开放场塔迷宫中的位置学习与反应学习

摘要

开放旷场塔迷宫（OFTM）是一种用于研究空间学习行为与神经机制的迷宫例如，用于研究大鼠的地点学习或反应学习。该迷宫特别适用于希望采用非应激性迷宫范式来探究空间学习的研究人员。

摘要

本实验方案描述了如何利用开放式旷场塔迷宫（OFTM）范式研究啮齿类动物的空间学习能力。该迷宫特别适用于考察大鼠如何通过位置学习或反应学习在开放式旷场环境中成功导航。此外，本方案还阐述了OFTM与其他常用于研究啮齿类动物空间学习的行为迷宫范式之间的差异。本文所述的OFTM改编自Cole、Clipperton和Walt（2007年）先前描述的版本。具体而言，OFTM的设计旨在测试啮齿类动物的空间学习能力，同时无需实验者将“应激”作为混杂变量加以考虑。已有实验证明，仅应激因素即可显著影响认知功能¹。代表性结果部分展示了利用OFTM研究雌二醇处理对成年雌性Sprague Dawley大鼠位置学习与反应学习影响的实验数据²。未来的研究将致力于探讨海马和纹状体在OFTM中位置学习与反应学习中的作用。

引言

开放旷场塔式迷宫（OFTM）可用于研究啮齿类动物空间学习的行为与神经生物学机制。重要的是，OFTM 可使研究人员同时研究“基于位置的学习”和“基于反应的学习”两种学习类型。在位置学习过程中，动物利用周围环境中的空间线索在迷宫中导航（例如，食物奖励位于一个高大信标附近）。而在反应学习过程中，动物无论其相对于空间线索的位置如何，均执行特定的转向反应（例如，向左或向右转以找到食物奖励）。已有研究报道，反应学习和位置学习依赖于两种不同的记忆系统^{3, 4}，解析其神经机制一直是科学研究的重要方向^{2, 5-7}。OFTM 的设计改编自先前描述的一种迷宫结构⁸。

旷场实验范式（OFTM 的一个组成部分）常用于研究啮齿类动物的焦虑行为⁹。在典型的旷场焦虑测试中，停留在旷场中央区域时间较长的大鼠，其应激和焦虑水平低于更多时间停留在边缘区域的大鼠。在 OFTM 中，大鼠必须进入迷宫的中心区域才能获得食物奖励。因此，成功完成 OFTM 导航表明这些大鼠处于非应激状态。大鼠在训练过程中之所以处于非应激状态，其中一个原因是：与标准的旷场焦虑测试不同，OFTM 包含一个预训练阶段，在此阶段中，大鼠会经过长时间反复暴露于迷宫环境中。此外，训练在光线较暗的环境中进行，进一步降低了旷场环境引发的焦虑反应——而标准旷场测试通常在明亮光照条件下进行。

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方案

本方案已获得克里斯托弗纽波特大学机构动物护理与使用委员会的批准。

1. OFTM 装置的构建

1. 用三块白色层压板构建边界墙（高 40 cm，直径 183 cm）。用黑色层压板制作圆形迷宫底面（直径 183 cm），并将其粘合到塑料桌面上。用螺丝和胶水将边界墙固定在桌面边缘。
2. 装饰边界墙的内表面：将其中四分之一保持纯白色；将另一个四分之一涂成纯黑色；将第三个四分之一涂上黑色条纹；将第四个四分之一涂上黑色圆圈。
3. 用方形白色 PVC 立柱制作四个“食物塔”（8 cm × 8 cm × 20 cm；图 1A）。将一块黑色层压板（8 cm × 8 cm）粘在每座塔的顶部。使用强力胶将它们固定在迷宫底面上，彼此相距 54 cm。
4. 用方形白色 PVC 立柱制作三个“预训练塔”（高度分别为 5 cm、10 cm 和 15 cm；图 1B）。将一块黑色层压板（8 cm × 8 cm）粘在每座塔的顶部。这些塔仅在预训练阶段（如下所述）用胶带固定在迷宫底面上。
5. 将一个黑色不透明塑料食物杯（带螺纹盖 = 涂成黑色的透明塑料珠子容器；高 1.75 cm，直径 3.75 cm）用胶粘在每个食物塔的顶部。在每个盖子上钻三个小通气孔（直径 3 mm）。这些孔可确保大鼠无法通过嗅觉线索找到“正确”的食物塔。训练塔的高度确保大鼠无法通过未加盖的食物杯作为视觉线索来定位“正确”塔。

结果

此处所述的代表性结果先前已发表于《学习神经生物学》 & 记忆，Elsevier²在本实验中，使用OFTM检测慢性和循环性雌二醇处理对雌性Sprague-Dawley大鼠（250 – 300 g；N = 48）位置学习和反应学习的影响。采用OFTM进行本实验主要有两个重要原因。首先，已有研究表明雌二醇对位置学习和反应学习具有不同的影响⁷其次，有必要在非应激环境中检测雌二醇对学习的影响，因为性腺激素在暴露于应激情境下的人群中会产生不同的效应¹³. 在 Lipatova 等 (2014) 年的实验中，对卵巢切除的雌性大鼠每日进行皮下注射雌二醇（estradiol）10 µg/kg）或载体溶液（花生油）。处于“持续”条件下的大鼠每日接受雌二醇注射，处于“载体”条件下的大鼠每日接受载体溶液注射。处于“循环”条件下的大鼠每4天接受一次雌二醇注射^th 天，其余各天给予溶剂对照溶液。每种条件下的大鼠有一半接受位置训练程序，另一半接受反应训练程序。六只大鼠未达到 先验的 达到标准后停止训练，因此未纳入分析。最终分组为：Veh.......

讨论

有多种实验范式可用于研究啮齿类动物的学习与记忆，每种范式都有实验人员应遵循的重要步骤。在OFTM实验中，必须在整个实验过程中保持迷宫条件（例如，迷宫位置、迷宫内和迷宫外线索、昏暗的光照强度、背景噪音水平、每日训练时间）恒定。此外，必须尽量减少大鼠受试者的应激反应，以确保其在OFTM中的持续表现。通过将雌性大鼠成对饲养，以及在训练前由实验人员进行常规抓握操作，可将应激水平降至最低。为了准确评估大鼠在训练和测试期间的表现（即，大鼠选择正确或错误的食塔），应使用足够高的食塔，使大鼠必须“攀爬”上食塔并直立身体探入食杯才能获取奖励。食杯的盖子在大鼠“攀爬”食塔之前对其不可见。因此，大鼠所选择的食塔是明确无误的，实验人员可据此进行可靠评分。如果实验人员希望使用视频追踪软件分析大鼠的运动速度、移动距离和/或在迷宫特定区域停留的时间，则迷宫地面必须由与大鼠体色具有高对比度的材料制成。

可使用OFTM任务检测位置学习和反应学习的长期记忆保持能力。在完成48次训练试验后，所有大鼠可在其饲养笼中静置21天，期间不进行任何操作。这一21天的时间间隔常用于检测长期记忆的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
OFTM 建材
安全眼镜，透明，未镀膜	格雷格纳	4EY97	用于迷宫建造期间的一般眼部防护
美纹纸胶带，米色，18 毫米 × 55 m	格雷格纳	15F739	通用耗材
Wiss 万能剪刀	家得宝	37103278647	常规耗材
Lancaster 6英尺圆形折叠桌 - 重型白色花岗岩塑料 - 29"	www.webstaurantstore.com	384YCZ72RND	用作迷宫的基底
白色哑光饰面层压板台面（48 x 96 x 0.039）	家得宝	1573603504896	用作迷宫的墙壁
黑色哑光饰面层压板台面（48 x 96 x 0.039）	家得宝	1595603504896	用作迷宫的底部
粘合剂，喷雾型，24 盎司，17.6 oz 网。3M	格雷格纳	3MA16	用于将复合地板粘附于桌面，以及将各块复合地板相互粘合
16.6 盎司 #90 高强度 S	Lowe的	193252	用于将复合地板粘附到桌面
Superflex RTV，硅酮粘合密封剂，Loctite	VWR	300040-068	用于密封基座周围（迷宫的地板与墙壁之间）
工业密封剂；10.1 oz	格雷格纳	4UH06	用于密封迷宫底部（迷宫地板与墙壁之间）
画家用遮蔽胶带；Shurtape；2 ×60 yd	格雷格纳	6FET7	用于在迷宫墙壁上标记视觉图案
迷你/窄幅油漆托盘	ACE Hardware	1365105	用于盛放油漆
泡沫迷你滚筒刷 4" 6 pk	ACE Hardware	1494871	用于绘制图案
Val 样品集 Nbase 染料	ACE Hardware	1505031	用作迷宫墙壁图案的涂料
HP喷漆黑	沃尔玛	72450405005	用于在迷宫墙壁上绘制图案
刷子	沃尔玛	81773801110	用于在迷宫墙壁上绘制图案
Duct Tape, 2 ×60 yd, 10.5 毫升。黑色	格雷格纳	15F767	用于包裹迷宫的外部
4x4 8 ft PT 松木 乙烯基-CTD 带帽立柱	家得宝	40933070541	用于构建迷宫的塔
20克Pro Super Glue	Lowe's	125870	用于粘合塔顶、将塔固定在迷宫底板上，以及将食杯粘在塔顶
珠子容器 9 - 1/2	Michaels	652695766978	用作塔顶上的食物杯
喷漆，黑色，12罐 oz	格雷格纳	6KP22	用于涂抹食物杯 &和覆盖物
房间准备
Conair SU1W 声音机；10 种声音	家得宝	204493600	用于背景噪声
灯	沃尔玛	5027698392	用于迷宫房间的弱光照明
ES 14 4 瓦日光螺旋灯泡 pk	家得宝	762148208433	用于迷宫房间的昏暗照明
浴帘	沃尔玛	3429910901	用于分隔迷宫与实验操作者
窗帘杆	床铺与洗浴 &及更广泛的应用	76598645104	用于分隔迷宫与实验操作者
Froot Loops 麦片	沃尔玛	3800039122	用作奖励
记录设备
Media Recorder 3:4 视频	Noldus	NMR4-0200	用于记录训练试验
单色GigE相机	Noldus	XCFW-BG62	用于记录训练试验
Precision M4800 笔记本电脑	戴尔	N/A	用于运行视频软件