一种用于检测啮齿类动物多认知功能及记录神经元活动的全自动化且高度多功能的系统

摘要

本报告中，我们介绍一种完全自动化且高度多功能的系统，该系统能够同时检测啮齿类动物的多种认知行为并记录其神经元活动。

摘要

我们开发了一套完全自动化的系统，可用于操作性行为测试和神经活动记录，从而在单一任务序列中研究多种认知脑功能。该系统的独特之处在于其定制的声学透明腔室，可消除大多数商用腔室在听觉提示控制方面存在的诸多问题。操作装置可轻松添加或更换，使该系统具有很高的灵活性，能够实现多种听觉、视觉和嗅觉行为任务。系统的自动化设计实现了对预设行为序列中每个事件的精细时间（10 ms）控制和精确时间标记。当与多通道电生理记录系统结合使用时，可依次或独立地检测动机、注意力、决策、耐心和奖赏等多种认知脑功能。

方案

系统概述

该系统包含三个主要组成部分：（1）双层墙壁的隔音室（Industrial Acoustical Company，美国纽约布朗克斯）；（2）多通道电生理记录系统（Neuralynx，美国蒙大拿州博兹曼）；（3）来自Med Associates Inc.公司（美国佛蒙特州圣奥尔本斯）的完全自动化的定制化行为学测试系统。

如图1A所示，操作箱位于隔音室内。在操作箱上方安装有一个换向器（型号SL-36，Dragonfly Research and Development, Inc.，Ridgeley，West Virginia），用于连接前置放大器与电生理记录系统（图1A-a），以及一个用于监测和记录动物行为的视频摄像机（图1A-b）。

定制设计的操作箱

定制设计的声学透明操作箱（图1A-d）包含三个声学透明的侧壁和一个模块化操作面板（图1B）。三个扬声器（Cage Tweeter, ENV_224BM, Med Associates）安装在中间面板及两个侧板的顶部，用于发出听觉提示。听觉提示由经过校准的可编程音频发生器（ANL-926）生成。一个刺激灯（ENV_221M）和两个三刺激LED显示器（ENV_222M）分别位于中间面板和侧板上。这些刺激灯可用于听觉-视觉多感官行为测试。在中间面板底部安装有一个带三种颜色LED灯的鼻触装置（ENV_114M）。鼻触单元内部装有红外探测器，用于检测鼻触动作及保持时间。鼻触装置内的LED灯可用于训练动物将鼻子保持在孔洞内。操作面板两侧各安装有一个可移动的反应杠杆（ENV_112CM）。这些杠杆的可移动性使得可以灵活控制其存在与否，从而有效用于初始任务训练以及大脑多种重要认知功能的研究（见下文）。在操作箱底部安装有四对由四通道红外控制器（ENV_253）控制的红外光源与探测器（EVN_253SD），用于指示动物的位置，并根据动物位置控制其他设备（图1A-e）。两个带有内置红外警戒装置的颗粒分配器（ENV_203M-45IR）用于将奖励颗粒送入颗粒接收槽（图1A-c）。红外警戒装置用于监测颗粒分配器的故障并发出警告信号。

系统配置

系统连接和硬件组件的概览如图所示 图2功能上，系统包含两个并行且相互交互的子系统：一个用于行为训练，另一个用于电生理记录。这两个子系统通过 MED-PC IV 软件平台（SOF-735）实现同步。计算机向行为学设备发送指令，并向神经记录系统发送 TTL 脉冲（信号流向由红色箭头指示） 图2），并接收由动物反应和神经活动所产生的信号（信号流分别以绿色箭头和蓝色箭头表示） 图2）。这些平行且交互的系统能够同步记录行为与神经元活动数据，并可根据神经活动来调控动物的行为，或 反之亦然.

行为训练子系统 SmartCtrl 连接面板（SG-716B）作为双向通信面板：即将控制信号（图2中的红色箭头）从计算机发送至行为设备（红色框内列出），并将动物的反应信号（图2中的绿色箭头）传回计算机。四通道红外控制器（ENV_253）的输出也接入该连接面板。接口卡（SmartCtrl 接口卡，DIG-716B）和解码卡（DIG-700F）将来自连接面板的信号传递至安装在计算机中的 PCI 卡（DIG-704PCI）。听觉提示由刺激发生器（ANL-926）生成，该发生器也通过解码卡（DIG-700F）由 MED-PC IV 软件控制。如图2所示，所有接口卡均安装在一个台式接口机柜（SG-6080D）中。该机柜还为所有行为设备提供电源。

电生理记录子系统 计算机接收到的动物反应信号会通过SuperPort TTL卡（DIG-726）和Cheetah数字接口箱（Neuralynx，Bozeman，MT）即时发送至神经记录系统（图2）。这些行为事件会与神经活动同步进行时间戳记和记录。Neuralynx记录系统在线检测到的神经脉冲可作为输入信号，用于行为控制子系统，以操控或干扰动物行为。反之，当结合电刺激或光遗传学刺激技术时，动物的反应信号也可用作操控或干扰神经元活动的触发信号。这些方法对于阐明神经元活动与行为之间的因果关系具有重要价值。

编程与数据处理 行为控制程序使用 Trans IV 软件（Thomas A. Tatham 和 MED Associates）编写，并通过 Pascal 编译器进行编译。通过将 Trans IV 程序加载到 MED-PC IV 软件中，实现各个训练步骤的自动化。在 MED-PC IV 软件运行期间，训练人员还可以在线调整训练参数。Trans IV 代码必须针对系统配置和行为任务进行专门设计。然而，标准的训练程序可从 MED Associates 免费获取，并可根据各个实验室的具体需求进行修改。我们实验装置中所使用的训练程序也可应要求免费提供。

行为数据由 MED-PC IV 软件自动保存。可使用 MED-PC To Excel 程序（MPC2XL，Thomas A. Tatham 和 MED Associates）将保存的数据转换为 Microsoft Excel 文件。转换后的 Excel 文件可导入 MATLAB 环境（MathWorks，Natick，MA）进行分析。同时，使用 Cheetah 软件（Cheetah 5，Neuralynx，Bozeman，MT）记录的神经数据及行为事件时间戳也可导入 MATLAB 进行分析。

培训

为了说明该系统的操作，本文描述了一种双选式音高辨别任务，旨在检测大鼠的频率辨别阈值。图3展示了该任务的示意图。

1. 预训练

1. 从约60日龄的未处理成年雄性Sprague-Dawley大鼠开始。
2. 训练前，限制食物摄入量，直至动物体重降至基础值的约90% libidum 重量

2. 笼具适应

1. 为准备适应性训练的实验舱，需先将杠杆收回，并用橡胶塞（可采用60 mL注射器的活塞制成）堵住鼻触孔，以防止动物激活鼻触装置。
2. 在每个食丸接收器（食杯）中放置约20粒全营养食丸（45 mg，产品编号 F0021，BioServ，Frenchtown，NJ）。
3. 将一只未经训练的动物放入实验舱中进行适应。大鼠很快会开始探索食杯并取食食丸。
4. 当两个食杯中的食丸均被吃完后，通过软件控制向每个食杯中各释放一粒食丸。通过此操作，大鼠将学会将食物与食杯关联起来。
5. 通过随机向两个食杯中释放食丸，迫使大鼠在实验舱的两侧之间移动。通常一次30分钟的训练即可建立食杯关联。在一次30分钟的训练中，大鼠通常可获得200–300粒食丸，足以维持其体重稳定在基线水平的约90%。

3. 杠杆按压训练

1. 在新的实验阶段，将两个杠杆伸入实验舱内，并保持食杯为空。
2. 随后，将一只已适应环境的大鼠放入实验舱内。当动物接近任一杠杆时，通过 Med-PC IV 软件手动释放一粒食丸。当大鼠对杠杆表现出兴趣（如嗅闻、触碰或攀爬）时，也应给予奖励。程序应自动在杠杆被意外按压时触发一次奖励。
3. 为促进杠杆按压行为并促使动物探索两个杠杆，允许动物连续按压每个杠杆有限次数。达到次数限制后，收回该杠杆。当两个杠杆均被收回后，再次将其伸出，以重复该过程。
4. 逐步减少按压次数限制，直至每次按压杠杆即导致其立即收回。通常经过一至两次、每次30分钟的训练，即可建立按压杠杆与食物奖励之间的关联。

4. 鼻触训练

1. 在新的实验阶段，收回杠杆，并从鼻触孔中移除橡胶塞。在鼻触孔内放置若干食丸，以激发大鼠探索鼻触装置的兴趣。
2. 将动物重新放入实验箱中。当大鼠用鼻部嗅探鼻触孔以获取食丸时，随机伸出两个杠杆中的一个。
3. 大鼠看到伸出的杠杆后，会靠近并按压杠杆以获得一颗食丸。在杠杆被按压且奖励被释放后，收回杠杆，以促使大鼠继续探索鼻触装置。大鼠通常需要约 20 至 30 分钟来学会任务序列：鼻触→杠杆伸出→按压杠杆→获得奖励。

5. 线索训练

1. 在新的实验阶段，鼻触事件发生后短暂延迟（100 至 250 毫秒）播放听觉提示。每次听觉提示呈现后，短暂伸出左右两侧杠杆（100 毫秒）。
2. 仅当大鼠推动由听觉提示所指示的杠杆时给予奖励。动物将逐渐学会将特定的听觉提示与某一侧杠杆关联起来。随后，动物可自由开始新一轮试验，其顺序为：鼻触 → 提示 → 推杆 → 奖励/无奖励（图 3）。由于初期学习阶段错误率较高，每次训练结束后应补充食物以维持其体重。
3. 在接下来的数次 30 分钟训练阶段中，让大鼠练习这一新习得的任务，直至达到稳定的表现水平（典型的习得曲线参见图 3A）。一旦任务掌握，大鼠在每次 30 分钟的训练中可获得约 200 - 300 颗食丸，足以维持其体重。

6. 代表性结果

按照上述方案，我们训练大鼠识别两种不同的纯音脉冲序列模式，每种序列包含六个音调脉冲，分别为相同频率（F,F,F,F,F,F）或不同频率（F, F-ΔF, F, F-ΔF, F, F-ΔF）^1-5。每个音调脉冲持续时间为 200 ms，脉冲间隔为 400 ms。在本研究中，F 设定为 10 kHz，ΔF 的取值范围为 F 的 1% 至 50%（图3，顶部）。通常在训练阶段将 ΔF 设为相对较大的值：5 kHz、4 kHz、3 kHz、2 kHz 和 1 kHz，以促进训练进程。在单次实验中，不同 ΔF 值的纯音脉冲序列以随机顺序呈现。

双选择音高辨别任务如图3所示。训练大鼠将鼻部伸入鼻孔（图1B 和 图3，底部）以启动一次试验。鼻部伸入会触发听觉提示信号的播放。大鼠在识别提示信号后，需跑向实验舱的正确一侧，接近杠杆，等待杠杆伸入实验舱内，并在规定的时间窗口内（杠杆激活时间，1至2秒）按压杠杆以获得奖励（图3）。对每个ΔF值，命中率通过该ΔF值下的命中试验次数除以总试验次数计算得出。采用75%命中率作为标准，以判断大鼠已学会该任务。一只典型大鼠的学习曲线如图4A所示。每条彩色线条表示具有不同ΔF的脉冲序列的学习进程（ΔF0代表恒定脉冲序列）。平均而言，从听觉提示呈现的第一阶段（第5步提示训练）开始，大约需要七次训练即可达到75%命中率的标准。

该系统还可对动物执行实验设计任务时的行为进行定量表征。图4 B - D展示了动物行为研究中广泛使用的三项测量指标。反应时间主要反映动物对任务的注意力，定义为听觉提示开始至推杆动作之间的时间间隔。实验间间隔反映动物参与任务的投入程度，即动物主动发起每次试验且在错误试验中未受到超时惩罚的情况，其数据绘于图4C。单次实验过程中表现的时间变化，反映动物整体表现的动态模式以及可能在单次实验内发生的表现提升或适应过程，其数据绘于图4D。每次实验被分为早期、中期和晚期三个阶段（每个阶段10分钟），该测量指标使用了各阶段累积获得的奖励次数。

通过记录动物执行任务时的神经活动，该系统还可用于研究多种认知行为的神经基础（图5A，参见讨论部分）。图5B和C展示了大鼠脑内基底核（NB）和腹侧被盖区（VTA）神经活动同步记录的示例。神经元的放电活动被精确标注时间戳，以关联到试验中的各个事件（如鼻触、压杆、听觉提示呈现与识别，以及实际获得奖励），并结合这些行为任务事件进行分析。利用该系统进行行为与神经活动联合记录的研究结果，将有助于阐明多种认知行为的神经机制。

图 1. 系统的主要组成部分（A）以及自制听觉工具性条件反射舱的示意图（B）。A. 工具性条件反射舱位于双层隔音室内。房间墙壁上安装有消声泡沫楔形结构，以消除声音的散射和反射。a： 用于将导线连接至神经活动记录系统的换向器；b： 用于监测和记录动物行为的摄像机；c： 食物颗粒分配器；d： 工具性条件反射舱；e： 红外接收器。B. 工具性条件反射舱由三个声学透明壁和一个模块化操作面板组成。详见正文中的详细描述。

图 2. 系统的示意图概览。该系统由两个子系统组成：行为训练系统和神经活动记录系统。这两个子系统通过 TTL 脉冲进行交互式通信（详见系统配置）。红色箭头表示由计算机发出的命令和/或行为事件；绿色箭头表示动物反应信号反馈至计算机；蓝色箭头表示由 Neuralynx 记录系统在线检测到的神经尖峰事件的信号输入。

图 3. 双选择频率辨别任务。上图，显示基本任务序列的框图。下图，主要行为动作的示意图。绿色箭头表示任务的顺序流程。

图 4. 二选一频率辨别任务的代表性结果。A. 学习曲线：每条彩色线代表一只大鼠对每种频率变化（ΔFs）辨别能力的学习进程。深色线代表频率变化的平均学习曲线。B. 反应时间分布，以从线索开始到压杆之间的时间间隔来测量。C. 试次间间隔分布。D. 单次会话内表现的时间动态，通过会话早期、中期和晚期所获得的累积奖励来衡量。B - D 中的所有数据均取自大鼠表现达到 75% 正确率以上的最后阶段。

图5. 可利用该系统研究的认知行为与脑功能示例。A. 认知行为。顶部图注描述了一次试验序列中的各个动作，底部图注标明了可研究的认知行为。请注意，除d图中杠杆正在伸入箱体外，其余各图中两个杠杆均已被拉出。B. 大鼠执行双选择听觉任务时，记录自基底核（NB）单个神经元的放电模式。上图，各次试验中神经元放电的点阵图（Raster plot）。每个彩色矩形代表一次细胞放电，颜色编码表示放电频率。下图，放电频率的事件相关直方图。注意在行为动作前（在零微秒时间点推压杠杆，以红色虚线表示）放电逐渐增强，动作之后放电则逐渐消散。C. 大鼠执行双选择听觉任务时，记录自腹侧被盖区（VTA）单个神经元的放电模式。上图，每次试验中单个VTA神经元放电的点阵图。每个彩色矩形代表VTA神经元的一次放电，其放电频率由颜色编码表示。下图，点阵图所示放电频率的事件相关直方图。注意在推压杠杆动作发生前（零微秒时间点，以红色垂直虚线表示）神经元稀疏放电，而在大鼠获取奖励期间则出现强烈放电。在这两个行为之间，该神经元的活动几乎完全静默。实验中使用植入大鼠脑内的钨合金立体电极，同步记录NB与VTA区域的神经活动。离线采用SpikeSort 3D软件（Neuralynx, Bozeman, MT）进行峰电位分类。

讨论

设计任何听觉行为实验任务时，一个关键方面是消除测试环境中因散射和反射而产生的无关声音。不良的声音控制可能对所测试的行为产生显著影响，并导致误导性甚至无法解释的结果。本系统所采用的行为学实验舱经过专门设计，具有声学透明性，以避免声音从舱壁发生反射。事实上，从实验舱中心位置测量时，声音反射几乎无法检测到（数据未显示）。

尽管我们开发该系统主要是用于听觉系统的研究，但其他研究人员可轻松将其改造用于研究其他感觉系统。研究人员可在不改变系统整体配置的情况下，针对不同实验任务对软件和硬件进行便捷的修改。模块化的操作面板使系统具有极强的通用性，允许添加和/或替换不同设备以适应新的行为学任务。例如，可通过向鼻触式装置递送嗅觉刺激来实施嗅觉行为学任务。MED Associates 公司生产的带嗅觉刺激的五孔发光鼻触墙（ENV-115A-OF）可轻松安装在操作面板上，用于复杂的嗅觉任务。此外，所有操作箱设备均可在不改变系统配置的前提下，便捷地替换为专为小鼠设计的设备。

对每个操作装置进行精确的时间控制，以及对特定试验中单个事件进行高分辨率记录，能够准确调控装置，从而根据不同的认知脑功能研究需求，定制化设计行为任务（见下文）。当该系统与神经元活动记录技术相结合时，可用来研究神经科学领域的多种丰富问题。例如，在上述描述的听觉任务中，可在单次试验中探究以下与脑认知功能相关的问题：

（1）动机评估：由于每次试验均由动物“自我驱动”的探鼻动作启动（图5A-a和图3），因此可通过测量动物在单次实验中完成的总试验次数，或连续完成的试验次数来定量评估其动机程度^6,7。

（2）注意：在一次试验中获得奖励的关键是正确识别听觉线索。在约25%无法被训练完成该任务的大鼠中，未能关注听觉线索是主要因素。相比之下，在成功学会该任务的大鼠中，听觉线索呈现期间可明显观察到行为上的短暂暂停（见图5A-b和图3）。因此，利用该系统可以：（i）筛选具有“注意力缺陷”的大鼠；（ii）在动物关注听觉线索的同时结合神经元记录，研究注意力的神经机制^8-10。

（3）决策：动物在识别听觉线索后，必须在有限的时间窗口内决定转向哪个方向以接近正确的杠杆（图5A-c）。因此，该任务也是一种研究决策过程的有效范式^11,12。

（4）耐心：可通过控制杠杆伸出的时机，使动物在到达杠杆即将伸出的位置后必须等待一段时间（图5A-d）。通过改变等待时间的长短，可对动物的耐心程度进行测试并加以量化¹³。

（5）奖励：该任务的最终目标是获得奖励（图5A-e 和 图3）。因此，利用该系统可轻松设计行为学任务，用于研究与奖励决策相关问题的多个方面以及大脑价值系统的功能^14-17。