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              文章詳情

              什么是認知行為學?認知功能相關的動物實驗設備有哪些?

              日期:2021-09-17 17:35
              瀏覽次數:314
              摘要:什么是認知功行為學?認知功能相關的動物行為學實驗設備有哪些?此文詳細講述了近年來動物模型中常用的認知行為學分析方法進行總結,對評價內容、各個行為學實驗的優勢及局限性做簡要介紹,為認知功能障礙相關**模型的行為學分析提供參考。

              認知功能的行為學評估在相關病模型的生理機制研究、用物干預評估等實驗研究中應用廣泛。在眾多的行為學實驗中,評估學習記憶功能的實驗至為常見。本文就近年來動物模型中常用的認知行為學分析方法進行總結,對評價內容、各個行為學實驗的優勢及局限性做簡要介紹,為認知功能障礙相關病模型的行為學分析提供參考。


              認知是機體認識和獲取知識的過程,包括記憶、語言、視空間、計算、執行和理解判斷等方面。認知功能障礙是指大腦上等智能加工過程出現異常而導致的學習、記憶障礙,同時伴有失語、失用等改變的病理過程。 隨著人類壽命的不斷延長以及人口老齡化的到來,與認知功能障礙相關的神經退行性惡疾(如阿爾茨海默病、帕金森病等)患病率不斷升高,給家庭和社會經濟增加了沉重的負擔。 而其他非神經系統病引起的認知功能障礙,如糖尿病、高血壓等也嚴重影響患者的生活質量。研究認知功能障礙的病理機制對相關病的防治有著重要的意義。


              動物行為學評估在神經科學的多個領域應用廣泛,特別是在認知功能障礙相關病的動物模型評估、生理機制研究等方面發揮著重要的作用 。學習記憶力受損是認知功能障礙中較為常見的一種表現,在眾多的行為學實驗中,評估學習記憶功能的實驗至為常見。 其中工作記憶與參考記憶常用于實驗動物的認知功能評估。 工作記憶包括注意力、短時記憶和對信息的處理;參考記憶則被認為是一種長期的記憶或習慣,比工作記憶的容量更大、持續時間更長、抗干擾能力更強。


              Morris水迷宮(Morris Water Maze MWM


              Morris水迷宮由英國心理學家Morris1981年報道,是目前行為神經科學中至常用的評估方法之一,廣泛用于多種神經系統病的模型評估及用藥干預研究。 海馬是與空間學習記憶密切相關的大腦區域,MWM 也被證明是與海馬突觸可塑 性和 N?甲基??天冬氨酸(NMDA)受體功能密切相關的測試方法。

              實驗動物被放置在一個圓形水 池中,水中加入不透明的、無毒的白色顏料或奶粉, 水池中包含一個隱藏的逃生平臺。 實驗內容包括定位航行和空間探索。 定位航行是隨機的將動物從水迷宮的四個象限中放入,使其在水中游泳并找到逃生平臺,用視頻跟蹤軟件記錄動物尋找到隱藏平臺的時間(逃避潛伏期)及路徑??臻g探索是定位航行后撤去逃生平臺,觀察動物穿過原平臺位置 的次數和時間,考查動物對原平臺的記憶


              2 放射臂迷宮與放射臂水迷宮

              1)  放射臂迷宮(radial arm mazeRAM)(八臂迷宮)

              RAM 是 由 OltonSamuelson 1976年 報 道,由一個中央樞紐和周圍的放射臂組成,標準臂 的數量有 8 個(八臂迷宮)。 為避免動物逃跑,迷宮一般在地面上方。 在實驗前訓練動物并限制飲食,在迷 宮中央及周圍臂中放入食物使其自由攝取及探索周 圍環境。 實驗開始后在每個臂末端或隨機的 4個臂 末端放入誘餌(食物),記錄動物進入每個臂的次數、時 間及路線等參數。每個臂只進入一次為優異的表現, 進入之前訪問過的臂則被認為錯誤。

               2)放射臂水迷宮 ( radial arm water maze, RAWM

                  為了避免 RAM 中食欲以及嗅覺信息的影響, 利用 RAM 和 MWM 相結合建立了 RAWM。實驗 在一個圓形水池中進行,池中有一個開放的中心向 外輻射的八個臂或游泳路徑。 將其中一個臂作為 目標臂,臂中有一個隱藏在水下的逃生平臺。 動物 被隨機放入其余的 7個游泳臂中,允許至多120s 來找到逃生平臺,若未能逃脫則將其引導到逃生平臺。實驗數據用跟蹤軟件記錄,包括找到逃生 平臺的時間、錯誤的次數及時間等。 RAWM可用于測試工作記憶和參考記憶。 它 結合了復雜的空間環境,避免了嗅覺信息的干擾,無需食物剝奪。但一些動物在水中沒有進行有 效的搜索,且水中游泳存在壓力的影響


              .T迷宮及多重 T 迷宮

              1) T迷宮(T?maze)

              T 迷宮是由一個長的主干臂以及兩個垂直的短臂組成的型迷宮。 首先對動物進行適應性訓練 1 d,將其放入主干臂自由探索迷宮。 隨后 3 d 對動 物進行訓練,在其中一個短臂中放入誘餌(食物)作 為目標臂,動物進入目標臂為正確反應,反之為錯 誤反應,并記錄其進入目標臂的時間(潛伏期)。 至 后第 5 天和第 12 天進行探測實驗,將迷宮旋轉 180°,其余條件保持不變。 動物只允許進入一次誘 餌臂或非誘餌臂,進入誘餌臂被認為使用地方的 策略(有賴于迷宮外信號),進入非誘餌臂被認為使 用反應策略(不依賴迷宮外信號)。 T 迷宮自發交替試驗 ( spontaneous alternation test)用于評估空間工作記憶,實驗原理是嚙齒類動 物具有探索陌生刺激環境的傾向。 將動物放入 T 迷宮的主干臂,每次進入不同的短臂為一次交替, 記為一次正確的選擇,進入之前訪問的臂為一次錯 誤選擇。 試驗后計算交替次數的百分比,低于50% 被認為工作記憶受損

              2) 多重T迷宮(multiple??maze,MTM)

              MTM是幾個T迷宮組合成的復合迷宮,比 T 迷 宮多了更多的選擇,其復雜性也增加。 在實驗的多 次探索中,動物要學會一個復雜穩定的路線到達目 標臂,該過程需要空間參考記憶的參與。 在實驗中 對動物進行食物剝奪,并要求其在規定的時間內找 到迷宮中隱藏的誘餌(食物)。 實驗數據用計算機 跟蹤系統記錄,包括正確或錯誤決定、路徑長度、到 達目標箱的時間等,在不同時間進行測試可以評估 短期與長期記憶[19] 。 MTM 可用于測試工作記憶和參考記憶。 其運 用了更為復雜的選擇系統,每次試驗都包含有多個 選擇點。 但對實驗動物進行食物剝奪可能是一個 潛在的問題


              4 巴恩斯迷宮(Barnes maze)

               為了避免水迷宮中游泳壓力的影響,Barnes1979年建立了巴恩斯迷宮,是一個在地面上進 行的迷宮實驗。 實驗原理是嚙齒類動物具有避光 喜暗、逃避噪音的習性。 實驗由一個圓形平臺構 成,為防止動物逃脫,用支架將平臺支撐到一定高 度,在平臺周邊以一定間隔布滿穿透平臺的圓洞, 其中一個洞與其下方的暗箱連接(目標箱)。 實驗 前將動物放入平臺中央使其自由探索 5 min,用強光 或噪聲刺激動物使其逃到圓洞下方的暗箱中,若沒 有找到目標箱則將其引導進入箱內停留 1min。 實驗過程中用視頻跟蹤軟件進行記錄,記錄動物 找到正確洞口的時間(至多5min)、進入錯誤洞口 的時間及次數等。 巴恩斯迷宮適用于偏好黑暗環境的嚙齒類動 物,可以評估短期和長期記憶。 實驗時沒有游泳壓 力的影響,也不需要食物剝奪,尤其適用于小鼠。 但在實驗中小鼠有時會缺乏探索迷宮的動力,如發現目標箱后沒有進入、或在目標箱周圍而沒有進 入。 針對上述問題 Harrison 等提出采用計算原 始潛伏期、原始路徑及原始錯誤次數來解決。


              5 新物體識別( novel object recognition, NOR)

              實驗利用嚙齒類動物喜歡探索陌生事物的天性, Ennaceur 和 Delacour 于 1988年報道了新物體與新位置識別實驗,用于檢測嚙齒類動物的空間記憶能力。 將動物放置在一個裝置里使其探索兩個相同的物體,在規定的時間間隔之后再返回到裝置中,使其探索一個熟悉的物體和一個新的物體,記錄探索每一個物體的時間。 目前對 NOR 實驗對象的探索評分有視覺觀察 和計算機2D 視頻分析。但前者依賴于實驗者的觀察能力,后者容易受實驗以外對象行為的影響。為了克服上述問題,Jumpei 等人建立了一種3D計算機視頻分析系統運用于 NOR 實驗的探索評分,該系統為 NOR 實驗提供了一個可重復性和比較準確的評估方法,并首先建立了實驗對象探索線路的3D 軌跡。 NOR 實驗主要用于評估工作記憶、注意力以及焦慮等。其設備簡單,無需外部獎勵或懲罰作為動力,試驗時間短,也不需要進行食物剝奪。但NOR 實驗中每個動物的探索水平有時不一致.


              6 條件性恐懼(fear condition,FC)實驗

              FC是一種基于經典的巴甫洛夫條件反射而建 立起來的關聯學習方法,通過對實驗動物的訓練條件刺激與非條件刺激聯系起來。其中情景恐 懼實驗用于評估嚙齒類動物的恐懼學習記憶。凍結行為是動物在恐懼條件下常見的反應,是一種除了呼吸完全不動的狀態,該行為也是衡量恐懼相關 的學習記憶的指標。 在 FC實驗中,首先將動物放 入訓練裝置中使其適應環境;隨后進行 3 次恐懼環 境訓練,將動物暴露于一個和聽覺線索(條件刺激) 配對的足部電擊(非條件刺激)環境,使實驗動物在 聽覺線索與電擊之間、電擊與環境之間學會關聯記 憶;訓練完成 48 小時后將動物放入原訓練室,動物 產生情景恐懼記憶,通過表現出凍結行為來應對恐 懼環境。 記錄一定時間內動物出現凍結行為的次 數,實驗數據用相關公式計算為凍結百分比。FC 實驗的設備要求簡單,動物訓練時間少且不需要禁食。 但電擊刺激可能會對實驗動物產生一定傷害。


              7主動逃避任務與被動逃避任務

              1)  主動位置逃避任務( active place avoidance task)

              主動位置回避任務是由位置回避任務改進而成,用于評估嚙齒類動物的空間學習記憶。實驗在一個干燥光滑的可旋轉圓形舞臺上進行,周圍由有機玻璃包圍避免動物逃跑。圓形舞臺上有一個60°寬的避免區域,在舞臺旋轉時該區域位置保持不變,動物進入其中會有一個輕度的足部電擊懲罰。舞臺開始緩慢旋轉后,動物為逃避電擊而回避避免區域。實驗數據由視頻跟蹤系統記錄,包括進入避免區域的次數、回避所需的至大時間、首先進入避免區域的時間及路徑長度等。主動位置回避任務可用于評估動物的短期變 化,實驗數據可以快速采集,動物不需要食物剝奪。但足部電擊刺激可能會對動物身體產生傷害。 類似的主動回避任務還有穿梭箱回避、爬桿 法、跑道回避等。

              2)  抑制性逃避任務(inhibitory avoidance task)

                抑制性回避任務屬于被動回避任務,利用嚙齒 類動物偏愛黑暗環境的天性而建立,常 用于嚙齒類 動物學習和記憶的研究。 在進行實驗訓練時將動 物放入一個回避裝置,該裝置由一個暗隔間和一個 亮隔間組成,中間有門連接。 打開兩個隔室之間的門,當動物由亮隔間進入暗隔間時,遭遇一次足部 電擊。 在訓練后間隔24或48小時測量動物從亮隔間到之前受到電擊的暗隔間的時間(潛伏期),潛伏 期越長表示記憶越好。 抑制性回避任務只需要對動物進行短期訓練, 避免了記憶獲取與鞏固的重疊。 但厭惡刺激會對 動物產生一定傷害。類似的被動回避任務還有跳臺實驗、兩室實驗等。


                 隨著人口老齡化進程的到來,年齡相關的認知功能障礙已經成為神經科學研究的熱點。 為了更好的研究認知功能相關的病機理,選擇合適的行為學實驗研究方法是有必要的。 動物模型的認知功能評估可以為相關病的研究提供重要的依據。 但也有其局限性,人類的認知功能是一個復雜的腦部神經活動過程,動物的行為學測試內容不完全類似于人類的認知,還有許多認知功能是人類獨有的或不能在實驗模型中充分表現出來的(例如語 言或數學)。 在實驗中,僅通過動物的表現無法精 確評估學習和記憶的相關信息,因為實驗對象可能受其他與認知能力不相關的信息的干擾,比如感覺 運動功能、焦慮及活動的應激反應等。 而每種行為 學實驗的側重點與使用條件不一樣,具體應用時要 根據不同的需求進行選擇。 必要時結合多種行為 學方法進行綜合分析,并與組織病理學、影像學及神經電生理技術等結合,為認知功能障礙相關病的研究提供科學可靠的依據。


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