5-选择序列反应时间任务：一种用于啮齿类动物的注意力与冲动控制检测方法

摘要

本方案描述了五选择序列反应时间任务，这是一种基于操作条件反射的行为任务，用于研究啮齿类动物的注意力和冲动控制。测试日挑战是对标准任务的改进，可增加任务的灵活性，并能与其他操作相结合，以更全面地表征行为特征。

摘要

本方案描述了五选择序列反应时间任务（5-choice serial reaction time task），这是一种基于操作式条件反射的行为学任务，用于研究啮齿类动物的注意力和冲动控制能力。测试日挑战（test day challenges）是对标准任务的修改，可用于系统性地加重调控注意力或冲动控制的神经系统的负担。重要的是，这些挑战在正常动物中于不同实验室间对行为具有一致的影响，并能够揭示出仅通过标准任务测试大鼠时无法显现的认知功能增强或缺陷。所采集的多种行为学指标可用于判断其他因素（例如，镇静作用、动机缺乏、运动功能障碍）是否对行为表现的变化产生影响。5CSRTT 的多功能性进一步增强，因其可与药理学、分子生物学和遗传学技术相结合使用。

引言

五选择序列反应时间任务（5CSRTT）由剑桥大学的特雷弗·罗宾斯（Trevor Robbins）及其同事开发，旨在理解被诊断为注意缺陷多动障碍（ADHD）的个体所表现出的行为缺陷^1,2。该任务基于用于研究人类注意力的持续性操作任务³；其中注意力被定义为在忽略其他信息的同时，将认知资源集中并持续关注于特定刺激或信息的能力⁴。尽管该任务最初是为大鼠设计的^1,2，但小鼠版本也已开发出来^5,6。

基本的5-CSRTT要求大鼠扫描一排五个水平排列的孔洞，以发现其中一个孔洞中出现的短暂光刺激（线索）；一旦大鼠检测到该刺激，必须用鼻部触碰被照亮的孔洞，才能获得一颗糖丸作为奖励。因此，该任务要求大鼠将注意力分配到五个空间上分离的孔洞，并在每次试验中持续保持注意力，直至刺激出现，且在整个实验过程中维持这种注意力^1,7。通常通过反应的准确性来评估注意力。尽管5-CSRTT最初设计用于评估注意力，但也被用于评估冲动行为或反应抑制能力^1,7,8：即抑制优势反应或不适当反应的能力⁹。在任务过程中，大鼠必须在整个试验间间隔期（ITI）内抑制反应行为，仅在某个孔洞中出现刺激后才可作出反应¹。因此，在刺激呈现之前的ITI期间发生的过早反应，可作为评估冲动行为的有效指标。

5CSRTT 是一种极为灵活的任务——可以通过实施多种基本任务的修改形式（例如，测试日挑战），更细致地考察实验干预对行为的影响。例如，缩短刺激持续时间或减少ITI是增加任务注意力负荷的不同方法，可用于系统评估注意力的不同亚成分^1,7,10-12。相反，延长刺激持续时间可降低任务的注意力需求，可用于判断某种干预是否干扰了动物执行任务基本反应要求的能力¹²。延长ITI的持续时间则可用于判断特定干预是否影响动物的冲动性反应^1,7,8,13-15。此外，使用测试日挑战（如上述方法）可揭示在标准测试参数下训练良好的大鼠中并不明显的行为缺陷¹⁰或增强效应^16,17。

重要的是，5CSRTT 可与多种不同技术联合使用；例如，已有研究在特定脑区损毁^10,18-20或选择性神经递质耗竭^2,21,22后考察认知功能。行为药理学研究采用了全身性^16,17,23-28或特定颅内给药方式^29-32。此外，该任务可轻松评估药物急性^{12,16,17,29-32}和慢性给药^13,14,23,33后的行为表现。研究人员还评估了任务表现对特定脑区神经递质释放³⁴和代谢活动³⁵的影响。另外，可根据动物在任务中的基线注意力表现^30,31或冲动水平^15,32将其分组。最后，随着小鼠版 5CSRTT 的出现^5,6，该任务已被用于研究注意力和冲动控制的遗传基础^5,36-39。

由于5CSRTT能够同时评估多种认知功能，并且适用于与多种药理学、分子和遗传学方法联合使用，因此它被常规用于评估精神疾病和神经系统疾病动物模型中的认知功能障碍。例如，5CSRTT已被用于研究注意缺陷多动障碍（ADHD）^37,40,41、精神分裂症^23,33,42、药物成瘾^13,14,43-45、阿尔茨海默病^18,39、帕金森病³⁶和亨廷顿病³⁷中认知障碍的神经生物学基础。

本方案提供了大鼠5-CSRTT训练的操作指南。由于可收集多项行为表现指标，本文描述了如何解读常见的结果模式。此外，还介绍了对基本方案的若干常见修改方法以及测试日的挑战性任务。

方案

本实验需要使用动物；相关操作已获得欧柏林学院动物照护与使用委员会（Institutional Animal Care and Use Committee）的批准，并遵循《实验动物照护与使用指南》⁴⁶ 的规定。

1. 5CSRTT 装置

1. 5CSRTT装置的示意图见图1。
   1. 5CSRTT装置由一个操作条件反射箱（30.5 x 24.1 x 29.2 cm）组成，两侧为Plexiglas壁，底部为不锈钢网格地板。
   2. 铝制前壁呈圆弧形，设有五个鼻触孔（每个2.5 x 2.2 x 2.2 cm）；每个孔均配备一个发光二极管（LED）和一个可检测大鼠鼻部插入的红外传感器。
   3. 铝制后壁上设有食丸接收室（food magazine）；该室连接一个食丸分配器，并配备一个红外传感器和一个小的白炽灯。
   4. 一个可照亮整个箱体的白炽环境灯固定在后壁顶部附近。
2. 将5CSRTT装置置于通风、隔音的操作条件反射箱内。
3. 使用PC计算机控制操作箱并采集数据。

2. 动物饲养与准备

1. 该实验需要使用实验动物；在开始任何实验之前，须先获得机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。
2. 将大鼠成对饲养。
   1. 将大鼠饲养在光照/黑暗周期为14:10（光照开启时间为早上7:00）的房间内，室温保持恒定在22 ± 1 °C。
   2. 大鼠在笼内饲养期间可自由饮水，但需限制食物摄入。
   3. 在开始食槽训练前2至5天直至5-CSRTT训练与测试期间，将大鼠的食物摄入量限制为其自由进食体重的85-90%。每天训练结束后喂食，并每日称重，以确保其体重稳步增加（约每周5 g）。

3. 5CSRTT 实验步骤

1. 5CSRTT 训练的一般注意事项
   1. 每周至少训练 5 天，每天在固定时间进行；训练分为多个阶段（见表 1），持续数周。
   2. 在相同的操作式条件反射箱中进行大鼠的训练与测试（见下文第 3.2–3.5 节）；环境中微小的变化可能影响大鼠的表现。
   3. 每次实验结束后，使用含次氯酸钠消毒剂（或经兽医咨询后使用的其他消毒剂）的水清洁箱体所有表面。
2. 食盒训练
   1. 在首次实验前，将糖丸（45 mg）引入大鼠的饲养笼中，以减少新奇恐惧，并确保大鼠能够从食盒中取食糖丸。
   2. 将大鼠放入操作式条件反射箱（风扇开启），并用遮挡物封闭各个孔洞。让大鼠适应箱体环境 5 分钟。
   3. 以固定间隔 20 秒（FI-20，第 1 天）或固定间隔 30 秒（FI-30，第 2 天）的时间表向食盒递送 60 颗糖丸。
      注：实验期间可保持照明灯常亮，糖丸递送时点亮食盒灯，且可在糖丸被取走前持续点亮。
   4. 实验结束后记录糖丸是否被消耗；继续训练至少 2 天，或直至所有糖丸均被取食。
3. 5CSRTT 训练
   1. 图 2 展示了单次 5CSRTT 实验的示意图。
   2. 将每只大鼠放入操作式条件反射箱（风扇开启），让其适应箱体环境 5 分钟。
   3. 适应期结束后，点亮食盒灯并递送一颗糖丸。当该糖丸被取走后，第一次实验开始。
   4. 每次实验以刺激间间隔（ITI）开始，此期间仅照明灯亮起。ITI 结束后，伪随机点亮其中一个孔洞灯，持续预设的刺激时长。给予大鼠一定时间对刺激作出反应，允许其反应的时间称为限时保持（LH）。
   5. 对点亮孔洞的鼻触反应将触发糖丸递送至食盒，并点亮食盒灯；此类反应视为正确反应。糖丸被取走后，熄灭食盒灯并启动下一次实验。
   6. 对未点亮孔洞的鼻触反应（错误反应）以及在 LH 期间未作出反应（遗漏）将导致超时惩罚（TO）。TO 期间熄灭照明灯。TO 结束后通过点亮照明灯提示下一次实验开始。
   7. 将 ITI 期间的鼻触反应记为提前反应，并以 TO 期作为惩罚。因提前反应导致 TO 后，重新启动同一次实验。
   8. 每次实验 session 在完成 90 次实验或持续 30 分钟后结束，以先到者为准。
   9. 训练第一阶段，设定刺激持续时间为 30 秒，LH 为 30 秒，ITI 为 2 秒，TO 为 2 秒。在整个训练过程中逐步调整参数，使刺激持续时间最终为 1 秒，LH、ITI 和 TO 均为 5 秒（见表 1）。当大鼠达到建议的训练标准后，进入下一训练阶段。在最终阶段表现稳定后进行测试。
      注：Sprague-Dawley 大鼠通常在每周训练 5 天的情况下，4–8 周内可达到标准表现（准确率约 65%，< 20% 遗漏）。然而，不同品系的大鼠执行任务的能力存在差异。例如，Lister Hooded 大鼠在较短刺激持续时间（0.5 秒）下即可达到较高准确率（> 80%），且遗漏率较低（< 20%）（例如，Bari 等，2008；Mizra 和 Bright，2001）。建议研究人员根据所用大鼠（或小鼠）品系调整刺激参数和达标标准。
4. 5CSRTT 测试
   1. 通过计算最后 3–5 次实验各项指标的平均值，确定基线表现（准确率%、遗漏率%、提前反应次数）（见下文）。可将这些数据用于将大鼠分组（如需要），或作为个体基线值。
   2. 使用测试日挑战（表 2）进一步探究行为表现。
   3. 对于被试内设计，将训练 session 与测试日挑战 session 交替进行。
      注：测试日挑战可用于补充标准任务中的行为评估。这些操作可揭示在标准任务长期训练后不易察觉的行为细微变化，和/或有助于更深入理解表现缺陷的本质。
5. 5CSRTT 表现指标
   1. 使用计算机计算各项表现 指标。
   2. 反应准确性（% 准确率）：正确反应次数除以正确与错误反应总数。这是注意力的主要测量指标。
      [# 正确反应次数 / (# 正确反应次数 + # 错误反应次数)] × 100
   3. 遗漏：未作出反应的实验次数除以完成的总实验次数。% 遗漏可反映注意力，但也可能受镇静、动机和运动能力影响，因此对遗漏的解释需结合其他表现指标。
      [# 遗漏次数 / (# 遗漏次数 + # 正确反应次数 + # 错误反应次数)] × 100
   4. 正确反应率：正确反应次数除以完成的总实验次数。
      [# 正确反应次数 / (# 遗漏次数 + # 正确反应次数 + # 错误反应次数)] × 100
   5. 错误反应率：错误反应次数除以完成的总实验次数。
      [# 错误反应次数 / (# 遗漏次数 + # 正确反应次数 + # 错误反应次数)] × 100
   6. 提前反应：统计 ITI 期间发生的反应次数。这是冲动行为的主要测量指标。
   7. 持续性反应：统计大鼠作出正确反应后、但在取走糖丸前对任意孔洞的鼻触反应次数。这是强迫行为的测量指标。
   8. 食盒进入次数：统计大鼠对食盒的鼻触反应次数。这是动机的测量指标。
   9. 正确反应潜伏期：计算从刺激开始到正确反应的平均时间；用于衡量信息处理速度或决策能力。
   10. 错误反应潜伏期：计算从刺激开始到错误反应的平均时间；用于衡量信息处理速度或决策能力。
   11. 奖励取回潜伏期：计算大鼠取回糖丸奖励的平均时间；可反映动机水平。

结果

探究视觉空间注意力的5CSRTT操作方法

改变任务注意力需求的一种方法是调整刺激的持续时间。随着刺激持续时间的缩短，正确率下降（图3A），遗漏率上升（图3B；改编自文献12）。因此，较短的刺激持续时间会增加任务的注意力需求，而较长的刺激持续时间则会降低任务的注意力需求。改变刺激持续时间对提前反应和反应潜伏期的影响并不稳定（数据未显示）^7,10,12。

增加5CSRTT注意力负荷的另一种方法是通过缩短ITI以提高“事件率”来检测任务表现。ITI可以缩短为固定持续时间，即，缩短至1.5秒）或同时降低且变得不可预测（即，分别缩短为0.5、1.5、3.0或4.5秒，每次ITI以伪随机方式出现）。缩短ITI会降低正确率（% accuracy），增加遗漏率（% omissions）。由于ITI持续时间较短，提前反应的次数也 tends to 减少（假设数据见 图4A...

讨论

5-CSRTT 是一种广泛用于评估啮齿类动物注意力和冲动控制能力的任务。注意力最常通过反应正确率来衡量^1,7,10。由于反应正确率不包含遗漏反应，且正确与错误反应具有相同的行为要求（即，在孔洞中进行鼻触），因此正确率不受运动能力、动机或镇静状态的影响。% 遗漏反应也可作为注意力的衡量指标，因为训练良好的啮齿类动物在不确定某次试验中哪个孔洞被点亮时，通常会抑制反应，而不是进行“猜测”^1,10。但问题在于，镇静、动机降低以及运动功能受损也可能干扰大鼠做出反应的能力，从而使遗漏反应难以解释。在一定程度上，可通过评估其他行为指标或实施测试日挑战来排除这些因素。例如，动机受损可能表现为食丸仓进入次数减少以及奖励取回潜伏期延长；而镇静和/或运动功能受损则可能表现为总体反应减少（即，遗漏反应增加、早发反应减少、食丸仓进入次数减少）以及整体反应潜伏期延长。因此，如果无法明确判断遗漏反应的变化反映的是注意力缺陷还是其他因素所致，则建议实施测试日挑战。

在五选择连续反应时间任务（5CSRTT）中，冲动性通...

材料

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