挖掘任务：一种简单的气味辨别实验揭示额叶脑损伤后的功能缺陷

摘要

本方案描述了一种嗅觉辨别应用的新方法。Dig 任务是一种相对低成本的任务，可用于评估脑损伤后由额叶介导的认知功能。

摘要

认知功能障碍是脑损伤后人类致残的最常见原因，然而目前用于评估脑损伤啮齿类动物模型认知功能的行为学任务仍显不足。借鉴操作式条件反射领域的研究方法，本实验室采用了一种基本的嗅觉辨别范式^1-4 ，以评估前额叶受损大鼠的认知缺陷。此前我们曾简要描述过“挖掘任务”（Dig task），并证明前额脑损伤大鼠在该任务的多项测试中均表现出严重缺陷⁵。本文将详细介绍该任务的实验方案。实验中将大鼠放入一个实验箱内，使其在两种带有不同气味的沙子之间进行辨别，其中一种气味沙子中藏有强化物。每次试验在大鼠完成正确辨别（定义为在正确气味沙子中挖掘）、错误辨别或持续30秒未完成时结束。正确辨别的大鼠允许继续停留并获取强化物；错误辨别的大鼠则立即被移出实验箱。该过程可重复进行多次反转训练及引入新气味的测试。主要分析指标为每对气味组合的辨别准确率（即每种气味组合的累计正确比例）。挖掘任务的总体研究结果表明，该实验范式简单有效，可用于评估双侧额叶皮层损伤大鼠相较于单侧顶叶损伤大鼠的认知缺陷。此外，挖掘任务可便捷地整合到现有的认知测试组合中。更多类似任务的应用有助于更准确地评估脑损伤后的额叶功能，从而为治疗策略的开发提供依据。所有动物实验均依照机构动物护理与使用委员会批准的方案进行。

引言

由创伤性脑损伤（TBI）和中风引起的脑损伤是美国死亡和残疾的主要原因之一。这两种疾病合计每年导致近250万例发病，其中近50万例导致死亡或功能障碍^6-7。尽管这些疾病对社会造成了巨大负担，但目前针对TBI或中风的治疗手段却极为有限。在一定程度上，可用治疗方案的缺乏可归因于对新型药物和疗法的行为学评估不足⁸。特别是，在临床前研究文献中，尚缺乏能够准确且敏感地评估治疗措施对脑损伤后各种认知缺陷影响的任务。目前大多数认知评估主要通过迷宫类任务（如莫里斯水迷宫）来评价空间记忆能力⁹。造成此类测试方法匮乏的原因包括：全面表征和评估认知缺陷所需时间较长，操作性任务依赖昂贵的设备和专业技术，以及这些评估执行速度较慢。为此，我们改进了一种基础的嗅觉辨别任务——“挖掘任务”（Dig task），用于评估脑损伤后的认知功能。该任务旨在成为一种低成本、快速且有效的工具，用于评估由TBI或中风引起的脑损伤后的认知功能障碍。

挖掘任务基于学习与决策的基本操作性原理。由于该任务仅为一种双选决策范式，因此代表了可实现的最简单辨别形式之一。下文方案将详细描述该任务的设置步骤以及训练方法。我们发现，与单侧顶叶损伤导致的认知缺陷相比，该任务在评估前额叶介导的认知缺陷时效果更为显著；然而，该任务尚未在海马损伤模型中进行测试⁵。理想情况下，该任务适用于评估某种治疗或疗法在脑损伤后对前额叶功能缺陷恢复的有效性。不过，通过适当修改，该任务也可能用于探究更复杂的决策行为，例如冲动性以及广义匹配行为。

方案

1. 训练与测试所需材料

1. 测试箱。任何足够容纳一只动物和两个气味杯的容器。本实验室使用经过改装的操作箱（Med Associates Inc.），移除了箱底的栅栏，以便为气味杯腾出空间（图1）。
2. 气味杯及杯架。杯子需足够宽且深，以允许动物挖掘，并配备某种固定装置或支架以保持其稳定（图2）。
3. 加味沙。本实验方案采用先前已证实不会引起大鼠反应偏倚的气味（可可、罗勒、孜然、咖啡）⁴。每种加味沙按每1克气味剂与110克无味、洁净的儿童游乐场“沙箱”沙混合配制，可密封保存于容器中，最长可达6个月。
4. 强化物。我们使用环状水果麦片作为强化物。建议在训练开始前3至5天将强化物放入动物的饲养笼中，使其提前接触，以克服其新奇物恐惧反应。
5. 秒表或计时器。

2. 训练前的动物处理

1. 抓取与处理。由于在训练/测试期间需要反复将动物放入和取出实验舱，建议在训练开始前3至5天对动物进行抓取处理，使其适应与人类的接触。
2. 动机激发。为了促使动物完成该任务，需实施一定程度的食物限制。食物限制应在训练和测试开始前至少3天实施，动物体重可维持在自由进食状态下体重的90%左右。通常每日提供15–20 g饲料即可满足需求，但在食物限制期间应每隔一天监测一次动物体重。

3. 挖掘训练

训练动物在沙子中挖掘通常可在四天内通过平均八次训练 session 完成。在挖掘训练期间，应通过将两个气味杯放入装置/支架中，并将气味杯装置置入实验箱内来设置实验环境。以下详细说明了总体操作流程，其目标是逐步引导动物从直接取食强化物，过渡到完全通过挖掘沙子来获取强化物。

1. 第1次实验 - 气味箱适应与食盒训练。将气味杯完全填满强化物（不加沙）。将动物放入装置中30分钟，使其自由摄取强化物。
2. 第2次实验 - 沙子适应。将气味杯完全填满强化物，并向每个杯中倒入少量无味沙子，填充量不超过杯子的一半。将动物放入装置中30分钟，使其自由摄取强化物。
3. 第3次实验 - 表面挖掘。用强化物与无味沙子的均匀混合物填充气味杯，使多个强化物暴露在表面。将动物放入装置中30分钟，使其自由摄取强化物。在摄取暴露的强化物过程中，动物应能发现并挖出沙子下方更多的强化物。动物应逐渐从使用口部转为使用前爪从沙中取出强化物。
4. 第4次实验 - 挖掘训练。用1份强化物与3份无味沙子的混合物填充气味杯，使1-2个强化物暴露在外。将动物放入装置中30分钟，使其自由摄取强化物。动物应开始使用前爪挖掘以发现并取出更多的强化物。若动物在10分钟内未开始挖掘，应给予协助（研究人员应逐个暴露强化物，直至动物学会）。
5. 第5次实验 - 完整挖掘。用1份强化物与3份无味沙子的混合物填充气味杯，不暴露任何强化物。将动物放入装置中30分钟，使其自由摄取强化物。根据需要提供协助。部分动物可能需要多次进行此阶段实验，才能表现出完整的挖掘行为。
6. 第6次实验 - 试验结构适应。在每个气味杯的沙中分别将三个强化物置于深、中、浅三个位置。将动物放入装置中，直至其从每个杯中取出全部三个强化物，必要时提供协助。全部取出后，将动物转移至暂存装置中15-30秒，并按本步骤所述重置气味杯。随后将动物重新放入装置，重复该过程，直至完成总共四次试验。动物应逐渐适应被放入暂存装置，并在返回装置后立即开始挖掘。同时应表现出完整的挖掘行为，并能取出位于气味杯底部的强化物。
7. 第7次实验 - 单个强化物训练。在每个杯中，将单个强化物置于沙子深度的一半位置。将动物放入装置，允许其取出两个强化物后，将其放入暂存装置30秒。重复此过程，共进行四次试验。动物应开始加快挖掘速度，并仅需研究人员极少的协助。
8. 第8次实验 - 模拟辨别测试。按第7次实验所述方式填充气味杯。给予动物30秒时间取出两个强化物。当两个强化物均被取出或时间达到30秒时，将动物放入暂存装置。重复该过程，次数与正式测试阶段所用试验次数相同。动物应学会在返回装置后迅速开始挖掘。
9. 额外实验。根据初始辨别测试情况，实验人员可能需要增加额外实验次数，以使动物熟悉所使用的气味。大鼠通常在初期表现出新奇恐惧（neophobia），更偏好先前与强化物关联的熟悉气味¹⁰。

4. 区分测试

1. 研究人员应选择一种气味配对方案，明确哪种气味将与强化物配对（正确辨别），哪种气味不与强化物配对。其他决策，例如辨别次数与反转次数、最大实验天数与试验次数，以及是否在损伤前进行预测试等，主要取决于具体的研究问题（详见下文补充说明）。
2. 研究人员可手动对大鼠进行测试并记录数据。每次试验中，研究人员应记录以下内容：选择正确或错误、开始挖掘的潜伏期，以及大鼠超时未完成的试验。
   1. 试验次数由研究人员根据需要决定（详见下文补充说明）。
   2. 每次试验的时长由研究人员自行决定（详见下文补充说明）。
   3. 研究人员应随机化试验结构（气味杯左右位置的排列），但需注意同一侧连续出现的试验不得超过三次，以减少侧向偏好。
3. 为启动每次试验，应将动物面朝后方放入实验箱内，使其与两个气味杯的距离相等。若将动物放置得更靠近某一气味杯，可能增加产生位置偏好的风险。
4. 若动物正确完成辨别，允许其挖掘并获取强化物并完成摄取，随后将其转移至暂留装置中停留30秒；若动物超时或选择错误，则需在其“自我纠正”前立即将其移出，并送入暂留装置中停留30秒。
5. 重复上述过程，直至完成预定的试验次数。
6. 当动物达到预设的标准（i.e. > 连续三天每日准确率超过80%）后，可进入下一阶段的辨别/反转训练，并重复上述过程。

5. 补充说明

1. 本实验室的测试发现，使用半片环形早餐麦圈作为奖励可有效避免动物产生饱足感，从而提高训练和测试效果。
2. 在训练过程中，部分动物可能需要比其他动物更多的辅助。我们建议采取必要措施以促使动物表现出挖掘行为。然而，一旦进入正式测试阶段，我们不再进行任何干预以改善大鼠的挖掘行为。
3. 不同实验室可根据需要调整每轮实验的总试次数量。本实验室在测试中曾采用每 session 6、8 或 12 次试次，每天进行 1 个 session，结果表明 8 次试次的设置更受青睐。
4. 在某些实验设计中，可能需要调整单次试次的时长（e.g.，处于应激范式下的动物可能需要延长试次时间或减少总试次次数）。
5. 应预先设定标准，以确定动物何时掌握辨别任务。本实验室要求动物连续 3 天每天达到高于 80% 的准确率（即 6 次试次中至少 5 次正确、8 次中至少 7 次、或 12 次中至少 10 次），但也可采用更高的标准（如 85%）。
6. 应为每种气味训练设定预设阈值或最大天数，具体取决于研究问题。例如，本实验室研究创伤性脑损伤（TBI），鉴于 TBI 的进行性特点，若大鼠在 12 天内未达到标准，则将其转入新的辨别或反转任务。
7. 是否进行前测或仅进行后测，主要由实验设计方向决定。前测可用于评估动物在损伤后的记忆能力，这可能与特定类型的损伤相关；而后测则有助于比较不同组别在辨别任务习得速率上的差异。本实验室过去及未来将继续同时采用两种方式。

结果

在挖掘任务（Dig task）中，可记录的两个主要变量是：正确/错误和反应潜伏期。然而，无反应情况也可以被记录和分析，因为在考虑动机因素时，这些数据可能具有重要意义。这些数据可用于生成用于分析的指标，例如准确率（正确次数/总试验次数）、反应偏向¹¹和反应潜伏期。根据实验设计的不同（见上述附加说明），这些指标可用于评估多种不同类型的学习能力。对动物进行预测试，可使研究人员评估其对已习得辨别任务的记忆；对已习得辨别任务进行反转测试，可考察动物适应变化的关联规则的能力；而新辨别任务的学习则允许研究人员比较不同气味配对之间的学习表现，并评估其新知识学习能力。

根据研究设计（见上述附加说明），这些测量指标可采用重复测量设计进行分析，也可合并为单一变量。此前，我们将准确性指标合并为累计正确比例，以分别分析每次气味辨别任务⁵。具体方法是将每次辨别任务中正确判断的次数相加，再除以该任务的总试验次数。随后采用一系列单因素被试间方差分析（ANOVAs）来检验不同组别在伤后每次气味辨别任务中的差异。然而，通过使用混合效应模型等更先进的统计技术，可能获得更高的统计效能。另一种替代方法是采用信号检测理论进行数据分析。该方法在人类决策研究文献中较为常用，可使研究者在单张图表中综合考察某一受试者的大部分数据，并快速评估其准确性、判断偏向性及功能缺陷程度¹²。分析方法的选择主要取决于实验问题，即研究者是希望比较不同类型的学习表现，评估某一种特定类型的学习，还是对数据采用决策分析的视角。

在双侧额叶脑损伤后，本实验室发现，大鼠在该任务的几乎所有学习类型中均表现出显著缺陷。额叶损伤动物不仅对先前习得的辨别记忆存在缺陷，而且在学习气味配对的反转时也表现出困难（图3）。此外，额叶损伤动物在学习新的辨别任务时也存在困难（图3）。与既往研究结果一致¹³，额叶损伤动物的行为变异性也显著增加（图3）。

相比之下，我们实验室的研究显示，单侧顶叶损伤在本任务的所有辨别测试中均未表现出任何缺陷。单侧损伤大鼠对先前习得的辨别任务记忆未表现出缺陷，并且也能非常快速地掌握反转辨别任务（图4）。它们学习新的气味配对也非常迅速（图4）。此外，单侧损伤组内的个体差异极小，大多数大鼠在任务中的表现均达到最优水平。

图1. 我们实验室的测试在一组标准的操作箱（Med Associates Inc.）中进行，这些操作箱为适应本实验任务而进行了改造，移除了四个连续的地板栏，以腾出空间放置两个气味杯。

图 2. 我们在实验室中使用PVC管端盖（高6 cm，直径5.5 cm）作为气味杯，并使用一块带两个钻孔圆孔（直径5.5 cm）的Plexiglas板（10 × 22 cm）作为气味杯支架。

图 3. 本图展示了假手术组（蓝色）与前额叶损伤组（红色）大鼠在不同测试阶段的典型表现，数据以两种不同图形形式呈现。图 A 为柱状图，其中白色圆点表示每组中各单只大鼠的数据点。图 B 将相同数据以折线图形式展示。在损伤前的辨别学习阶段，两组间无显著差异。然而，在损伤后进行相同的辨别任务时，假手术组大鼠的累计正确率可达 93%，而损伤组大鼠仅为 65%。当实施辨别反转任务时，损伤组大鼠的表现下降至机会水平以下。同样，在新的气味辨别任务中，前额叶损伤大鼠难以学会新的配对关系，其表现持续低于机会水平。 点击此处查看高清大图。

图 4. 本图展示了假手术组（蓝色）与单侧顶叶损伤大鼠（绿色）在不同测试阶段的典型表现，数据以两种不同形式呈现。图 A 中，数据以柱状图表示，每组中单只大鼠的数据点以白色圆点标出。图 B 中，相同数据以折线图形式呈现。两组在各项辨别任务中均无显著差异。单侧损伤大鼠在损伤后的表现达到甚至在某些情况下略高于假手术组水平。 点击此处查看高清大图。

讨论

在本视频中，我们展示了如何使用相对低成本的材料进行Dig任务操作，并且在具备一定经验后，测试可快速完成（约10分钟/动物）。这使得该任务能够轻松地整合到现有的创伤性脑损伤（TBI）、中风及其他脑损伤的测试组合中。Dig任务还具有良好的稳健性，可评估认知的多个不同方面，包括先前学习的评估、反转学习以及新知识的获取（例如，集合转移）。最重要的是，已有研究表明，Dig任务在评估脑损伤后额叶功能方面是有效的。此外，类似的挖掘范式已被用于研究海马损伤后大鼠的价值转移过程⁴，因此该范式也可便捷地应用于TBI后的相关研究。

此类任务的主要优势在于能够评估大多数脑损伤研究中通常未涉及的其他认知形式。目前尚缺乏简单且可快速获取的用于评估脑损伤后前额叶介导认知功能的任务。在实验性创伤性脑损伤（TBI）领域，认知评估严重依赖迷宫任务作为唯一手段⁹。辨别与选择行为是前额叶介导认知的重要组成部分，在脑损伤后需要加以评估。这些行为已在行为实验分析领域的多种不同范式下得到研究（如延迟匹配样本任务、低反应率差异强化、基于努力的决策等），但在脑损伤研究中仍显不足^14-16。针对脑损伤治疗的新型疗法的开发，需要在感觉、运动和认知功能的多种模式下进行验证。此类任务可能在全面评估治疗干预下的认知功能方面发挥关键作用。

尽管挖掘任务（Dig task）在评估脑损伤后脑功能方面代表了正确的一步，但它仍然存在局限性。该任务旨在构建、实施和分析过程简单，但这也意味着其测量能力存在上限。目前，在给定的范式下仅能评估两种选择。此外，挖掘任务对额叶功能障碍的其他方面（例如可能干扰动物决策能力的冲动性）不够敏感。

尽管挖掘任务在评估幼年动物脑损伤方面已被证明是有效的，但仍可通过多种方式对该任务进一步优化和改进。这些改进包括评估特定群体（年龄、性别、品系）、将其与所借鉴的操作性范式进行直接比较、将该任务与其他用于评估脑损伤后额叶功能障碍的任务进行直接对比，以及探索更多分析和比较该任务所产生的数据的方法。本任务旨在通过多种方式检测脑损伤后的额叶功能，以解决本领域中存在的一些问题。然而，单一任务无法测量脑损伤所影响的全部认知过程。因此，我们建议研究者继续开发并改进此类任务，以更全面地评估脑损伤后的功能障碍。通过多维度的评估，可提高脑损伤药物与治疗研发的有效性。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
仪器设备
操作箱	Med Associates	ENV-008CT	数量：1 个标准操作箱，无外部设备。
有机玻璃板	本地五金商店	N/A	数量：1 块，裁剪至合适尺寸以适配操作箱。
PVC 管端盖	本地五金商店	N/A	数量：每套气味杯装置需 2 个。
试剂
沙子	本地五金商店
各种香料	本地杂货店
强化剂	本地杂货店
*每套操作箱的构建均按所列仪器进行。