魏 盛 耿希文 徐凱勇張 浩趙 峰胡明會艾志福賀文彬秦冬冬王曉良葛加兵王 斌徐子翔0蘇茜茜李自發(fā)*王可洲*

(1.山東中醫(yī)藥大學動物行為學實驗平臺,濟南 250355；2.山東中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥與腦科學交叉學科研究中心,濟南 250355；3.江西中醫(yī)藥大學實驗動物科技中心,南昌 330004；4.山西中醫(yī)藥大學分子中醫(yī)藥學國家級國際聯合研究中心,太原 030024；5.山西中醫(yī)藥大學中醫(yī)腦病學山西省重點實驗室,太原 030024；6.云南中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院科研中心實驗室,昆明 650500；7.上海梵碧智能科技有限公司,上海 201707；8.上海欣軟信息科技有限公司,上海 201100；9.深圳市瑞沃德生命科技有限公司,廣東 深圳 518057；10.中海(山東)凈化工程有限公司,濟南 250117；11.北京西文智慧科技有限公司,北京 102600；12.山東第一醫(yī)科大學(山東省醫(yī)學科學院)實驗動物學院(山東省實驗動物中心),濟南 250002)

動物行為學(ethology)主要任務是科學客觀觀測自然條件下的動物行為,對象包括動物的溝通行為、情緒表達、社交行為、學習行為、繁殖行為等,是現代神經科學和腦科學領域的關鍵技術之一[1]。神經行為學實驗,尤其是嚙齒類實驗動物的神經行為學評估可從整體上對大小鼠的學習記憶、精神情緒、運動協調能力、痛覺等各方面進行綜合評價,應用于毒理、藥理、精神病學、麻醉醫(yī)學、運動醫(yī)學、神經退行性疾病等各個學科領域動物模型復制及藥效學評價。尤其是近年來轉基因及基因操縱動物的行為損傷測定,更可為后續(xù)的機制及靶點探索提供方向性支持[2]。

國外(主要以美國、歐洲和以色列為代表)的小動物神經行為學檢測起步較早,經過幾十年的發(fā)展,已形成了比較全面的學科體系,其實驗技術和方法也不斷得到發(fā)展,相關的儀器設備也大多來自這些國家,尤其以美國為領先[3]。美國是世界上開展小動物神經行為學實驗最為廣泛、成果最多的國家,同時也是實驗過程中自動化、信息化集成最好的國家[4]。90 年代中期,美國開始嘗試利用計算機技術和圖像/視頻處理技術對小動物神經行為作客觀定量評價,并逐漸有一些公司/院所開發(fā)出用于小動物神經行為定量評價系統。這些系統被應用于包括臨床前一般藥效和毒性客觀定量評價、神經生物學、心理學、動物行為學等領域,使用效果良好[5]。目前,國內對小動物神經行為學檢測還處于起步階段,經費投入普遍不足,使用的儀器普遍落后,工作開展得也不多,尤其是國內特別缺乏動物行為學/藥理學專家與計算機軟件專家結合的開發(fā)隊伍,當前,國內利用自主開發(fā)的小動物神經行為定量評定系統來分析大小鼠的行為,以及評價藥物的藥理學/毒理學等的相關報道不多[6]。

對比國外相關領域進展,國內小動物神經行為檢測理論與技術的全面滯后也制約了專業(yè)化實驗平臺設計建設領域的發(fā)展。按生物學通行觀點,動物表型是自然(基因型)和后天(環(huán)境)之間復雜而動態(tài)相互作用的產物,用以解釋實驗設計和動物實驗即是動物神經行為檢測是對以最大有效性(復雜性)模擬現實世界現象和設計切實可行的實驗項目(抽象性)之間的折衷和平衡[7]。受限于理論知識的匱乏和檢測技術的落后,國內專業(yè)化小動物神經行為學實驗平臺闕如,平臺設計及建設中普遍具有如下問題:一是缺少科學規(guī)劃設計。因為對動物神經行為檢測相關背景知識了解不多,國內公司/院所動物行為學實驗室普遍缺少科學合理的規(guī)劃設計。二是缺少規(guī)范施工建設?？紤]到國內動物神經行為檢測技術相對落后,很多機構仍停留于人工觀測或傳感檢測水平,動物行為學實驗室建設普遍缺少規(guī)范施工要求。因此,及時總結國內外專業(yè)化實驗平臺規(guī)劃建設中經驗教訓,聯合國內多個平臺建設單位推動建立規(guī)范標準顯得尤為迫切且必要。

山東中醫(yī)藥大學動物行為學實驗平臺是山東中醫(yī)藥大學“十三五”期間專項規(guī)劃建設的專業(yè)化實驗平臺,主要用于開展嚙齒類動物神經精神藥理學實驗、情緒行為及學習記憶功能檢測、成癮及運動行為檢測、復雜精細行為檢測及分析等。本文擬立足本單位建設實踐系統論述小動物神經行為學實驗平臺規(guī)劃設計原則及施工建設要求,以期為小動物神經行為學專業(yè)化實驗室建設提供可資借鑒的規(guī)劃設計參考及施工建設規(guī)范。

1 小動物神經行為學實驗平臺規(guī)劃設計一般原則

除必須依照屏障環(huán)境建設標準(實驗動物設施建筑技術規(guī)范GB 50447-2008)[8-10]外,因神經行為學實驗要求的特殊性,還應注意遵循以下原則。

1.1 光照要求

行為實驗區(qū)光照要求(圖1):小動物神經行為學實驗室的燈光要求一定的控制,整體要求每個房間里要燈光柔和均勻。室內光照度恒定,阻斷室外光線(隔光窗簾或無窗戶),室內光源由室內燈提供,分為實驗光源和工作光源。實驗光源根據不同實驗設備專門布置不同顏色燈具位置及角度(一般為暗淡紅色燈光,照度為2 lx[11-13]),實驗時保持實驗光源提供的光照度恒定不變。工作光源漫反射光源(將光源分布于兩側相對的墻壁頂端上,離開地面1.8 m 左右,避免分布于實驗室中央),顏色為白色,照度為100～200 lx。所有光源開關要求單獨控制且照度可調。

圖1 小動物神經行為學實驗室光照設計示意圖Note.1,Experiment lighting,the light source is long strip ceiling purification lamp,the roof is evenly arranged,red,2 lx.2,Animal lighting,the light source is circular ceiling purification lamp,the roof is evenly arranged,light yellow,15～20 lx.3,Working lighting,the light source is a long embedded purification lamp,the wall is evenly arranged,white,100～200 lx.Figure 1 Schematic diagram of lighting design for small animal neurobehaviour laboratory

動物飼養(yǎng)區(qū)光照要求:動物房內要有較亮的工作光線和較暗的生活光線調節(jié),要裝有晝夜明暗交替照明系統,每12 h 輪轉照明。工作照度100～200 lx,顏色為白色；動物照度15～20 lx,顏色為淡黃色,調節(jié)實驗動物節(jié)律和人類一致。

1.2 通風要求

實驗動物一般對氣味非常敏感,所以實驗室、動物房要有獨立的通風系統,換氣次數每小時15～20 次,氣流速度0.1～0.2 m/s[14]。

1.3 隔音要求

實驗室于四周墻壁中加裝隔音層,室內噪音低于60 dB,具有振動的設備務必做好減振處理。

1.4 溫濕度要求

安裝溶液空調保持室內恒溫恒濕,室內溫度恒定20℃～24℃(日溫差小于4℃),相對濕度控制為50%～70%。

1.5 空間設計要求

小動物神經行為學實驗設備一般體積較大、數量較多,實驗室空間根據實驗設備的要求定制和設計實驗場地。

1.6 電力配備要求

實驗室的電氣指標要求三相,可拼配接20 A 電流。實驗室應配置UPS 設備,保證實驗室供電穩(wěn)定性。

1.7 端口預留要求

小動物神經行為學實驗室傳輸線主要是電源線和視頻信號線,每面墻至少安裝3 個相應端口,必須暗裝?？紤]到大型小動物神經行為學實驗室攝像機電源較多,所以墻壁上要多預留電源插口。

1.8 給排水要求

Morris 水迷宮、強迫游泳等涉及用水房間,無菌冷熱水分別獨立提供,水壓0.3～0.5 MPa,下水口做潔凈密閉處理。

2 小動物神經行為學實驗平臺布局及功能區(qū)劃

總體規(guī)劃是設立符合生物安全規(guī)范要求的功能性齊備的動物實驗室及相關配套設施(屏障環(huán)境),涉及實驗動物主要包括大鼠、小鼠[15]。中心下設各實驗室及配套設施基本功能見圖2、表1。

圖2 小動物神經行為學實驗平臺布局規(guī)劃圖Figure 2 Layout plan of small animal neurobehaviour experiment platform

3 小動物神經行為學實驗平臺相應配套設施設備

3.1 小動物神經行為學實驗平臺配套設施

依據國家相關規(guī)定及要求,特別是行業(yè)規(guī)范,小動物神經行為學實驗平臺應滿足動物實驗環(huán)境凈化、溫度、濕度、潔凈度、噪聲、換氣等要求,同時設立技術夾層滿足設施設備及配套承載。小動物神經行為學實驗平臺建成后實現平臺內全年全天24 h 智能化信息化遠程控溫、控濕、隔噪音、空氣全進全排、尾氣無害化處置,雙電源、不停電,客貨梯分離(4 部電梯,樓兩側各有客梯和貨梯),污染區(qū)與潔凈區(qū)分離,符合生物安全設施標準[16]?；九涮自O施主要包括:

(1)脈動真空滅菌器(實驗動物專用,自帶潔凈蒸汽發(fā)生器):用于動物飼料、動物墊料、籠盒、飼養(yǎng)員服裝、器皿、金屬制品等物品進行滅菌處理。

(2)墊料自動添加系統:配合隧道清洗機使用,用于籠盒墊料的自動添加。

(3)全自動飲水瓶清洗機:用于自動清洗動物飲水瓶。

(4)全自動飲水瓶灌裝機:用于自動灌裝動物飲用水。

(5)實驗動物消毒傳遞柜:用于活體動物傳遞或各類實驗儀器的消毒傳遞。

(6)大型消毒傳遞艙:用于籠架及大批量物品的低溫消毒、滅菌,適用于向屏障環(huán)境內大批量傳遞物品及實驗動物。

(7)大小鼠IVC 系統:用于實驗室飼養(yǎng)SPF 級大小鼠,實現實驗動物生存空間的嚴格微生物控制,防止不同籠盒間交叉感染。

(8)換籠工作站:適用于SPF 級動物房的動物籠交換、墊料添加,可同時對動物和人員起到防護作用。

(9)生物安全柜:應用于實驗室的生物安全防護隔離,防止有害懸浮顆粒、氣溶膠的擴散。

(10)潔凈工作臺:一種局部凈化設備,可有效保護被操作物品免受污染。

(11)集成式過氧化氫氣體消毒器:用于設施空間及設備艙體內的空氣及物品表面進行徹底的消毒或滅菌。

(12)電熱清潔蒸汽發(fā)生器:用于為相關設備提供潔凈飽和蒸汽。

3.2 小動物神經行為學實驗平臺配套設備

平臺下設主要功能實驗室包括如下幾間,分別配備不同專屬儀器并提供不同實驗服務,具體見表2。

表2 小動物神經行為學實驗平臺各功能實驗室儀器配置表Table 2 Instrument configuration of each functional laboratory of small animal neurobehaviour experiment platform

續(xù)表2

4 小動物神經行為學實驗平臺施工建設具體要求

滿足小動物神經行為學實驗平臺規(guī)劃設計一般原則前提下,飼養(yǎng)室及各功能實驗室施工建設中還應注意以下具體要求:

(1)飼養(yǎng)室及各功能實驗室走廊寬度不應少于1.5 m,門寬度不少于1.0 m。功能實驗室凈空要求達到2.5 m 以上,最好2.8 m,便于安裝行為設備宮體支架。

(2)動物飼養(yǎng)區(qū)及實驗區(qū)保持環(huán)境條件一致,進行嚴格功能區(qū)分,飼養(yǎng)區(qū)內不應開展小動物神經行為檢測實驗。

(3)實驗過程中禁止實驗人員或其他人員于實驗室內或實驗室門外頻繁進出,避免同一間實驗室內同時進行兩項或兩項以上的實驗,去除實驗人員對實驗動物的影響。

(4)各功能實驗室配置儀器設備盡量不要移動位置,每套電腦工作站應單獨控制一套設備為宜。

(5)實驗室最好配置恒定白噪音發(fā)生器,避免外界和動物間的聲音干擾。

(6)飼養(yǎng)區(qū)及實驗區(qū)地面鋪設淡黃色亞光PVC地板,顏色與動物墊料顏色接近,符合動物生活環(huán)境,避免對行為檢測實驗影響和干擾。

5 總結

動物行為是指動物個體和動物社群為適應環(huán)境變化所做出的反應,是對內部和外界條件間的關系予以調整及對周圍的生物和非生物環(huán)境的動態(tài)適應。動物的行為是一個運動、變化的動態(tài)過程,并與其生存環(huán)境相適應[17-18]。大多數的生理學家、遺傳學家和心理學家等多從實驗室進行動物行為學觀測,因而小動物神經行為學實驗室的建設是從事神經行為學實驗的基本條件。

動物神經行為學測試方法和技術的不斷發(fā)展導致觀測儀器設備也不斷升級換代[19-21],雖方便了神經行為學的觀察和記錄,但對神經行為學實驗的條件建設提出了相應要求。為了更全面的觀察記錄小動物神經行為學測試中的表現,進行神經行為學實驗室建設時,注意房間的布局和設計是得到真實可靠的實驗數據的前提和保障。由于科學實驗追求的是真實實驗情況的觀察和真實實驗結果的采集,所以小動物神經行為學實驗中更要求觀察到的現象是動物本身的真實反應,盡可能減少干擾對實驗結果的影響。從不被動物察覺的情況下進行觀察,實驗動物擁有舒適的居住環(huán)境和合理的實驗順序等是小動物神經行為學實驗的必須條件。相應地,進行小動物神經行為學觀測的實驗室就要滿足以上這些條件,因而改造或建設神經行為學實驗室時必須要注意以上幾個方面的問題。

正如前文中所討論,制約國內小動物神經行為學實驗平臺設計和建設的關鍵因素一是動物神經行為檢測理論薄弱,二是動物神經行為檢測技術落后。相應地,要提升小動物神經行為學實驗平臺設計和建設水平的關鍵環(huán)節(jié)則是一要注意廣泛吸收借鑒國外相關學科的前沿成果,提升我國有關領域的理論水平和知識儲備。二要組建一支聯合藥理學、行為學、計算機軟件等專家的儀器設備開發(fā)隊伍,獲得具有自主知識產權的產品,掌握核心技術,不再受制于國外廠商,提升我國技術競爭力。

本文立足本單位多年建設實踐,根據屏障環(huán)境建設標準和神經行為學實驗特殊要求詳細論述了小動物神經行為學實驗平臺設計建設一般原則,提出了對光照、溫濕度、通風、隔音等具體要求。按照神經科學與腦科學學科特點科學合理地進行了小動物神經行為學實驗平臺布局及功能區(qū)劃并開列了平臺相應配套洗消設施和實驗設備。結合具體平臺建設施工問題羅列了小動物神經行為學實驗平臺工程建設中具體要求。通過對以上平臺設計及建設問題的細致說明和討論以期為小動物神經行為學專業(yè)化實驗室建設提供可資借鑒的規(guī)劃設計參考及施工建設規(guī)范。

隨著“中國腦計劃”的正式啟動,作為神經科學與腦科學領域最基本支撐條件的小動物神經行為學實驗室建設越來越引起更多神經科學工作者的廣泛關注,相信隨著腦計劃的深入開展,我國的小動物神經行為學實驗室設計和建設會越來越科學,越來越規(guī)范。