如在十字迷宮各臂入口處加裝自動感應門,動物通過後即將門關上。另一種範例改裝方式為將兩個相同的臂置於鄰近處 (原本的高架十字迷宮相同兩臂位於對立處) ,在進行完一般的十字迷宮實驗後接著進行此種兩臂交換過的十字迷宮實驗,這種實驗可以用來探討厭惡記憶與厭惡行為的相對關係  (Leão, 2016)。動物喜歡的封閉臂亦可加入其厭惡的元素,例如加入強光、高頻音等,讓迷宮搖身一變成為衝突測試平台 (Silva , 1997)

高架O字迷宮 (Elevated Zero Maze) 的概念與高架十字迷宮相似,不過並沒有中央區域與四個方位的設計,取而代之的是一個循環的O型走道,其中分為了2種不同的片段 (開闊區與封閉區) 此種迷宮消除了方位與臂的選擇,使得學者們更能專注在探討動物對開闊閉的喜好或厭惡。

非對稱高架十字迷宮 (Elevated Asymmetric Plus Maze) 最早在1997年被Ruarte 與其團隊所提出, 這個迷宮原先設計用來研究組胺酸 (Histamine) 對於海馬迴管控動物探索動機伴演了什麼樣的角色,非對稱高架十字迷宮的設計有可能造成動物產生衝突探索,學者們正好可以利用這樣的特性來進行由恐懼所促使的衝突探索是如何誘發與建立的。

 

數據分析

標準版的高架十字迷宮的數據收集非常直接了當,原則上就是收集動物進出開闊臂/封閉臂的次數與停留時間累計。除了以上數據,您還可以收集動物第一次進出某臂的時間,動物爬臂或理毛的相關行為數據,這些數據有時也會被用作動物焦慮程度的一個指標。

以上數據都很適合使用圖表呈現,圖表可以幫助我們很直觀的看出每個實驗個體之間的不同,也易於比較實驗組和對照組的行為差異。拜高架十字迷宮對動物或是對操作者皆容易進行的特性所賜,實驗組與對照組每組約20隻動物即可產出P值小於0.05的優質數據 (ANOVA) 

 

長處與限制

高架十字迷宮因其操作容易且易於再現的特性,已在焦慮與相關治療方式研究這些領域被使用了多年,累積的參考文獻種類與數量非常的可觀。例如 Silveira 與其團隊 利用高架十字迷宮研究大麻素 (cannabinoids) 對於動物進行抉擇是否會造成影響,且大麻素是否會直接影響動物部分特定腦區的訊息傳遞,進而造成認知抑制等精神相關問題。

 

除了藥物,飲食與運動也是已知會影響焦慮症狀的因素之一: Ebenezer 與其團隊 在擁有創傷症後群的大鼠的日常飲食中加入了藍莓,增添飲食多樣化,結果動物們在高架十字迷宮中表現出了試著探索開闊臂的行為,說明飲食多樣化 (或至少藍莓) 對於焦慮或創傷症候群有著正面的影響。無獨有偶,Vitor-de-Lima 與其團隊 使用了味精來改變動物的飲食,且動物在高架十字迷宮的表現也有所改變。

 

總而言之,高架十字迷宮非常適合被用來作為認知、記憶以及焦慮相關研究的工具,且沒有行為/迷宮實驗所擁有的常見缺點 (難以訓練,動物需適應等)。搭配軌跡追蹤系統即為一個易於操作且容易再現的優良實驗模式。不過要特別注意,某些品系的動物天生就容易焦慮,較不適合進行高架十字迷宮實驗,在設計實驗時需多注意這個問題。

 

重點提示

  • 高架十字迷宮最常被用來進行焦慮相關研究
  • 高架十字迷宮擁有對稱的開闊臂跟封閉臂,彼此以90度夾角
  • 主要記錄動物對於開闊臂與封閉臂的偏好相關數據
  • 較不焦慮 (或是施以抗焦慮藥物) 的動物會進行較多次的開闊臂探索,且較不易產生焦慮行為
  • 有焦慮症狀 (或是施以焦慮促進藥物) 的動物會減少探索開闊臂的次數與頻率,且易產生焦慮行為並偏好待在封閉臂
  • 高架十字迷宮很適合使用者改裝並加入想研究的元素
  • 不同品系的動物對高架十字迷宮會有不同的反應,設計實驗時需特別注意

 

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