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Toru实验室揭示出有色Long-Evans大鼠比白化的Wistar大鼠拥有更好的视觉能力

[发布人]:史佳鑫[发布日期]:2022-08-18[访问次数]:822

在自然界中,关于白化这一现象有过很多研究。尤其是白化的品系中,视力的缺陷较为明显。在人类的白化病患者中,他们会伴随着先天的视觉系统的发育缺陷,例如中心凹发育不全,虹膜透明,眼球震颤和视交叉的不正常发育。现在大部分实验室的实验对象也都是白化的大鼠居多,并且会有研究对白化大鼠的视觉系统进行探究。通过研究发现,这些白化动物的视觉精确度较差,不仅仅是因为虹膜缺乏色素细胞,还因为从视网膜到皮层的投射发生错误的交叉。本实验室之前的研究揭示了初级视皮层中有色Long-Evans大鼠存在眼优势柱结构,而白化的Wistar大鼠不存在。

常用的行为学测试并不仅依赖于动物的视觉感官,还会依赖触觉,嗅觉等与大脑其他区域相关的感官,而且还有记忆的参与。因此本研究采用只依赖视觉的测试进行实验。本研究选择Slow angled-descent forepaw graspingSLAG)测试。如图1所示,此测试是一种基于动物本能反应的实验,无需大量训练,而且只应用到视觉这一种感官。

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1 SLAG实验检测范式

a)将每一只动物从设备的顶端开始,当它躯体与地面几乎垂直后开始缓慢向下移动,红色的虚线代表移动的方向,蓝色的虚线标记出大鼠的视野范围;(b)当大鼠开始抓杆反应的时刻,对大鼠胡须与金属杆之间的距离进行测量,如图中黄色的双向箭头所示。


本研究通过积分的方式量化成功率,将成功的试次记为1分,失败则为0分。每一个动物都会有各自的成功率,将所有试次的分数进行平均,平均分在0-1之间。之后分别计算Long-Evans大鼠和Wistar大鼠两种品系之间的成功率。如图2a)所示,计算后得到的Long-Evans大鼠的成功率为0.85S.E.M=0.047n=10),Wistar大鼠的成功率为0.29S.E.M=0.043n=10)。Wistar大鼠的平均分明显低于Long-Evans大鼠(P< 0.0001, unpaired Student’s t-test) (Fig. 2a)

在每一个动物结束五次测试试次后,将金属杆移走,对动物进行相同的测试。这样做可以验证动物是否时在真正看到金属杆后才进行抓杆行为,而不是由于记忆或随机动作。将金属杆移走后,会对动物进行相同的测试。利用与前文相似的量化方法,如果动物在没有金属杆的情况下,在四秒之内仍然会快速移动爪子,记为1分,相反,如果四秒内没有任何反应,则记为0分。计算的结果如图2b)所示,Long-Evans大鼠分数为0.1S.E.M=0.067n=10),而Wistar大鼠的分数为0.25S.E.M=0.110n=10),非配对t检验ρ=0.26。测量大鼠做出抓杆反应时与金属杆之间的距离,可以对比出两种品系之间的深度视觉差异。本研究只对比成功的试次,如图1b)所示,通过图像测量,记录下当大鼠反应时,鼻子与杆之间的距离,再减去胡子的长度,得到胡子与金属杆之间的距离。计算结果如图2c)所示,Long-Evans大鼠胡子距离金属杆的平均距离是117±5.3 mmn=85),而Wistar大鼠的平均距离是58.8±4.6 mmn=34)。Long-Evans大鼠距离金属杆最近的距离是40 mm,最远的距离是250 mmWistar大鼠距离金属杆最近的距离是20 mm,最远的距离是120 mm。可见Wistar大鼠在距离金属杆较近的距离才会反应(ρ<0.0001,非配对t检验)。因此可以得出,Long-Evans大鼠比Wistar大鼠功能性视觉更好。

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2 SLAG量化分析结果

a)在有金属杆的实验中,两种品系的大鼠的抓杆成功率;(b)移走金属杆后,两种品系大鼠的抓杆反应得分;(c)在成功试次中,动物在开始有抓杆反应的时刻,胡子与金属杆之间的距离。盒子代表从25%75%的大鼠中距离的大小,中间的实线代表50%的大鼠距离金属杆的位置,加号代表平均值。非配对t检测显示出Long-EvansWistar之间有明显差异。(**** ρ<0.0001,晶须代表mean±SEM)。 


为进一步检测两种品系之间关于深度视觉之间的差异,本研究对比当动物接近金属杆时是鼻子先碰到的杆,还是爪子先抓住的杆。如图3a)所示,Long-Evans大鼠在确定好与金属杆之间的距离后,会伸长前爪并抬起头,尽力去抓杆,最后用爪子抓住了金属杆。而当动物无法判断自身与金属杆之间的距离时,动物虽然偶尔会尝试逃脱,但最后还是会由于视力的影响,只能靠鼻子先碰到金属杆,之后再去抓杆。如图3b)所示,Wistar大鼠在靠近金属杆的时候,在鼻子接触到金属杆之后才下意识地抓杆。这说明Wistar大鼠并没有意识到自身与金属杆之间的距离,也可能因为Wsitar大鼠更依赖触觉信息的输入。通过分析所有100次测试实验,得到的数据结果如图3c)所示,83.7%Long-Evans大鼠首先与金属杆接触的是前爪,而只有40.6%Wistar大鼠用前爪与金属杆先接触。可能在失败的测试试次中,大鼠并没有注意到金属杆,于是删除失败的试次后进行新的分析,并得到如图3d)所示的结果。在83个成功的试次中,86.3%Long-Evans大鼠最先与金属杆接触的部位是前爪,而在37个成功的试次中,45.9%Wistar大鼠首先用前爪与金属杆接触。可以发现Long-Evans大鼠用前爪抓杆的比率有所增加。所有结果可以说明,与没有眼优势柱的Wistar大鼠相比,有眼优势柱的Long-Evans大鼠的功能性视觉较好,并且有判断深度的能力。

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动物靠近金属杆时的抓杆方式

a)举例说明Long-Evans大鼠在靠近金属杆时用前爪抓住了金属杆,而不是鼻子等其他面部部位。红色的虚线显示出它的脸在前爪的后方;(b)举例说明Wistar大鼠最先与金属杆接触的部位是鼻子,而不是前爪先抓住的金属杆。红色箭头指示出它的鼻子的位置比前爪先接触金属杆;(c)动物分别用前爪和鼻子最先接触金属杆的比率。粉色是鼻子先碰到金属杆,蓝色是前爪先碰到金属杆。左图计算了所有的试次,右图只对成功的试次进行了计算。可见大部分Long-Evans大鼠都是前爪先碰到的杆。


本研究首次利用SLAG测试对比出白化大鼠比有色大鼠的视觉能力弱。SLAG测试只依赖视觉感官,并基于动物的本能反应,无需长时间的训练。而且SLAG实验设备简易经济性高,无需高价设计或制备,而且并不影响实验的结果,可以高效的区分出不同品系之间动物的视觉能力差异。今后利用SLAG测试可以将解剖学结构和认知功能结合起来,从白化或视力缺陷的动物入手,检测疾病动物与正常动物之间的区别,进而可以找到疾病的治疗方法。


本文链接:Li S, Li H, Takahata T. Pigmented Long-Evans rats demonstrate better visual ability than albino Wistar rats in slow angles-descent forepaw grasping test. Neuroreport. 2022 Jul 5. doi: 10.1097/WNR.0000000000001815. Epub ahead of print. PMID: 35882010.

URLhttps://journals.lww.com/neuroreport/Fulltext/2022/08020/Pigmented_Long_Evans_rats_demonstrate_better.7.aspx


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