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学习记忆及认知功能

大小鼠行为学实验 | 八臂迷宫实验方法

实验简介

放射臂迷宫(RAM)是灵敏、可靠的工具,可用于多种物种(以大鼠、小鼠最为常用)的学习与记忆评估。由Olton等人继承了Hamilton、Tolman等人20世纪早-中期的多选择同时测试范式,开创了现代版本,并完成了大量基础工作,阐明放射臂迷宫准确表现所需要的神经与行为基础。

放射臂迷宫适配性强,利用啮齿类动物天生探索新环境、觅食的本能开展测试,动物无需专门预训练,从首次测试就会自发在迷宫中跑动。放射臂迷宫可评估认知的多个维度,多用于空间学习记忆检测,经改造后也可以检测非空间记忆,且能够在同一范式中简便地区分工作记忆与参考记忆。

放射臂迷宫任务的执行依赖完好的空间记忆能力,正常行为表现对海马损伤、自然衰老、多种药物处理均敏感。水迷宫任务同样依赖完好空间记忆,对衰老效应尤其敏感。相比于放射臂迷宫,水迷宫的优势在于大鼠无需禁食禁水,因为逃离水环境本身就可以提供很强动机。由于每一次试验大鼠都会主动去寻找平台,所以该范式不会出现漏做选择、无效尝试。


 

实验装置

迷宫宫体:八边形中央平台向外辐射八条臂,独立可控升降闸门分隔中央平台与各个臂,迷宫放置于存在大量远端视觉线索的房间。

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核心原理

基于动物的空间认知本能与两种记忆类型(工作记忆、参考记忆)的神经机制差异,通过 “辐射状空间结构 + 食物动机引导”,构建可量化的行为学范式,实现对动物空间学习记忆能力的精准评估,尤其聚焦于 “短期动态记忆” 与 “长期固定记忆” 的分离检测。


实验方法(大鼠)

(一)实验前准备

1.实验前控制进食,使动物体重降至训练前体重的85%-90%,训练与测试期间全程每日称量大鼠体重,监控健康状态以及禁食程度,训练测试阶段,允许大鼠每周体重回升约5g。

2.充分适应实验人员操作。

3.正式迷宫训练前数天,在饲养笼内给予食物奖赏,让动物在熟悉环境中适应奖赏。

4.将食物奖赏撒满迷宫全部区域,鼓励动物探索,随后将两只已经习惯抓取的大鼠(优先同笼伙伴)同时放置迷宫平台(双鼠共同暴露,加快动物对迷宫环境适应),适应过程一般1-2天。

5.后续几天,只在迷宫臂上放置食物,之后进一步只在臂末端放置食物。

6.最后单独将大鼠放至迷宫,食物仅放置在臂末端食物槽内。

7.直至大鼠不怕被实验人员抓取,单独放置迷宫上能主动探索,且不会大量排便排尿,才可以开始正式测试。

(二)正式实验(工作记忆范式)

1.每次试验开始,在每一条臂末端放置食物奖赏。

2.将大鼠放置中央平台,全部闸门落下关闭。

3.同时升起全部闸门;大鼠进入任意臂之后,关闭其余臂闸门。

4.等待大鼠取食完毕,回到中央平台。

5.关闭该臂闸门,将大鼠限制在中央平台固定时长(0  s至数分钟,间隔等待时间越长,任务难度越高,需要动物记住已经访问过的臂的时间越久)。

6.重复步骤35,直到全部食物被取走,或者到达预设最大时限。

(三)正式实验(可分离工作记忆/参考记忆范式)

1.按照“实验前准备”完成训练。

2.每次测试,仅选择4条臂投放食物奖赏。

3.对同一只大鼠,被奖赏的臂编号固定;不同动物之间设置不同奖赏臂,例如1号动物每次奖赏1、3、6、8臂;2号动物奖赏1、4、5、7臂。

4.大鼠放至迷宫,全部闸门升起,允许自由探索,取完全部食物奖赏。

5.将大鼠移出迷宫,间隔固定时长(1h1天),间隔越长任务难度越高。

6.再次为该大鼠设置对应的4条奖赏臂。(示例中1号动物:1、3、6、8臂)

7.重复步骤4。


行为指标

(一)工作记忆范式

1.总耗时:从试验开始到取完8份食物的总耗时。

2.正确选择次数:第一次访问某条臂。

3.错误选择次数:同一个试验内重复访问已经去过的臂;重新进入已经访问过的臂记为工作记忆错误。

4.正确率:正确选择数/总进入臂数。

5.错误率:错误选择数/总进入臂数。

6.当动物行为稳定,选择正确率>85%,可以开展药物、脑损伤干预实验;也可以在训练开始前给药/造模,观察对学习获得的影响;或者训练达标后干预,观察对已习得行为表现的影响。

(二)可分离工作记忆/参考记忆范式

1.进入奖赏臂(首次)次数;

2.进入从未投放食物奖赏的臂(参考记忆错误)

3.重复进入已经取过食的奖赏臂次数(工作记忆错误);

试验开始至取完全部奖赏总耗时。


优势和局限性

优势

1、压力较小:不需要利用厌恶刺激来测试空间学习,允许使用食物奖励作为任务动机

2、有助于重复测量以检测稳态参考和工作记忆缺陷

3、通过使用门来阻挡手臂来限制路线选择,可以限制特定策略的使用

4、分离评估工作记忆与参考记忆


局限

1、需要更多的训练并且更耗时

2、食物动机存在变量干扰



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