智能實驗動物運動訓練轉籠裝置的制作及應用

袁洪霞, 袁春風, 石國鳳, 閆 冰, 張真容, 劉小亮

(1.貴州中醫學大學 護理學院，貴陽 550002； 2.貴州航天智慧農業有限公司，貴陽 550000)

0 引 言

實驗動物是生命科學研究的基礎和條件，也是提升人類健康與優化人類生存條件的重要保障[1]，而運動則是促進健康的主要手段和方式，在運動過程中，動物可以產生積極的系統生物學效應，伴隨著運動生物科學的不斷發展，運動訓練在實驗動物研究中的應用越來越多[2]，主要從實驗動物的整體水平或局部器官和組織進行研究，為探索運動對生理和病理的作用，如研究運動與損傷神經的可塑、代謝、增強免疫功能和與預防心腦血管病等的實驗動物研究[3-4]。然而在動物運動實驗的研究過程中，如何規范運動方式以及在無外界刺激和弱刺激下如何驅使動物以保證動物按照理想程序要求進行運動是實驗動物研究者的一個難題，為此課題組成員在進行研究基于miR-206對BDNF的調控探討康復運動促進腦梗死大鼠運動功能重建的機制的實驗中結合參考國內外前人的一些資料的基礎上，自制了一種智能小型實驗動物運動訓練轉籠裝置，本文主要從轉籠的構造、應用方面進行簡單描述。

1 實驗動物常見運動裝置

通過參考前期關于實驗動物運動訓練的研究，實驗動物運動裝置主要包括平板跑臺運動(Treadmill running)，小鼠游泳運動(S,rinmling)，跑轉籠運動(Runningwh，wheel)，以及平衡桿行走訓練(beam-walking test)等，在研究過程中為使動物能進行持續運動或按研究程序運動，大部分運動方式需要食物的誘導及電刺激等對動物的傷害性較大的強迫刺激下驅使動物運動，以及需要人為輔助的驅動而進行運動[5-8]。姚璐等[9]對跑臺運動的研究中發現，跑臺通道的后壁安裝有刺激電極，過多的電刺激會引起調節生理上的變化，如腎上腺素升高。Ofira等[4]采用跑步機運動訓練對大鼠外周免疫調節的研究中，同樣在跑臺上安裝電刺激保證大鼠的持續運動。關于對實驗動物進行游泳運動方式的研究報道發現，實驗動物在進行游泳運動前需要適應該訓練方式以及水溫度，并且需要將水溫控制在一定的范圍以免造成不良反應，因為水溫是一個非常重要的因素，會影響到運動時的心率、氧耗、血乳酸濃度。并且有研究報道，大鼠游泳至力竭血乳酸水平非常高，可達 152 mg% ,可能與游泳方式不能浮出水面一段時間力竭的狀態有關[10-11]。周媛媛等[12-13]的研究采用的仍是手搖柄轉動滾筒式轉籠，手搖式轉籠難以保持勻速轉動，并且需要耗費大量的人力及時間。

2 智能實驗動物運動訓練轉籠裝置的結構與制作

智能轉籠裝置其結構主要由(見圖1)定時器、控制器、微電機減速器、轉籠及機架組成。

(1) 定時器。定時器是一種用來計時的裝置，在轉籠裝置上安裝定時器是當轉籠開始轉動時點擊開始按鈕并開始計時，達到設定的運動時間時自動報警，以便可以精確記錄動物運動時間。

圖1 轉籠的結構組成圖

(2) 控制器。控制器是控制電動機轉速和正反轉的裝置，主要由適配器、PWM脈寬調速器、KCD轉換器組成。在使用時，直接插入家用220 V交流電即可，PWM脈寬調速器可將電動機轉速控制在4～6 r/min范圍[13]，KCD轉換器實現減速器的轉向，可以使動物分別進行逆時針方向運動和順時針方向的運動。

(3) 微電機減速器。微電機減速器是轉籠的動力裝置，是由一個7.5 V的直流電動機，多級減速齒輪以及殼體組成，使用電壓遠低于人體安全電壓(36 V)，安全性高，具有低能耗，大扭力的特點，輸出額定轉速為6 r/min。

(4) 金屬網狀滾筒籠子。金屬網狀滾筒籠子是該裝置的主體部分，采用Q235的底面直徑為28 cm，高35 cm的圓柱狀桶，開口端使用透明亞克力板封閉，使跑籠框體形成封閉空間，框體兩端分別有一根緊固的轉動軸，安裝于機架兩端的軸承內。轉籠結構簡單，質量輕，框體的結構強度高，方便實驗者的觀察。

(5) 機架。由鋁型材組合而成，結構簡單，能快速組裝和拆卸，質量輕，結構穩固。

該裝置的金屬籠可以隨著實驗研究動物的體積和重量的不同需要從而更換籠子的大小和材質，其他原理不變，可以用于小動物如小鼠、倉鼠等的運動訓練，也可以用于中等大小的動物如大鼠、兔子等的運動訓練。跑籠通過驅動裝置帶動籠體轉動進而強迫籠體內的動物進行跑步鍛煉，跑籠設置轉速范圍以及定時器，解決了傳統轉籠不能有效的維持運動強度以及不易對運動速度、訓練時間的設定等一系列問題，設置的正反轉動有利于訓練實驗動物的應變能力和方向適應能力。該轉籠可作為研究實驗動物模型運動訓練裝置。

3 智能實驗動物運動訓練轉籠的應用

運動訓練：實驗動物用雄性SD大鼠，體質量為250～300 g，將大鼠置于金屬籠子中，轉動籠子觀察康復運動促進腦梗死大鼠運動功能重建研究，并采用改良線栓法制備局灶性腦缺血大鼠即腦梗死大鼠模型，評定該模型的神經功能變化主要采用的是改良Bederson標準進行神經功能評分[14]：0分-無神經功能缺失體征；1分-提尾時損傷對側前肢屈曲；2分-前肢屈曲及對側抵抗力下降；3分-向對側轉圈；4分-意識障礙；1～3分的為腦梗死模型，該模型通過智能轉籠裝置的電動驅動促進腦梗死大鼠的康復運動，第1天共跑10 min，以開口端為參照，逆時針、順時針分別轉動相同時間，隨后每天增加10 min，直至每天跑1 h，前5天轉速控制到4 r/min，第6～10天轉速設到5 r/min，之后轉速設到6 r/min，直至運動到21 d結束，通過循序漸進的運動從而促進腦梗死大鼠的神經功能的恢復，前后對比效果明顯。

(A.轉籠為逆時針方向轉動，大鼠按順時針方向跑動； B.轉籠從逆時針轉向順時針方向，大鼠正在進行適應性的變換方向； C.轉籠為順時針方向轉動，大鼠按逆時針方向跑動。)

圖2 轉籠轉動方向和大鼠跑動方向

4 結 語

本文是在為準確記錄實驗動物運動情況，降低因傳統手工轉籠帶來的數據誤差而研制一種通過電能轉化為機械能轉動的實驗動物被動訓練裝置。以圓柱形金屬篩網籠做主體部分，微電機減速器做動力裝置，控制器做控制電動機轉速和正反轉的裝置，定時器做記錄及固定運動時間的裝置。將大鼠置于轉籠裝置中并啟動，可觀察到大鼠能隨著轉籠的不同轉動方向和速度的變化而運動，不需要電刺激和食物誘導，根據電能的轉化使籠子轉動從而帶動動物的運動。該轉籠是通過驅動裝置帶動籠體轉動進而帶動籠體內的動物進行步行鍛煉，跑籠設置轉速范圍以及定時器，解決了傳統轉籠不能有效地維持運動強度以及不易對運動速度、訓練時間的設定等一系列問題；設置正反轉動有利于訓練實驗動物的應變能力和方向適應能力，能完整記錄實驗動物在轉籠中的被動運動情況，可作為研究實驗動物模型運動訓練裝置。