《Neuroscience》：Semi-automated testing of vibrotactile sensitivity in the rat forelimb
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振动触觉检测任务开发及大鼠前肢感觉评估应用研究。通过振动电机杠杆装置结合力传感器和奖励系统，建立标准化的大鼠前肢振动敏感度检测方法，验证其神经可塑性和临床转化价值。
德里克·尤（Derrick Yoo）|贾斯汀·李（Justin Lee）|阿迪蒂亚·拉马穆尔蒂（Aditya Ramamurthy）|卡米洛·桑切斯（Camilo Sanchez）|汤春文（Tong Chun Wen）|安德鲁·斯隆（Andrew Sloan）|杰森·卡梅尔（Jason Carmel）
运动恢复实验室（Movement Recovery Laboratory），神经学系（Department of Neurology），地址：美国纽约州纽约市哥伦比亚大学医学中心（Columbia University Medical Center），西168街630号，VP&S 3-426室，邮编10032
摘要
手的振动触觉敏感性与灵巧性相关，但由于缺乏标准化设备和实验方案，前肢敏感度测试在临床前研究中很少使用。我们开发了一种振动触觉检测任务来测量大鼠的前爪敏感度。该系统包括一个带有振动马达的杠杆、一个用于检测杠杆抓握力的力传感器以及一个用于奖励的颗粒分配器。专用软件控制硬件、提供刺激、记录反应并激活奖励。自由移动的大鼠被训练在检测到振动时在规定的时间窗口内握住并释放杠杆以获得食物奖励。正确的反应率生成了一条S形的敏感度曲线，从而量化了振动触觉敏感度。大鼠大约需要五周的训练才能达到基线表现，并且在五周内检测阈值保持稳定。通过注射布比卡因或选择性损伤背柱（dorsal column）来降低敏感度，结果显示检测阈值上升；在麻醉或损伤恢复后，这两个阈值均回到了基线水平。为了确保特异性，使用了第二个假杠杆、声音掩蔽器、振动阻尼器以及在黑暗中进行的测试，以隔离通过前爪传递的振动。与疼痛（冯弗雷测试，Von Frey test）或温度（哈格里夫斯测试，Hargreaves test）不同，这项任务量化的是振动感觉，这对于涉及躯体感觉功能障碍的临床研究非常重要。这种振动触觉检测任务能够高效地测试前肢的振动敏感度，为研究感觉处理和康复提供了具有临床意义的工具。
引言
我们对感觉系统神经生理学与感知结果之间关系的理解在很大程度上取决于我们解读实验动物行为的能力。人类可以轻松描述自己的感觉，但我们必须从动物的行为中推断它们的体验。通常可以通过观察自然反应和反射反应来确定对超阈刺激的检测和识别，但对感觉心理物理学的精细量化通常需要经过训练的行为。在视觉（Marzullo等人，2010年）、听觉（Al-Chalabi等人，2023年，Thomas等人，2020年）、嗅觉（Babinska等人，2016年）和味觉（Schroy等人，2005年）领域，有许多操作性行为范式可用于量化感觉功能和刺激辨别能力。然而，对于使用啮齿动物模型研究躯体感觉的研究人员来说，选择并不多。
最常用的啮齿动物躯体感觉功能评估方法是基于从疼痛或不适刺激中撤退反应的痛觉或不适测试（Deuis等人，2017年）。许多方法是哈格里夫斯测试的变体，该测试通过加热或冷却前爪来测量撤退潜伏期（Banik和Kabadi，2013年；Hargreaves等人，1988年），或者是冯弗雷测试，该测试通过施加不同硬度的细丝来测量引起前爪撤退所需的力量（Chaplan等人，1994年）。这些测试在大多数实验室中都可以进行，并且因为它们依赖于未经训练的反应而被广泛采用，但它们有显著的局限性。首先，它们依赖于疼痛或不适来诱导肢体撤退——这些负面刺激可能会改变动物的行为状态和撤退阈值。其次，重复测试可能会导致神经系统中的可塑性变化，如在慢性疼痛状态下观察到的那样。第三，在神经或肌肉损伤或疾病的动物模型中，前爪的撤退能力可能会受到运动障碍的影响。最后，这些测试无法测量精细触觉和本体感觉，而这些感觉模式对于功能性运动最为重要。
在啮齿动物中，振动触觉评估主要局限于胡须；然而，关于啮齿动物肢体的振动触觉实验也开始出现。已经在大鼠的后爪中测试了振动触觉，对于较低振动频率（40–80赫兹）也得到了类似的心理测量结果（Devecio?lu和Gü?lü，2015年；Sun等人，2021年）。这些方法在可调节的振动频率方面存在限制，或者无法可靠地区分有效反应和偶然反应。其他用于评估肢体振动触觉的实验设置需要固定头部的小鼠（Morandell和Huber，2017年；Muller等人，2023年；Prsa等人，2021年）。与人类一样，啮齿动物前爪的无毛皮肤中的机械感受器比后肢更多，这解释了保持前肢感觉对于触觉探索的重要性（Kameda等人，2019年；Steward和Willenberg，2017年；Walcher等人，2018年）。在患有偏瘫的儿童中，手臂和手的功能障碍与感觉系统的损伤密切相关。通过振动刺激食指进行的感觉生理学测试与手的功能密切相关（Gupta等人，2017年）。因此，振动感觉可以成为评估前肢运动功能的优秀工具。过去的一些研究强调了高通量行为系统在量化运动方面的重要性和可行性（Hays等人，2013年；Hays等人，2013年；Kakanos等人，2023年；Meyers等人，2016年；Sindhurakar等人，2017年）。
我们创建了一个半自动的高通量行为系统来测量啮齿动物的躯体感觉功能。该装置训练大鼠完成“Go/NoGo”振动检测任务。自由移动的大鼠被教会用前肢触碰、抓住并握住杠杆，并在试验过程中对杠杆施加振动时释放它。本研究中描述的振动检测任务可以检测由于损伤导致的躯体感觉阈值的变化，并追踪躯体感觉和功能性运动的恢复情况，最终有助于临床治疗的转化。
实验部分片段
实验对象
实验中共使用了七只成年雌性Sprague Dawley大鼠（体重250–300克）。选择雌性大鼠是因为先前研究表明它们能更快地掌握行为任务，并且比雄性啮齿动物需要更少的训练时间（Simpson & Kelly，2012年）。这些大鼠已经完全接受了振动触觉检测任务的训练。其中三只大鼠随后接受了背柱损伤处理，另一组三只大鼠的手腕接受了布比卡因麻醉的局部注射。
在5周内达到可重复的基线表现
七只大鼠在32.3±3.9天内学会了完成这项任务。在30分钟的测试过程中，大鼠完成了50次非终止试验，结果包括命中、未命中、误报或正确拒绝。大鼠对振动刺激的最大保持时间为8秒。经过两天的适应后，即使是对测试环境不熟悉的大鼠，只要对杠杆施加至少0.5秒的力也会得到奖励。大鼠在3.9±0.5天后学会了将杠杆与奖励联系起来，并逐渐提高了表现。
讨论
本研究描述了一种使用振动检测任务评估大鼠前肢感觉的新颖半自动化方法。啮齿动物可以在大约30天内从初始状态训练到达到基线表现。该系统能够每天对每只大鼠进行数百次试验，并保持稳定的表现，从而提高了性能和干预分析的统计效力。
软件和固件能够精确控制刺激参数。
结论
本文提出了一种新的振动触觉任务，能够以最小的实验者干预量定量且可靠地测量大鼠前爪的躯体感觉。这项工作具有重要意义，因为它允许评估那些尚未经过严格测试的啮齿动物的感觉模式，并且其方法更接近临床环境。该系统自动化并规范了啮齿动物的感觉转化研究。
CRediT作者贡献声明
德里克·尤（Derrick Yoo）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、调查、数据分析、概念构建。贾斯汀·李（Justin Lee）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、调查、数据分析、概念构建。阿迪蒂亚·拉马穆尔蒂（Aditya Ramamurthy）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、调查、数据分析、概念构建。
资助
美国国家神经疾病和中风研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke, NINDS）
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
