水迷宫实验在学习记忆相关疾病和药物研究中的应用及其影响因素.pdf

DOI：10.19893/ki.ydyxb.2024-0003第 22 卷第 1 期2024 年 3 月延安大学学报（医学科学版）Journal of Yanan University(Medical Science Edition)Vol.22 No.1Mar.2024水迷宫实验在学习记忆相关疾病和药物研究中的应用及其影响因素符兆英，姜艳娜，高成，张喆，吴帅（延安大学医学院，陕西 延安 716000）摘要：Morris水迷宫实验是研究与评价啮齿类动物学习与记忆能力的经典方法，目前被广泛地应用于心理和神经系统退行性疾病及相关药物的研究中。随着人类寿命的延长和社会老龄化问题的日益凸显，学习记忆类研究将会受到更多关注。本文就水迷宫实验在学习记忆相关疾病研究和新药研发方面的啮齿类动物模型中的应用进展以及动物年龄、性别和种属对水迷宫实验的影响作一综述，以期为相关研究提供参考。关键词：水迷宫实验；学习记忆；抑郁症；阿尔茨海默病；帕金森病；啮齿类动物中图分类号：R33 文献标识码：A 文章编号：1672-2639（2024）01-0084-05国际上已有数种水迷宫方法被建立，经典的和最广泛应用的是由英国心理学家Richard Morris于 20 世纪 80 年代初设计的水迷宫实验1，称为Morris水迷宫（Morris water maze）。在文献中，若上下文没有特别说明，水迷宫一词指的就是Morris水迷宫。Morris 水迷宫实验主要用于测试啮齿类动物对空间位置和方向的学习与记忆能力、工作记忆以及非空间辨别学习能力。近年来随着社会生存压力的不断增加以及人口老龄化问题的日益凸显，心理性疾病及神经系统退行性疾病的发病率明显上升，受到研究者们的广泛关注。水迷宫作为一种较为客观的研究与评价啮齿类学习与记忆功能的实验，在抑郁、焦虑等心理性疾病和阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的研究上被广泛应用2-3。水迷宫实验在神经系统新药开发、筛选和评价以及疾病模型评价4-5等方面也有广泛的应用。现就水迷宫实验在阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等病症的研究和神经系统新药研发方面的一些进展以及实验动物年龄和性别对水迷宫实验的影响作一综述，以期为相关方面的实验研究提供借鉴。1水迷宫实验在小鼠学习记忆相关疾病和药物研究方面的应用1.1在学习记忆相关疾病治疗研究中的应用1.1.1阿尔茨海默病治疗研究阿尔茨海默病（Alzheimers disease，AD），俗称老年痴呆症，属于痴呆（dementia）的一种，于 1906 年由德国医生 Alzheimer发现并命名6。阿尔茨海默病的发病机制复杂，确切原因和发病机制还没有完全明了。目前有两种比较公认的学说：-淀粉样蛋白沉积和tau蛋白过度磷酸化，其主要病理学特征分别是淀粉样斑块的产生和神经纤维缠结的形成，二者均可以互相促进另一种物质的出现，导致阿尔茨海默病的发生和进展7。阿尔茨海默病的主要症状为学习记忆能力障碍和执行能力障碍。大麻二酚（cannabidiol）是从大麻秆及新鲜大麻叶分离出的一种大麻素，具有抗癫痫、抗痉挛、抗焦虑和抗炎等功效，临床研究8显示其有神经保护作用。APP/PS1双转基因小鼠是国际上普遍认可的一种AD模型小鼠。研究人员将该种小鼠随机分为模型对照组、大麻二酚高剂量组、大麻二酚中剂量组和基金项目：国家自然科学基金项目（81760732）；陕西省重点研发计划（2022SF-393）作者简介：符兆英（1969），男，陕西佳县人，教授。研究方向：学习与记忆研究。E-mail： 医学综述 84水迷宫实验在学习记忆相关疾病和药物研究中的应用及其影响因素大麻二酚低剂量组四组作为实验组，用 C57BL/6J小鼠作为正常对照组，进行Morris水迷宫实验，测定各组小鼠的学习记忆能力。结果发现，大麻二酚能够有效地改善APP/PS1双转基因AD模型小鼠的学习记忆能力。1.1.2帕金森病治疗研究帕金森病（Parkinsons disease，PD），是一种与锥体外系功能受损有关的中枢神经系统疾病，其主要表现包括运动迟缓和记忆障碍等非运动症状等。在最近几年，记忆障碍这种非运动症状已经成了 PD 的研究焦点9。大约有20%40%的PD患者在发病早期就会出现记忆障碍这种非运动症状，如未能控制，则会更进一步发展成为帕金森病痴呆（Parkinsons disease dementia，PDD）10。随着人口老龄化，帕金森病患者有不断增多趋势，预计2030年全球65岁以上的老年人中3%将会患有帕金森病11。水飞蓟宾（silibinin）具有非常强大的抗氧化、抗衰老和抗炎的作用。研究人员采用腹腔注射MPTP（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶）的方法建造PD动物模型，将小鼠随机分为6组：空白对照组、模型组（MPTP 30 mg/kg）、MPTP+水飞蓟宾低剂量组（70 mg/kg）、MPTP+水飞蓟宾中剂量组（140 mg/kg）、水飞蓟宾高剂量组（280 mg/kg）和 MPTP+美金刚组（3 mg/kg）。每组910只小鼠。进行Morris水迷宫实验后，统计结果显示，水飞蓟宾对PD模型小鼠的认知功能障碍和抑郁焦虑这些非运动症状有明显的改善作用12。1.2在神经系统药物研发中的应用癫痫（epilepsy）是一种慢性神经系统疾病，它的病理学特征是神经元过量放电或过快地放电13。全球大约有1%2%的人患有癫痫，由于疾病会影响到患者身边的人，所以癫痫这种疾病甚至可以影响到全球百分之十的人口的正常生活。多数癫痫患儿无智力障碍，但是存在一定程度的暂时或持久性的认知功能损伤14。临床研究15发现，多数癫痫患儿合并注意力缺陷多动障碍，给患儿身心健康造成严重影响。目前癫痫的发病机制没有明确，但大多数人认为癫痫的发作是由于神经元的异常放电引起的大脑暂时性生理功能障碍而导致的。二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid，DHA）属于一种-3多不饱和脂肪酸，在人体中发挥着重要的功能。DHA在中枢神经系统、视网膜细胞等细胞中含量较为丰富，不但可以供能、调控细胞因子的表达，还可以调控炎症和免疫反应以保护神经元16。用戊四唑（pentylenetetrazole，PTZ）腹腔注射昆明小鼠制作癫痫模型小鼠，将40只建模成功的小鼠分为模型组、阳性对照组和高剂量、低剂量实验组，每组10只，随机选取正常昆明小鼠10只作为正常对照组，进行实验。结果显示，DHA除了能有效地降低由PTZ诱导的癫痫模型小鼠的炎症反应，降低癫痫发病次数和发病持续时间，还能明显地改善PTZ诱导的癫痫模型鼠的认知功能，使小鼠水迷宫实验的逃避潜伏期延长、穿越平台次数减少17。2水迷宫在大鼠学习记忆相关疾病和药物研究方面的应用2.1在学习记忆相关疾病治疗研究中的应用2.1.1血管性痴呆治疗研究血管性痴呆（vascular dementia，VD）是脑组织供血不足、缺氧使神经系统受损而导致的认知功能减退病症18-19，脑血管的作用不仅在于输送氧气和营养物质，也在于连接神经元和胶质细胞之间的信号传递20。由于当前人口老龄化程度日益加深，VD的发病率也在逐年上升，但对该病的机制仍未完全研究清楚，针对该病的药物作用机制仍然比较模糊21。目前认为氧化应激损伤和线粒体功能障碍是 VD 的重要发病机制22。红景天苷（salidroside）是从植物红景天中提取的一种主要活性成分，具有抗氧化、抗凋亡和改善线粒体功能等作用23。采用双侧颈总动脉结扎法制备低灌注性全脑缺血制备血管性痴呆疾病大鼠模型（2-VO大鼠），将实验大鼠随机分为双侧颈总动脉结扎组、假手术组和红景天苷治疗组，进行Morris水迷宫实验，测定各组大鼠的学习记忆能力。经统计学分析发现，红景天苷可显著改善2-VO大鼠的认知功能障碍，对VD的治疗有一定的作用24。2.1.2抑郁症治疗研究抑郁症（depression），亦称重度抑郁障碍（major depressive disorder），主要症状包括神情低落、思维敏捷度下降、意志活动减退等，是一种复杂的心理性疾病25。抑郁症的病因和发病机制目前尚未完全清楚，但研究26显示，可能与遗传、生物、心理、社会、重大创伤事件等多种因素有关。中药复方治疗抑郁症具有多成分、多通路及多靶点等优势，酸枣仁-合欢花药具有通过抑制海马组织内质网应激，降低海马神经细胞凋亡等而85第 22 卷 延安大学学报（医学科学版）第 1 期发挥抗抑郁症的功效27，可改善抑郁症模型大鼠的抑郁症状。将大鼠适应性饲养1周，随机分为空白对照组，慢性应激刺激组，慢性应激刺激+酸枣仁-合欢花低（4 g/kg）、中（8 g/kg）、高（16 g/kg）剂量组，水迷宫的实验包括训练和测试实验，用以观察动物的学习与记忆能力，经测试发现，经酸枣仁-合欢花处理后，大鼠的逃避潜伏期有所缩短、穿越平台次数有所增加28。2.2在神经系统药物研发中的应用精神分裂症（schizophrenia）是一种对患者造成严重影响的重型精神病，不仅包括长期的精神病性症状，大量研究29还证实了精神分裂症会造成患者的长期神经认知功能损害（如注意力、记忆力、问题解决等）。用大鼠建立MK-801诱导的精神分裂症模型，实验大鼠随机分为模型组、空白对照组、药物干预组（氯氮平组、利培酮组、阿立哌唑组、齐拉西酮组），除空白对照组外，不同药物灌胃28 d后，采用Morris水迷宫实验等，评估药物干预前后大鼠认知功能变化。结果显示，治疗后药物干预组与模型组比较、与同组治疗前比较，大鼠在水迷宫实验中逃避潜伏期缩短，目标象限停留时间上升30。水迷宫实验结果说明以上几种药物具有改善MK-801诱导的精神分裂症模型大鼠的学习记忆能力的效果。3鼠龄、性别和种属对水迷宫实验的影响随着动物年龄的增长，特别是进入老年期，其学习与记忆能力会下降或明显下降，在水迷宫实验中的表现亦下降。但是动物的性别对水迷宫实验结果的影响，研究人员并没有形成一致的认识31。3.1鼠龄不同生长发育时期的动物，机体代谢和其他功能都会出现明显的改变，随着年龄的增长，个体的学习记忆能力也会相应地发生衰退。将 3周龄的 C57BL/6 小鼠随机平均分为有氧运动组和安静对照组，分别饲养至3月龄、12月龄、20月龄时，各组随机选取15只，进行Morris水迷宫实验，结果显示，随着小鼠年龄的增加，其对空间位置的记忆和探索能力也显著下降32。3 月龄小鼠的学习记忆能力最强，12月龄小鼠次之，20月龄的小鼠更差。在氧化锂-匹罗卡品（li-pilo）颞叶癫痫大鼠认知障碍与年龄的相关性实验中，将新生SD大鼠在出生后第21天经腹腔注射氯化锂及匹罗卡品，用以建立癫痫大鼠模型，建模后根据鼠龄分为 1个月、2个月及3个月癫痫模型，使用Morris水迷宫实验观察上述3组年龄癫痫大鼠的学习记忆功能，经结果分析，发现癫痫大鼠认知障碍程度与鼠龄有关，2月龄鼠学习记忆能力有所下降、3月龄明显下降33。3.2性别在动物实验中，不同性别的动物可能会产生不同的实验结果。为探讨印防己毒素（picrotoxin，PTX）对中年雌、雄性小鼠学习记忆能力及焦虑状态的影响，以811月龄的C57BL/6小鼠为实验对象，进行Morris水迷宫实验。将小鼠按性别随机分为雄性PTX实验组、雄性生理盐水对照组、雌性PTX实验组和雌性生理盐水对照组，实验结果表明，PTX对雌、雄性小鼠的学习记忆能力及焦虑状态的影响有显著的性别差异，PTX能够降低雌性小鼠的逃逸潜伏期、增加它们在目标象限的探索次数，即增强了雌性小鼠的空间识别与学习记忆能力，但对雄性小鼠却是增加了其焦虑行为。长期注射PTX虽然也能改善雄鼠的学习记忆能力，但会影响其自发性探索的能力34。排除记忆能力受损的大鼠，鼠龄相同性别不同的大鼠在水迷宫实验中逃避潜伏期有差异，表现为雌性的逃避潜伏期高于雄性大鼠35。在七氟烷对不同性别新生大鼠认知功能影响差异的实验中，将82只出生后7 d的SD大鼠，随机地分为对照组和七氟烷处理组，然后按性别分亚组：雌性对照组、雄性对照组、雌性七氟烷处理组和雄性七氟烷处理组，每组19只22只。各组大鼠分别吸入空气或4%七氟烷4 h后，行Morris水迷宫实验，经分析结果发现，七氟烷处理使雄性大鼠的学习记忆能力有所减退，但对雌性大鼠无明显影响36。3.3种属不同种属或品系的啮齿类动物在水迷宫实验中的表现有差异，并非所有种属品系的啮齿类都适宜作为水迷宫实验的动物，故需选择适当的种属品系（特别是对小鼠而言）。总体而言，大鼠在水迷宫实验中的表现优于小鼠，常用的大鼠品系有 SD（Sprague-Dawley）大鼠和 Wistar大鼠，此外还有 LE（Long-Evans）大鼠。在小鼠中，一般认为 C57BL/6小鼠是适宜进行水迷宫实验的小鼠，BALB/c小鼠在水迷宫实验中的表现比较差，部分原因是白色品种（白化病）动物的视觉能力较差；此外，DBA/2品系的小鼠在水迷宫实验中的表现也比较差，129/Sv品系的小鼠在空间学习记忆方面有缺陷37-38。86水迷宫实验在学习记忆相关疾病和药物研究中的应用及其影响因素4结语水迷宫实验已经得到了越来越广泛的应用，最主要的应用还是关于学习记忆方面的研究39。本文主要以小鼠和大鼠两种实验动物为代表论述了水迷宫实验在啮齿类学习与记忆研究中的应用和进展。当前水迷宫实验主要用于大鼠或小鼠，且标志物均为视觉标志物，无法以其他哺乳动物或视觉系统障碍的啮齿类动物作为实验动物40。未来应开展非啮齿类动物水迷宫实验的研究，改进Morris水迷宫实验方法，譬如可以采用新的感官刺激作为标志物，从而为学习记忆的研究提供更广阔的思路和用途。参考文献：1 MORRIS RDevelopments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat J.Journal of Neuroscience Methods，1984，11（1）：47-602 SEO M K，JEONG S，SEOG D H，et al Effects of liraglutide on depressive behavior in a mouse depression model and cognition in the probe trial of Morris water maze test J.Journal of Affective Disorders，2023，324：8-153 QI L Q，CHENG Y D，SUN S，et alThe administration of rhBmal1 reduces sleep deprivation-induced anxiety and cognitive impairment in miceJ.The World Journal of Biological Psychiatry，2024，25（1）：43-534 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