注意力集转移任务：小鼠认知灵活性的一种测量方法

摘要

本实验方案旨在通过执行注意力集转移任务（AST）等行为学检测，评估小鼠前额叶皮层介导的认知灵活性。

摘要

认知功能障碍，特别是前额叶皮层（PFC）神经环路功能异常，是多种神经精神疾病和神经发育障碍的核心特征，包括抑郁症、创伤后应激障碍、精神分裂症和自闭症谱系障碍。认知功能缺陷也是最难有效治疗的症状维度 ，因为选择性5-羟色胺再摄取抑制剂和三环类抗抑郁药仅能产生有限的疗效。功能性神经影像学研究和人类脑组织尸检分析均表明，PFC是这些疾病患者中主要的调控异常脑区。然而，用于评估小鼠模型中此类缺陷的临床前行为检测方法尚未得到充分利用，而这些小鼠模型在遗传上易于操控，可为探索新的治疗途径提供基础。本文描述了一种行为检测方法——注意力集转移任务（AST）——在小鼠中的适应性应用，用于评估由前额叶皮层介导的认知缺陷。AST过程中行为所依赖的神经环路在人类、非人灵长类动物和啮齿类动物中高度保守，具有良好的表面效度、构念效度和预测效度。

引言

注意力集转移任务（AST）是十多年前开发的一种用于评估大鼠注意力和认知灵活性的方法^1,2。AST 借鉴了剑桥神经心理测试自动化电池（CANTAB）中的维度内/维度外成分，后者用于识别人类及非人灵长类动物的认知功能障碍^3,4。尽管学习简单规则的能力保持完整，但在规则发生变化时调整反应的能力受损，这一现象见于多种神经精神疾病患者（例如，精神分裂症、强迫症、抑郁症）、神经退行性疾病患者（例如，帕金森病）以及前额叶皮层受损的患者⁵。更广泛地说，这些患者被认为存在认知灵活性缺陷。在非人灵长类动物和啮齿类动物中，当前额叶皮层被人为造成损伤时，也表现出类似的缺陷^1,6-8。这些缺陷表明存在认知僵化状态，即注意力集转移能力受损。

当受试者学会将一组规则应用于复杂刺激以区分相关线索与无关线索时，便形成了注意定势。例如，在AST中，动物将学会关注并响应相关线索（即， 挖掘培养基）并忽略无关线索（即， 气味），通过将食物奖励与介质配对实现。随后的任务中，尽管挖掘介质和气味的类型会发生变化，但介质与奖励之间的配对关系保持不变，从而强化这一关联。这种被强化的规则形成了一种认知定势。AST 实验方案中的两个阶段用于测量该认知定势的若干方面 认知灵活性：逆转与跨维度转换。在逆转阶段，先前维度中的阴性刺激（本例中为....

方案

注意：本研究使用的动物为 4 至 6 月龄的雄性 C57Bl/6J 小鼠，以获得最佳实验结果。小鼠维持在反转光照周期下饲养，以便在活跃期（黑暗期）方便地进行实验测试。若行为学实验在与饲养区域不同的房间进行，小鼠在转运至实验房间后需至少适应 1 小时。行为学测试在红光条件下进行，以尽可能减少对小鼠正常活动节律的干扰，同时仍为实验人员提供足够的照明以目视监控实验过程。

注意：本文所述实验操作的所有方面均遵循《实验动物护理与使用指南》第8版（NRC）的规定，并已获得圣安东尼奥德克萨斯大学健康科学中心机构动物护理与使用委员会的批准。

1. 实验设置

1. 将陶瓷烤碗（无孔；深度1.5英寸，直径2.5英寸）内装入挖掘介质至内缘（距底部约1英寸）；将滤纸圆片对半剪开，并粘贴于烤碗内壁后侧（图1A）
2. 将微甜的干早餐谷物（作为食物奖励）——如蜂蜜坚果味或糖衣类——掰成约20 mg的小块，用于适应、训练和测试阶段。
3. 制备注意力集转移任务（AST）实验箱（图1B）：每只小鼠在独立的实验箱中进行适应、训练和测试；建议至少制作8个实验箱。
   1. 构建一个12英寸×8英寸×7英寸的AST实验箱；箱壁和起始门采用不透明白色亚克力材料，便于用70%乙醇清洁。采用可拆卸的活板门式....

结果

该测试中典型的因变量是每个阶段达到标准所需的试验次数（或连续8次正确选择）。图4A展示了使用AST时，未经处理的C57BL/6J小鼠在每个阶段达到标准所需的平均试验次数。随着小鼠对相关线索维度（气味或介质）形成注意力集，其表现将有所提升，表现为在连续的维度内转换阶段中达到标准所需的试验次数减少；而反转阶段和维度间转换阶段则需要更多的试验次数才能达到标准。重要的是，应平衡起始于两个相关维度（即介质或气味）的动物数量，因为我们观察到在简单辨别阶段存在一些差异：当气味为相关线索时，达到标准所需的试验次数更多（图4B）。如果在SD阶段达到标准所需的试验次数在两个相关线索维度之间存在显著差异（即当介质为相关线索时表现更优，如图4B所示），则可在后续阶段将每只小鼠的表现数据标准化为其在简单辨别阶段的表现。如图4C所示，该标准化步骤可降低与学习初始相关线索相关的变异性，并增强后续IDS阶段表现提升的可视化效果。尽管每组约20只小鼠的样本量已足以在无需标准化的情况下分析原始数据。重要.......

讨论

前额叶皮层（PFC）介导的认知灵活性缺陷是多种神经及神经精神疾病相关的重要功能障碍，可显著影响患者的预后及生活质量。优化AST在小鼠中的应用，对于研究与前额皮质介导的认知功能障碍相关疾病的遗传基础至关重要。我们发现，上述方法能够可靠地测量特定的认知缺陷——即认知灵活性，并且其结果与在大鼠及非人灵长类动物中使用该任务所获得的结果高度接近。本方法是在系统综述既往大鼠和小鼠实验方案的基础上，结合本机构专家的建议与指导而形成的。

先前在小鼠中使用类似任务的研究已证明此类行为测量具有可塑性，但存在若干局限性^2,6,11。Colacicco et al. 将每天测试的辨别任务数量限制为2项，使整个测试过程分布在四天内完成¹¹，其中包括在连续测试日重复先前已学会的刺激对。尽管该方法有效，但本研究旨在缩短测试周期并提高效率。本文所述方案将测试时间限制在两天内，并取消了对先前已学会刺激对的重复测试。以往研究指出，小鼠需要经过过度训练才能形成注意集（attentional set），且仅在较短的“可测试窗口期”内维持费力的反应行为。本方案同样包含在.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
测试室			实验室自制，具体规格见实验方案
3 盎司烤碗	BIA Cordon Bleu	900002S12	在 amazon.com 购买
精油：	Fronteir Natural Products Co-Op		在 http://www.frontiercoop.com/prodlist.php?ct=anpceoeo 购买
丁香花蕾		191114
红百里香		191140
柠檬		190810
肉桂叶		191111
迷迭香		191133
爪哇香茅		191112
荷荷巴油香草精		191231
茴香籽		191102
姜		191121
肉豆蔻		191161
滤纸，直径 9.0 cm	VWR International	28310-048	在 https://us.vwr.com/ 购买
挖掘介质
拉菲亚纤维	Ashland 8 盎司拉菲亚纤维		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1/2" 至 1" 的条状
绿色毛毡	Creatology 基础毛毡 森林绿/深绿色 36 英寸 × 36 英寸		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1 cm × 1 cm 的方块
棕色泡沫板	Creatology Fun Foam 18 × 12 英寸片材（浅棕色/米色）		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1/2 cm × 2 cm 的矩形
皱纹纸（黄色）	Celebrate It 皱纹纸 4 盎司黄色加大装		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1/2" 至 1" 的条状
丝带（绿松石色）	Celebrate It 宽幅丝带 4 英寸 × 10 码 100% 聚酯纤维		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1 cm × 1 cm 的方块
金属光泽	Celebrate It 金属光泽金色皱纹纸 2 盎司		在 http://www.michaels.com/ 剪成 1/2" 至 1" 的条状
活动眼珠，4 mm		ME4144	在 http://factorydirectcraft.com/index.php 购买
黑色亮片，3 mm		8780BK
粉色绒球，1/4 英寸		1018221
扭扭棒，红色		108430
垫料/木屑			来自实验室内部动物资源
计时器	Control Company	5000	在 http://www.control3.com/5000p.htm 购买
微甜干性早餐麦圈	HEB		实验方案中使用的是蜂蜜坚果烤燕麦片，建议使用任何微甜涂层的早餐麦圈