本方案描述了一种基于巴恩斯迷宫测试的行为学实验,用于研究空间环境知识如何调节本能防御行为。
方法文章
本方案描述了一种基于巴恩斯迷宫测试的行为学实验,用于研究空间环境知识如何调节本能防御行为。
进化过程选择了一系列防御行为,这些行为对于所有动物物种的生存至关重要。这些行为通常是针对天生具有厌恶性的感觉刺激所引发的刻板动作,但其成功执行需要足够的灵活性,以适应不同的空间环境,而这些环境可能迅速发生变化。本文介绍了一种行为学检测方法,用于评估小鼠空间认知学习对防御行为的影响。我们改进了广泛使用的巴恩斯迷宫空间记忆检测方法,用以研究小鼠在面对天生厌恶性感觉刺激时,如何在新环境中朝庇护所逃逸,以及它们如何适应环境的急性变化。这种新检测方法是一种基于动物行为学的实验范式,无需预先训练,可利用小鼠自然的探索模式和导航策略。我们提出,本文所述的一系列实验方案是研究目标导向行为和刺激触发导航的有力手段,应同时引起本能行为和空间记忆研究领域的关注。
本能防御行为通常被认为是固有的刺激-反应模式,例如鱼类和两栖类中的C型启动运动,这种动作可使动物迅速远离威胁源1。然而,如果防御行为能够灵活地结合 个体对当前环境所习得的信息,则可能更具适应性。此类灵活性的一个例子是啮齿类动物在面临威胁时,根据先前对环境中是否存在庇护所的认知,从逃跑行为转变为静止不动(冻结)行为2,3。其他先天行为灵活性的例子包括:根据猎物与庇护所之间的距离调整逃跑启动阈值或逃逸速度4,依据与威胁的距离5,6以及过往经验11,12进行调整,根据厌恶刺激的感官特性选择不同的防御策略7,甚至在饥饿等竞争性动机面前抑制防御行为8,9,10。行为选择对环境空间特征的已知信息的依赖性,使得小鼠的本能防御行为成为研究目标选择、空间记忆与导航机制的有力模型。本文中,我们描述了一种常用行为实验任务——巴恩斯迷宫(Barnes maze, BM)空间记忆检测方法13的改进应用,用于探究空间环境对小鼠防御性行为选择的影响,以及其在逃向庇护所过程中的导航策略。
用于研究小鼠学习和空间记忆的标准巴恩斯迷宫由一个直径约90 cm的圆形平台组成,平台上均匀分布着20个孔,其中19个孔封闭,1个孔通向地下避难所 小鼠会寻找庇护所,以避免暴露在平台的开阔环境中。实验中通常会持续使用较弱的厌恶刺激(如蜂鸣器、强光、风扇),使环境具有厌恶性,从而促使小鼠进入庇护所14在最常用的检测方法中15,16,动物会进行一次适应性试验,实验者将其放置在平台上后,立即手动引导其进入庇护所。随后是为期4天的获取阶段,每天让小鼠在迷宫中自由探索3分钟,若在规定时间内未能到达庇护所,则再次由实验者手动引导至庇护所。检测的最后阶段是在第5天进行一次探查试验th 天(尽管也常进行为期七天的长期记忆测试),此时动物在所有孔洞均关闭的情况下探索迷宫。学习和长期记忆通过获取阶段找到庇护所所需的时间、探错孔洞的次数,以及在探测试验中停留在关闭的庇护孔洞附近的时间来量化。典型结果表现为:在获取阶段,错误次数和到达庇护所的潜伏期逐渐减少;在探测试验中,动物在目标孔洞所在象限停留的时间显著高于随机水平。15.
尽管已有多种BM实验方法的变体被报道过17,18,19,但我们在此描述的范式相较于标准实验方法具有三个根本性改变。首先,动物被允许自主探索迷宫并自行发现庇护所,测试在动物找到庇护所后不久的同一实验阶段内进行,此时动物正处于探索行为活跃的时期。尽管该设置并不检测动物对庇护所位置的长期记忆,但其设计旨在模拟动物在捕食威胁下探索新环境的自然情境。此外,该设置还允许研究动物如何适应环境中的急性变化,例如景观的突然改变。其次,本实验方法的一个关键特征是实验人员从不强制将动物放入或移出庇护所,因为这种操作可能使动物迷失方向,并排除路径整合20作为一种可行的导航策略21。路径整合是一种利用自身运动线索(如来自运动输出整合所产生的本体感觉和前庭觉线索)来持续更新动物当前位置并导向目标的导航策略;若动物被实验人员被动移动,则该策略无法实现。第三,我们使用先天具有厌恶性的视觉22和听觉23刺激来诱发动物逃向庇护所的行为,这种逃避行为可轻易与持续进行的觅食行为相区分,从而能够评估并量化动物在应对迫在眉睫威胁时所采用的特定导航策略。我们提出,该实验方法将有助于解析空间记忆在防御行为选择与执行中的作用,更广泛地也适用于目标导向导航及短期空间记忆的研究。本文所述实验方案由Vale et al. 于2017年首次提出,有关实验设计原理与结果的深入讨论,建议读者参考该文献。
所有实验均在当地伦理审查通过后,依照英国1986年《动物(科学程序)法案》(PPL 70/7652)进行。
1. 行为实验装置的设置
注意:行为实验装置的主要组成部分是一种巴恩斯迷宫的变体13,由一个白色亚克力圆形平台(直径92 cm)构成,平台上沿半径方向均匀分布着20个直径为5 cm的圆形孔洞,孔洞距平台边缘5 cm。其中19个孔洞需用黑色塑料塞(深5 mm)封闭,剩余一个孔洞通向一个黑色有机玻璃避难所(尺寸为15 × 5.8 × 4.7 cm),小鼠可轻松进出。实验区域的中心部分为一个固定的圆形平台(直径22 cm),外围部分安装在一个支架上,可通过计算机控制的步进电机实现360度旋转。平台距离地面高度为45 cm,以防止小鼠爬下。参见图1中的示意图。
2. 传递固有厌恶刺激
注意:下述刺激可通过多种不同软件包生成,包括 LabVIEW 和 Matlab。
3. 动物:
4. 标准行为学实验:
注意:步骤 5、6 和 7 是标准行为实验的独立变体,可各自单独进行。
5. “导航策略”行为学实验:
注意:本实验的目的是确定小鼠在引导逃避行为时所利用的线索。在本实验中,当小鼠位于固定的中央区域时,平台可移动的外圈部分会被旋转,从而导致庇护所、庇护所内部的嗅觉线索以及附着在平台上的近端视觉线索发生径向位移。如果小鼠依赖的是随平台旋转的任一线索来导航至庇护所,它将正确逃向庇护所的新位置;但如果小鼠利用的是保持不动的其他线索,则会朝向庇护所原先的位置移动。
6. “动态环境”行为学实验:
注意:该实验旨在评估小鼠如何适应环境中的突发变化。在这些实验中,先诱发至少一次逃跑反应,然后改变庇护所的位置,并允许小鼠在下一次逃跑反应被触发前访问新位置一次。如果小鼠能够准确更新庇护所的新位置,并意识到原位置已无庇护所,则应逃向新位置。否则,小鼠可能尚未记住庇护所的新位置,或同时记住了两个位置但更倾向于逃向旧位置。
7. “无庇护所”行为实验:
注意:本实验的目的是了解环境中缺乏庇护所对防御行为表达的影响。
8. 数据分析:
注意:以下每个数据分析步骤均可独立执行。
暴露于听觉或视觉刺激的小鼠表现出快速逃跑反应,刺激开始与逃跑启动之间的潜伏期较短。对视觉刺激的平均逃跑潜伏期为 202 ± 16 ms(来自 26 只动物的 51 次反应),而听觉刺激的潜伏期显著更长:510 ± 61 ms(来自 15 只动物的 36 次反应,视觉与听觉刺激之间的 p<0.0001,t检验;图2A)(步骤 8.1)。逃跑反应准确指向庇护所(视觉刺激的平均准确率为 97.2 ± 1.4%,听觉刺激为 95.0 ± 1.4%,两种刺激类型之间无显著差异,p = 0.1655,t检验;图2B)(步骤 8.4),且逃跑轨迹接近直线(视觉刺激的位移与到庇护所距离的平均比值为 107.3 ± 1.3%,听觉刺激为 113.9 ± 1.5%;图2C)(步骤 8.3)。观察到刺激后的短潜伏期对于区分刺激诱发的行为与归巢行为至关重要,而逃跑轨迹的高度线性表明,逃跑反应的目标是抵达庇护所,而不仅仅是远离刺激源。
当小鼠静止于中心平台时(旋转角度范围 = 36°–90°,平均 56°),旋转迷宫外环后呈现刺激可成功诱发逃避反应(步骤 5)。所有小鼠均朝向遮蔽物原先的位置逃逸,且与旋转前试验相比,逃逸轨迹的准确性和线性未见下降。以原始遮蔽物位置为参照,旋转前的平均准确率为 96.3 ± 1.3%(n = 8 只小鼠的 25 次反应),旋转后甚至略有升高(100 ± 0%,p = 0.009,旋转前后 t 检验);旋转前逃逸轨迹相对于原始遮蔽物位置的平均线性度为 109.4 ± 5.0%(8 只小鼠的 25 次反应),旋转后为 109.1 ± 2.1%(n = 8 只小鼠的 8 次反应),p = 0.957(旋转前后 t 检验),图 3A 和 B)。这些结果表明,近端视觉线索并未用于引导逃向遮蔽物的运动(步骤 8.3–8.5)。
在诱发一次成功的逃跑反应后改变庇护所的位置(步骤6),小鼠会在位置改变后很快前往新的庇护所位置(到达新庇护所的平均时间为33.1秒,范围为4-82秒)。随后连续进行的声音刺激试验显示,小鼠逃向新位置的概率逐渐增加(第一次试验时为44.4%),到第五次试验时所有动物均100%逃向新位置(n = 9只动物,图3C)。这些实验探究了动物更新庇护所位置记忆的动态过程,以适应环境中的变化(步骤8.6)。
在迷宫中进行7分钟的适应期(无遮蔽物,步骤7)后,呈现持续5秒的视觉刺激会引发小鼠的僵直行为而非逃跑行为(僵直概率 = 95.2%,平均僵直时间 = 7.9 ± 2.7 s,n = 7只动物)。在同一实验阶段中随后引入遮蔽物并再次呈现长时视觉刺激,则可靠地诱发了逃跑反应,表明小鼠能够根据是否存在庇护所灵活切换防御策略(图3D)(步骤8.1和8.7)。

图1:行为实验装置示意图。 从顶部(右)和侧面(左)观察的行为实验装置主要组成部分示意图。平台的大部分可以旋转,包括遮蔽物及其附带的视觉线索。俯视图中的黑色圆圈为可连接遮蔽物的孔洞,所有孔洞均相同(图中指示了一个示例遮蔽物位置)。整个实验装置置于一个隔音柜内。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:逃逸反应是快速且准确的目标导向行为。(A)从小鼠接受视觉或听觉刺激开始到启动逃逸行为的潜伏期。(B)逃逸过程中导航至庇护所的准确性,其测量方式定义为:若小鼠直接跑向正确庇护所,则得分为100%;每偏离一个孔位,得分减少10%(例如,若首次到达的孔比正确孔偏移两个孔位,则得分为80%)。(C)小鼠在逃逸过程中的位移与动物初始位置和目标位置之间直线距离的关系图,显示逃跑路径接近直线。箱须图显示了10%至90%百分位的数据,其余数据点以圆圈表示。红色图表为听觉刺激下的数据(来自15只动物的36次反应),黑色图表为视觉刺激下的数据(来自26只动物的51次反应)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:小鼠不利用近端视觉线索或与庇护所相关的线索来引导逃避反应。 (A) 位移图,如 图2C,用于分析平台旋转前后的小鼠反应。(B)小鼠在旋转前后条件下逃逸过程中的导航准确性。旋转后的准确性以庇护所的初始位置为参照,结果显示小鼠返回原始庇护所位置而非其新位置。(C)朝向新庇护所位置的逃逸反应比例随刺激次数的变化图。在第5次刺激后th 刺激呈现后,所有动物均直接逃向新的庇护所位置(n = 9)。(D) 动物在视觉刺激下的平均速度,红色表示有庇护所可用时的逃跑反应,蓝色表示无庇护所时的僵直反应。速度已标准化为基线水平,并以反应时间(定义为逃跑或僵直反应的起始时刻,虚线所示)为对齐点。阴影区域表示标准误(SEM)(n = 7)。对于图2A和2B,箱线图显示10–90百分位范围内的数据,其余数据点以圆形表示。红色数据点为平台旋转前听觉刺激的反应(来自8只动物的25次反应),蓝色数据点为平台旋转后听觉刺激的反应(来自8只动物的8次反应)。 请点击此处以查看此图的放大版本。
本文所述的实验在技术上易于操作,除平台旋转实验外,均可在标准的巴恩斯迷宫中轻松实施。然而,仍可能出现一些问题:一方面,小鼠可能表现出不愿进入避难所,这可能是由于避难所未充分清洁或干燥所致 ;另一方面,小鼠可能在避难所内停留极长时间。在这些实验中至关重要的是,绝不能手动将动物从避难所中移出,因为这会干扰路径整合过程,同时引起动物应激反应,并改变其对威胁的反应行为。我们建议在90分钟后终止实验,必要时可在48小时后重新测试。另一个重要的实际考虑是,当小鼠探查平台边缘时,若其头部倾斜至边缘之外,可能无法感知视觉刺激,因此我们建议在此类情况下暂停刺激呈现。此外,小鼠偶尔可能从平台上跳下。我们建议终止实验,并在48小时后重新测试。一旦小鼠主动离开平台一次,则未来再次发生该行为的可能性较高,此类个体可能需要从研究中剔除。最后,根据我们的经验,大多数小鼠会对视觉刺激产生反应(36只小鼠中有34只出现反应)。然而,若小鼠对视觉刺激完全无反应(无论是惊吓、逃跑或僵直反应),则应将其从研究中排除。
需要考虑的一个重要问题是,感觉线索的控制通常是空间记忆检测中的一个难题,因为通常很难消除所有可能的干扰线索来源。我们的实验装置通过用墙体包围迷宫来减少外部视觉线索,并将装置放置在隔音柜内以实现声音隔离。为了尽量减少嗅觉线索,我们建议在每次实验之间使用70%乙醇或乙酸对装置进行彻底清洁。
我们的行为学检测方法通过利用本能防御行为来探究空间记忆,并聚焦于生态学相关的情境,从而补充了以往研究空间导航的方法26。本方法与标准避暗检测(BM)之间的一个关键区别在于无需进行训练阶段。在我们的检测中,适应期可确保小鼠至少一次(通常更多次)进入庇护所,我们此前已证明这足以使小鼠记忆庇护所的位置2。我们认为,尽管没有训练过程,小鼠仍能高效且准确地找到庇护所,一个重要原因是在实验过程中从未被动转移动物,从而使路径整合成为一种可行的导航策略。然而需要指出的是,我们的检测仅涉及在单次实验过程中形成并评估的记忆,尚未检验对庇护所位置的长期记忆,而后者通常是标准BM实验的目标。最后,与在实验全程使用常见的风扇或蜂鸣刺激不同,我们的检测采用离散的、天生令人厌恶的刺激,从而能够很好地控制两种可能依赖不同导航策略的行为:觅食行为和朝向庇护所的逃逸行为。我们认为,将这些检测方法与现代神经科学技术(用于记录和操控神经活动)结合使用,将有助于深入理解神经回路如何计算并产生行为。
结果部分包含的大多数数据是Vale et. al 2017年所发表数据的一个子集。
本工作由惠康信托/皇家学会亨利·戴尔研究员项目(098400/Z/12/Z)、英国医学研究理事会(MRC)资助项目MC-UP-1201/1、惠康信托与盖茨比慈善基金会SWC研究员项目(授予T.B.)、MRC博士生奖学金(授予D.E.和R.V)以及勃林格殷格翰基金会博士生研究员项目(授予R.V)资助。我们感谢Kostas Betsios编写数据采集软件,感谢LMB机械与电气车间搭建实验场地。
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