窥探社会互动的动态：大鼠玩耍打斗行为的测量

摘要

大鼠的打闹游戏包括对颈部后部的攻击与防御，当接触该部位时，会用鼻部轻轻摩擦。由于一只动物的动作会受到其伙伴相应行为的回应，打闹游戏成为一种复杂且动态的互动行为。这种动态复杂性为实验研究中的行为评分带来了方法学上的难题。我们提出了一种评分方案，能够敏感地反映动物行为之间的相关性。两个实验表明，即使实验处理对总体玩耍水平没有影响，该方案仍可用于检测脑损伤对打闹游戏行为的影响。也就是说，本文所提出的评分方案旨在检测和评估实验干预后打闹行为内容的变化。

摘要

大鼠的嬉戏打斗包括对颈部后部的攻击与防御，当该部位受到接触时，会用鼻部轻轻摩擦。由于一只动物的动作会受到其伙伴行为的回应，嬉戏打斗是一种复杂且动态的互动过程。这种动态复杂性为实验研究中的行为评分带来了方法学上的难题。我们提出了一种评分方案，能够敏感地反映行为之间的相关性。嬉戏打斗的频率可以通过单位时间内发生的嬉戏性颈部后部攻击次数来测量。然而，由于嬉戏性防御只能作为攻击的回应而发生，因此它本质上是一种依存性指标，最好以百分比形式表示（防御成功的攻击次数 / 总攻击次数 × 100%）。针对特定攻击所采用的防御方式可能涉及多种策略，而这些策略的发生又以前述防御行为的发生为前提；因此，防御类型的表达也应以百分比形式进行依存性描述。两项实验表明，即使在总体嬉戏水平未受影响的情况下，这些测量方法仍可用于检测脑损伤对嬉戏打斗行为的影响。也就是说，本文提出的评分方案旨在检测和评估实验处理后嬉戏行为内容的变化。

引言

大鼠是实验室中研究游戏行为最常使用的动物^{10, 21, 41}，已有多种尝试开发评分方案，以测量实验处理对游戏性打斗行为的影响^{8, 9, 37, 38, 39}。然而，尽管这些方案在监测游戏的频率方面取得了一定成效，但由于缺乏对互动动态的敏感性，它们在监测游戏内容变化方面适用性较差¹³。主要问题在于，在打斗过程中，一方个体所采用的策略往往依赖于另一方个体特定策略的执行情况^{2, 15}。我们开发了一种评分方案，能够将互动的动态特性纳入考量，因而更适用于检测和表征实验干预下游戏行为中发生的细微变化^{16, 20, 26}。本文中，我们重点关注在 playful 攻击中，受攻击方所表现出的防御性策略的测量。

在激烈打斗过程中，动物会使用物种典型的武器系统，攻击和防御特定的身体部位⁵。在大鼠中，主要武器是牙齿，用于啃咬对方的体侧和下背部²。这种激烈的打斗行为在“居民-入侵者”情境中很容易观察到，即把一只陌生的成年雄性大鼠引入另一只作为居民的成年雄性大鼠的笼子中^{2, 15}。与激烈打斗类似，在玩耍性打斗中，动物也会相互竞争以获得某种优势¹。例如，大鼠会攻击和防御颈部背侧区域¹⁵，当该部位被接触时，通常会用吻部轻轻触蹭^{11, 32}。因此，不仅可以通过身体互动的方式（触蹭 vs. 啃咬），还可以通过被攻击的身体部位（颈背 vs. 体侧和下背部）来区分玩耍性攻击和攻击性攻击。此外，这种玩耍性的触蹭不应与社会性探究或异体理毛行为相混淆。社会性探究包括嗅闻同伴，最常见的是面部和肛殖区。由于这些行为常与玩耍行为同时出现，因而可能被视为玩耍互动的一部分，但已有研究表明，这些社会性互动通常发生在玩耍行为之前。此外，参与社会性探究的动机变化与玩耍行为的相应变化相互独立⁹。异体理毛与玩耍行为之间存在多个可区分的特征²⁰。第一，异体理毛通常发生在大鼠经历较长时间的玩耍后挤在一起时。第二，虽然玩耍性攻击主要集中在颈背部，但异体理毛可能涉及对同伴身体多个部位的接触，尽管有时也集中在颈背。第三，这种理毛行为包括用牙齿轻咬和拉扯同伴的毛发。第四，与异体理毛不同，大多数针对颈背的玩耍性攻击会受到接受方的防御，从而引发一系列复杂的摔跤动作。

本文的主要目的是展示在可能包含摔跤行为的复杂游戏序列中，哪些内容可以有效地进行测量。如下所示，防御方为保护其颈背部所采用的各种策略会导致不同的可能结果。这些结果，例如地面摔跤、拳击或追逐，在某些研究中曾被作为独立的行为模式进行测量；但我们发现，在大多数情况下，这些结果取决于颈背攻击的接受者所采用的防御策略¹⁵。例如，回避性策略通常导致追逐行为，而翻滚至背部朝下的姿势则导致摔跤。因此，基于结果的测量指标（如拳击和摔跤）实际上是由双方参与者的行为共同构成的复合结果。通过采用动态分析方法，我们的框架提供了一种评分手段，用于记录互动过程中仅可归因于其中一方参与者行为的时刻²⁸；当读者看到该测量框架具体应用的示例后，这一方法将更加清晰明了。

如图1所示，左侧的大鼠从后方接近另一只大鼠（a），随后扑向其颈部背侧（b）。然而，在接触发生之前，被攻击者围绕其身体的长轴旋转（c），转而面向攻击者（d）。当攻击者向前移动时，防御者被推至侧卧位（e），但随着攻击者继续扑向其颈部，防御者随即翻转为仰卧姿势（f–h）。处于仰卧位的防御者随即向同伴的颈部发起攻击（i），但被同伴的后肢挡住（j, k）。在上方的大鼠再次试图接近同伴颈部时，仰卧的大鼠用其后肢将其蹬开（l, m），从而使原先的防御者得以重新站稳（n），并向前猛扑攻击同伴的颈部（o）。

图1. 图示一对幼年雄性大鼠在嬉戏打斗中相互攻击和防御颈背部。引自Pellis & Pellis¹⁵；经John Wiley & Sons许可转载。

方案

1. 仪器设备与房间设置

1. 玩耍箱装置是一个透明的聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas）箱，尺寸为 50 cm × 50 cm × 50 cm，底部铺有 1–2 cm 厚的标准玉米芯垫料。
2. 所有录像均在黑暗环境中使用手持摄像机在夜摄模式下进行。
3. 摄像机安装在三脚架上，以 45° 角向下对准玩耍箱。拍摄画面中必须完整显示箱体的四个角，以确保装置的全貌可见。

2. 方法

1. 动物在出生后第21至23天断奶。根据实验设计，可将动物按所需的雄性和雌性组合，以每组2-4只的方式共同饲养。
2. 玩耍测试在动物的光照周期内进行，尽管测试在暗室中开展。在动物进入之前，测试房间必须保持黑暗状态。
3. 共同饲养的动物组在测试前需连续进行三个30分钟的习惯化阶段，顺序与正式测试时相同（见2.5）。
4. 完成习惯化后，在测试前24小时将配对动物单独隔离，以最大化其玩耍行为的表达（见2.5）。
5. 将动物转移至黑暗的测试室，随后单独放入玩耍装置中，以配对形式进行10分钟的测试。测试结束后将动物取出，并放回其原有饲养笼中共同饲养。
6. 每次玩耍测试结束后，弃去垫料，并使用消毒剂Virkon（或其等效产品）对玩耍装置进行彻底清洁。该试剂能更有效地去除前一对大鼠留下的气味，且不会像酒精擦拭物或喷雾那样残留强烈且持久的气味。也可使用覆盖性喷雾以掩盖受试动物可能留下的气味。随后添加新的垫料。
7. 对后续试验重复执行步骤（2.4–2.6）。

3. 行为分析：评估游戏内容

首先，大鼠在激烈打斗和嬉戏打斗中争夺的特定身体部位不同，这使得该物种在研究玩耍行为方面具有特别重要的科研价值，因为从嬉戏性打斗向激烈性打斗的升级可以通过攻击目标部位的转变明确识别³⁵。其次，可以量化个体对同伴颈背部发起攻击的次数。第三，鉴于防御行为依赖于攻击的发生，可通过计算被攻击个体成功防御的攻击所占比例，来衡量其相对防御能力。第四，当防御颈背部攻击时，被攻击个体可采用多种策略之一，以保护或摆脱对方鼻部对其颈背部的接触^{15, 25, 26}。这些策略可分为两大主要类别。

1. 在逃避行为中，防御者可以行走、奔跑、跳跃或闪避（图2a），通过这种方式不仅使其颈部远离攻击者，而且最终使身体朝向背离攻击者的方向（逃避防御视频）。
2. 在正面对抗防御中，防御者转向面对攻击者，从而不仅将颈部撤出攻击范围，还将自身的牙齿置于颈部与攻击者吻部之间。正面对抗防御可分为两大类：围绕身体纵轴的旋转，以及围绕垂直轴在水平方向上的旋转（通常发生在臀部与体中段之间，尽管该位置可能因性别而异²⁷）。此外，围绕身体纵轴的旋转可表现为两种形式之一。

1. 完全旋转是指大鼠从直立位置翻转至完全仰卧状态（图2B）。部分旋转是指大鼠仅转动其前躯，而一个或两个后爪仍与地面接触（图2C，视频展示完全旋转与部分旋转之间的差异）。

图2. 显示了61日龄雄性大鼠对嬉戏性颈背攻击的三种防御类型（A-C）。A. 逃避。在攻击者扑向颈背部位后（a, b），防御者迅速偏离攻击者（c）。B. 完全翻转。来自后方的颈背接触（a）导致防御者发生旋转（b, c），直至仰卧，并用伸展的前爪阻挡攻击者（d）。C. 部分翻转。攻击者从侧面扑向同伴的颈背（a, b），防御者随即转动头部、颈部和肩部，使颈背部位脱离攻击者的鼻部，同时后肢仍保持地面支撑（c）。引自Pellis et al. ²⁶；经瑞士巴塞尔S. Karger AG出版社许可转载。

2. 围绕垂直轴的水平旋转要求防御者将其臀部移离攻击者，同时将头部朝向其同伴移动（图3，水平旋转视频）。
3. 在围绕其垂直轴或部分围绕其纵轴立即旋转之后，防御者可随后后仰并推顶其同伴，表明采用这两种策略时的结果可能相似。当考虑完整旋转与部分旋转时，将策略与结果混淆可能更加明显。当防御者执行完整旋转时，动作迅速而流畅——若以标准30帧/秒的视频录制，完全转为仰卧位仅需2-3帧，且运动连续不断（视频）。
4. 部分旋转也可能最终达到完全仰卧位，但这通常涉及攻击者的协同动作。在此情况下，防御者可部分旋转其前躯并保持身体水平甚至接触地面，但攻击者随后可将其体重压在防御者身上。随着攻击者持续施压并伸手抓向其颈背，防御者会逐渐进一步旋转，直至完全仰卧。这种“被迫”仰卧以顿挫方式发生，身体呈逐步递进式旋转，所需时间明显超过3个视频帧（显示部分旋转导致防御者转为仰卧位的视频）。

鉴于大多数研究关注的是特定操作对受试者的影响，最好对受试者尝试采用的策略进行评分，而不是对其最终结果进行评分，因为最终结果可能受到其同伴行为的制约。这一判断可通过观察防守方在防守动作开始后的前2-3帧内的动作来做出（视频突出显示前2-3帧，逐帧展示）。

3. 当一只大鼠的鼻部接触其同伴颈部背侧，或接近至1-2 cm范围内时，可记录到嬉戏性攻击行为（视频展示嬉戏性攻击与靠近同伴大鼠时的非嬉戏性运动）。

1. 如上所述，受体的防御策略可在攻击发生后的最初几个帧中进行分类。新的序列始于一次新的攻击（显示延长的嬉戏阶段与独立的嬉戏攻击相比的视频）。
2. 在如图1所示的延长嬉戏摔跤过程中，大鼠在成功防御后可能会发起反击，但这类攻击更难评分，尤其是针对同伴的防御反应进行评分时尤为困难。由于反击行为与发起攻击的频率高度相关¹⁶，除非有充分理由，否则无需对互动中这些更复杂的阶段进行评分²³。对发起攻击及其防御策略的评分已足以反映不同实验条件下大鼠在嬉戏性和防御行为方面的相对差异^{26, 29}。

图3. 面向防御包括防御者在水平面内以垂直轴为中心，通过后肢旋转身体以正面对抗攻击者（a，b）。在此姿势下，防御者可保护其颈背部免受攻击（c），并发起反击（d）。引自 Pellis et al.²⁵；经美国心理学会（APA）许可改编并重印。

由于大多数嬉戏互动都始于嬉戏性攻击，因此可以在测试时段内测量此类攻击的绝对次数。在我们的研究中，理想的测试时长为经过24小时社会隔离后的10分钟^{15, 16}。短暂的社会隔离会增强动物参与社会性嬉戏的动机，但不会对其他社会行为（如社会探究）产生类似影响⁹。尽管任何形式的隔离都会产生这种效应，但隔离对嬉戏行为的影响在约24小时后趋于稳定²⁷。虽然5分钟的测试时长足以检测由隔离引起的变化，但由于天花板效应，该时长不足以检测细微差异（例如性别之间的差异）——在此例中，雄性更倾向于嬉戏的行为主要在前5分钟之后才显现出来。即便如此，到15分钟时，动物因剧烈嬉戏而表现出疲劳迹象，因此10分钟的测试时长在实验效率与检测实验效应能力之间达到了良好平衡^{15, 16, 27}。无论在大鼠日常周期的光照期还是黑暗期进行测试，我们的经验表明，若在红光下而非白光下测试，嬉戏行为量会增加^{15, 16}。随着具备夜摄功能的摄像机的出现，可在黑暗环境中进行录像，这也进一步增加了测试时段内的嬉戏行为量²⁹。

4. 由于防御行为的发生依赖于攻击事件的出现，因此防御性应以引发防御的攻击所占的比例来评分。同样，由于特定类型的防御行为依赖于防御事件的发生，因此对防御类型进行评分时也应使用比例形式（例如，在所有发生的防御行为中，X% 为完整旋转）。若以绝对数值来评分防御行为，可能会产生误导。例如，完整旋转频率较低，可能是由于攻击发生率较低所致，也可能是由于在特定实验条件下，即使受试对象遭受攻击的频率与对照组动物相同，但其仍较少采用完整旋转这一防御方式。

1. 因此，在评估游戏行为时，需进行顺序分析：受试者发起攻击的次数（次数/单位时间），以及成功防御的攻击次数（即，防御概率），而在防守时，采用不同防守策略的可能性（%策略）是多少。

4. 行为分析：利用游戏内容评估游戏伙伴关系

随着青春期的开始，嬉戏打闹的总体数量会下降^{8, 40}。这是因为动物发起颈背攻击的频率减少，但防御行为的发生概率仍保持在较高水平¹⁷。在雄性大鼠中，嬉戏行为模式会因支配关系的形成而发生改变，而这种支配关系通常在青春期前后趋于稳定³⁷。这种变化也反映在所采用的防御策略类型上。

1. 雄性个体进入青春期后，使用完整旋转策略的相对频率会下降（如上文所示的完整旋转不同视频），而使用部分旋转策略的频率则会上升（如上文所示的部分旋转不同视频），其他策略的使用频率在各个年龄段则基本保持不变¹⁶。
2. 然而，从属地位的雄性个体采用何种策略取决于其互动对象。当与另一只从属地位的雄性或雌性玩耍时，从属雄性大鼠在受到攻击时更倾向于使用部分旋转策略；但当与群体中的优势雄性玩耍时，受到攻击时则更可能采用完整旋转策略^{18, 19, 24, 36}。因此，随着优势-从属关系的建立，不同策略的相对使用频率可作为监测实验性从属大鼠社会关系变化的良好指标¹²。

结果

两项研究展示了我们开发的多维度评分方案如何用于诊断实验干预对大鼠玩耍打闹行为的影响。第一项研究显示，该方法可用于精确定位实验干预所改变的玩耍行为的具体组分；第二项研究则展示了该方法如何用于测量实验干预后个体间关系的变化。

（1）新生期去皮层的影响

完全切除大脑皮层可能导致成年大鼠在实验室环境中仍能相对正常地活动⁴²，然而，鉴于大脑体积较大可能在促进哺乳动物玩耍行为中起重要作用³，我们希望检验皮层缺失的大鼠其玩耍行为是否减少。本研究比较了出生时即被切除皮层的幼年及成年大鼠与假手术对照组大鼠的打闹玩耍行为²⁶。

一种常用于衡量玩耍行为的指标是“固定”（pinning）⁹，其本质上是指实验个体呈仰卧姿势，而其同伴则站立于其上方（见图1中的g帧）。当使用“固定”这一指标来评估去皮层作用的影响时，发现幼年期该行为的发生频率大约减少了50%^{10, 26}

讨论

玩耍打斗是一种复杂且动态的互动过程，参与者的行为会持续相互影响。因此，需要一种能够敏感反映这些动态特征以及行为偶然性的评分方案。本文所概述的方案已成功应用于不同性别、个体差异、发育过程、品系差异以及实验处理之间的比较^{4, 14, 16, 20, 24, 29, 30, 31, 32, 32, 36}。此外，该方案还可作为构建进一步细化方法的基础框架。例如，大鼠在多远距离对攻击者的接近做出反应，会影响所采取策略的类型和成功率²⁵。类似地，可通过方法学手段控制机会差异，仅在高度特定且可比较的情境下对防御性行为进行评分²⁸。在玩耍打斗中，这可以限定为攻击者以垂直角度接近受体颈部，且受体距离墙壁至少一个体长的情况，从而排除因机会不同而非能力差异带来的干扰²²。因此，当前提出的用于评估玩耍过程中行为的评分框架可被视为一个基础骨架，可根据需要整合额外的测量指标。在某些情况下，若单独使用当前框架，可能并不充分。例如，最近一项针对野生型大鼠与Long-Evans大鼠幼年期玩耍行为的分析显示，由于前者的防御行为在个体间距更大的情况下即已启动，仅测量颈背攻击会低估其玩耍水...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
索尼 DCR-DVD103 摄录一体机			光学变焦 - 20倍，夜摄功能 *见下文
行为实验装置			50 X 50 X 50 厘米 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
* 任何型号的摄录一体机均可用于录像，但建议使用20倍或更高光学变焦的设备以获得最佳变焦效果。