小脑电是什么设备脑声问答（52）期丨什么是小鼠前庭眼动测试实验？

前庭功能障碍不仅带来眩晕、平衡障碍，继发听力损害等躯体不适，而且还会削弱社会功能、引起心理和精神障碍。耳毒性药物(氨苄类抗生素)滥用，以及环境污染，眩晕人群逐年上升，眩晕已成为一个全球性的健康问题。听毛细胞是听觉系统和平衡系统共同的感受细胞，由于听觉系统内耳迷宫的复杂性，对于听觉毛细胞发育和基因调控的研究可以通过研究模式动物平衡系统的听毛细胞功能来进行。小鼠的前庭眼反射系统（VOR）不像哺乳动物那样受大脑皮质中的视觉中枢区域控制，因此可以摆脱高级神经活动的影响，更加可靠地反映前庭功能。另外，在小鼠及啮齿目动物到灵长目动物的进化中，前庭的结构和功能呈现了高度保守性；在以小鼠为动物模型的前庭功能实验中取得的数据，对于人类前庭功能疾病的诊疗和研究也具有极高的参考价值。小鼠前庭眼动测试系统能够检测小鼠半规管功能和椭圆囊功能，是目前世界上最先进的测试小鼠前庭的设备。采用小鼠固定装置固定小鼠后，在旋转的过程中，外光源照射所述小鼠，相机获取经所述外光源照射的所述小鼠的眼部图像，从而获取小鼠的前庭眼动反射结果。

前庭是控制机体平衡和定向的重要器官，前庭功能受损主要表现为眩晕以及平衡失调等，可通过前庭眼动反射来对前庭器官的健康状况进行评估。因此，该系统在研究小鼠前庭器官功能上起到重要作用。前庭功能药物筛选、前庭药物毒性测试、内耳形态形成及细胞分化研究、半规管功能研究、椭圆囊功能研究、遗传性内耳疾病研究等。

Fig1 OptoTrack视觉眼动跟踪系统，上海欣软

• 一般行为观察

通过对研究动物日常行为和特定环境行为，在一定程度分析其前庭功能是否受损：

①观察动物在防御动态动作中是否存在步态不稳、头部左右晃动等异常行为;②动物在日常活动下表现的特征性行为，如躯体卷曲、四肢外展、不自主环行转圈运动等兴奋过度的平衡功能异常表现。③游泳实验:这是检测动物前庭功能最常见的行为学实验之一，根据动物的种类和大小，选择与其大小相适应的设备，实验多采用在昏暗的房间进行，将动物放在温水中，观测其在水面上游泳的状况，并对其游泳的姿态进行记录，如头部是否朝上、是否能够全部浮出水面以及游泳姿势的稳定性等；大多数情况下，行为学观测主要是为了揭示动物的前庭功能与本体感觉系统以及视觉系统共同协同，与人的动态姿势图描记较为相似;该检测方式不仅能够反映动物在前庭末梢的敏感性，同时还可以反映其前庭小脑、脊髓、自主神经通路等反射情况。

• 空间姿势反射

空间姿势反射可以评估实验动物在不同外在条件姿态下的稳定程度，具有一定程度的实验室检测意义，能够初度对动物前庭功能进行检测。将动物置于适当的高度，放置成四肢朝上的姿势，使其从高处自由下落，观测其在自由落体的动作:正常的实验动物落地时为四肢着地，能够俯卧在地面上；当落地时表现身体一侧或者背部着地时，将这种实验动物看做前庭功能损伤。还一种方法，将实验动物提起，缓慢接近平台，观察实验动物实验姿态，正常实验动物表现为前肢和躯干伸直；前庭受损动物没有上述表现，并伴有身体卷曲状态。这些检测适用于身体比较小的啮齿类动物，其作用的原理是前庭神经系统通过神经反射通路调节其所支配肌肉的张力，并对其作出指示，使其适应对应的运动现状，进而改正躯体在空间上的异常姿态，以保持其自身的平衡性;正常的实验动物能够保持“六字”姿势，比如将其侧面推倒能够立即翻身立正，这种应激性反射能够通过球囊和椭圆囊感受器来感知头部所处空间位置的状态，将不正常的信息传给中枢神经系统，进而实现动物的空间姿势反射。空间姿势反射不仅仅是人和动物自身的一种生理性反射，还能够反应躯体外周和中枢前庭系统在随身体不断生长，不断成熟的过程，而且在骨骼肌的行为反应能力上也能够得到充分体现。该试验充分反应了身体在触觉、视觉完全丧失的状况下，仅仅凭借前庭系统实现身体的翻正状况。空间姿势反射实验广泛适用于不依靠视觉来触发姿势反射的动物，如豚鼠、小鼠、家兔等。

• 前庭眼反射(VOR)

前庭眼反射是在前庭受到旋转或直线刺激后，产生的反射性眼球运动。其原理是头部在做位移运动时，为了确保所观察事物的图像一直聚集于黄斑上，产生了清晰的图像，眼球运动方向将与头部运动方向相反。实验室中，常常用旋转对实验动物进行刺激，将待测动物固定于实验平台，对其进行摆动刺激，记录它的眼球运动，对眼动幅值、相位、频率等数据进行分析。从原理上分析，头部的旋转角速度直接决定眼球的运动速度，所以前庭眼反射的增益(眼球运动速度/头部旋转速度)，等于1.00最为合理，但实际上前庭眼反射的增益一般都会小于0.75。该检测方法的神经通路有两条组成:一条为直接通路，经前庭一孤束通路进行传导，另一条是间接通路，由前庭-臂旁神经通路组成。

小鼠前庭眼动反射记录是通过不同技术手段对小鼠眼动数据进行记录，常用的记录方式包括眼震电图技术、巩膜磁性线圈技术和视频眼图技术。

1、眼震电图技术

眼震电图，角膜相对于视网膜带正电，视网膜相对于角膜带负电，也就是说在角膜和视网膜之间形成了一个电位差。当眼球产生运动时，因为角膜和视网膜间电位差的改变，两者间形成的电场在空间的相位发生变化，即生成角膜视网膜电位。再通过放大器的作用和记录设备的记录就可以将眼球运动的电位变化记录下来，再用图形的方式表现出来描绘成眼震电图。眼震电图是眼动的客观记录，能够比肉眼观测更加精确，其优点是价格低廉，操作方便。其缺点是这种由角膜和视网膜产生的电信号并不十分稳定，很容易受到电噪声和肌肉紧张度的影响。

2、巩膜磁性线圈技术

巩膜磁性线圈，利用磁性线圈在磁场中的空间运动，确定小鼠眼动数据。在该项技术中，将带磁性线圈植入小鼠眼睛，把小鼠头部放在磁场之间，当线圈随眼球运动时，记录其在磁场中位置变化，即可以认为是小鼠眼动数据。这种测量方式的优点是测量的数据灵敏可靠，同时可记录3维眼动数据，眼睛角度移动范围大，时间分辨率高，可达到1kHz。其缺点是植入巩膜搜索线圈需要精细的手术，可能产生由于手术创伤影响眼球运动，而且在实验时植入线圈在一定程度限制了眼球的活动，并且操作复杂费时，在被试数量过多时，实验的及时性无法满足，设备价格十分昂贵。

3、视频眼图技术

视频眼图，通过视频记录眼动数据，用图像处理的方法换算出眼球转动角度。其优点是视频是完全非侵入性的，准备时间减少，使这种技术在需要大量实验时特别有利，这在目前的研究中，起到了改善巩膜磁性线圈技术的作用。相比眼震电图记录法，直接通过相机采集眼动的视频，解决了采用电信号采集数据时存在各种干扰的缺陷。这种方法不仅操作比较方便，而且安全系数高。当然，这种方法也存在缺点，小鼠头部必须固定一个位置与相机位置相对静止，因此使头部自由的实验是不能做的，当实验小鼠因各种原因闭眼或眨眼的状况下，无法记录其眼动数据。空间分辨率受视频像素的尺寸的限制，时间分辨率受帧率限制，都明显低于巩膜磁性线圈方法。

Fig2 VOR行为学习规则

文献引用：

1.Assessment: Vestibular testing techniques in adults and children: Report of the Therapeutics and Technology Assessment Subcommittee of the American Academy of Neurology[J]. T. D. Fife;;R. J. Tusa;;J. M. Furman;;D. S. Zee;;E. Frohman;;R. W. Baloh;;T. Hain;;J. Goebel;;J. Demer;;L. Eviatar.Neurology,2000(10)

2.Assessing vestibular function: which tests, when?[J]. M. Fetter.Journal of Neurology,2000(5)

3.Current status of electronystagmography testing[J]. SANJAY A. BHANSALI;;VICENTE HONRUBIA.Otolaryngology – Head and Neck Surgery,1999(3)

4.Cortical and subcortical influences on the nucleus of the optic tract of the opossum[J]. A Pereira;;E Volchan;;C.D Vargas;;L Penetra;;C.E Rocha-Miranda.Neuroscience,1999(4)

5.Rotational Responses in Patients with Bilateral Caloric Reduction[J]. Joseph M. R. Furman;;Donald B. Kamerer.Acta Oto-Laryngologica,1989(5-6)

6.赵凡. 小脑前庭动眼反射学习模型研究[D].西安电子科技大学,2018.

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