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方法文章

评估大鼠不同冲动行为表现的三种实验方法

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DOI：

10.3791/59070

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2019年3月17日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratorio de Neurociencias, Universidad Iberoamericana, 2Departamento de Psicología, Universidad Anáhuac México Sur, 3Departamento de Salud, Universidad Iberoamericana

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

我们介绍了三种用于评估大鼠及其他小型哺乳动物不同形式冲动行为的实验方案。跨期选择程序用于评估个体对延迟结果的价值贴现倾向。低反应率差异强化和特征阴性辨别分别用于评估在有或无不当反应惩罚条件下动物的反应抑制能力。

摘要

本文提供了一种用于实施和分析三种基于条件反射的实验方案以评估大鼠冲动性的指南。冲动性是一个重要的概念，因其与人类的精神疾病以及非人类动物的适应不良行为相关。目前认为，冲动性由多个独立的因素构成。已有研究设计出相应的实验室方案，利用标准化的自动化设备来评估各个因素。延迟折扣（delay discounting）与个体难以被延迟结果所激励的能力缺陷相关，该因素通过时间间隔选择范式进行评估，该范式包括 呈现给个体一种选择情境，即在即时奖励与更大但延迟的奖励之间进行抉择。反应抑制缺陷与无法抑制优势反应的能力相关。低反应率差异性强化（DLR）和特征负性辨别任务用于评估冲动性中的反应抑制缺陷因素。前者对有动机的个体设定条件，要求其在反应获得奖励前必须等待至少一段最短时间；后者则评估个体在出现食物缺失信号时抑制觅食反应的能力。这些实验方案的目的是建立一种客观的、可量化的冲动性测量指标，以实现跨物种比较，并为转化研究提供可能。这些特定方案的优势在于其简便的设置与应用，这源于所需设备较少以及方案本身的自动化特性。

引言

冲动性可被概念化为一种与适应不良结果相关的行为维度1。尽管该术语被广泛使用，但学界对其精确定义尚未达成普遍共识。事实上，一些研究者通过列举冲动行为或其后果来定义冲动性，而非明确界定支配该现象的独特特征。例如，冲动性被认为涉及无法等待、缺乏计划能力、难以抑制优势行为，或对延迟结果不敏感2，并被视为成瘾行为的核心易感因素3。Bari 和 Robbins4 将冲动性描述为强烈冲动与功能失调的抑制过程共同作用的结果，其中冲动由个体特质和情境变量触发。Dalley 与 Robbins 提出了另一种定义，认为冲动性是一种倾向于快速且常为过早行动的倾向，且缺乏适当的洞察力5。此外，Sosa 与 dos Santos6 提出的冲动性定义则指一种行为倾向：由于与奖励偶然相关的刺激对个体反应产生了控制作用，导致个体偏离最大化获取可用奖励的行为路径。

由于冲动性与多种行为过程相关，其神经生理学基础涉及与动机行为、决策和奖赏评估共同的脑区结构。研究表明，皮质-纹状体通路（例如伏隔核 [NAc]、前额叶皮层 [PFC]、杏仁核和尾状壳核 [CPU]）以及上行单胺能神经递质系统均参与冲动行为的表达7。然而，冲动性的神经基础比上述结构更为复杂。尽管伏隔核和前额叶皮层参与了冲动行为，但这些结构本身属于更复杂的系统，并且各自又包含具有不同功能的亚结构（详见 Dalley 和 Robbins5）。

尽管关于其本质和生物学基础仍存在争议，但这种行为维度在个体间存在差异，此时可将其视为一种特质，而在同一个体内也会发生变化，此时可将其视为一种状态8。冲动性长期以来被认为是某些精神疾病特征的一部分，例如注意缺陷多动障碍（ADHD）、物质滥用以及躁狂发作9。目前普遍认为，冲动性由多个可分离的因素构成，包括不愿等待（即延迟折扣）、无法抑制优势反应（即抑制功能缺陷）、难以集中注意力于相关信息（即注意力不集中），以及倾向于参与高风险情境（即寻求感觉）5,10,11。这些因素中的每一个均可通过特定的行为任务进行评估，这些任务通常被分为两大类：选择任务和反应抑制任务（不同研究者的分类体系中可能使用不同的术语）。这类行为任务的一些重要特征是，它们可应用于多种动物物种2，并且能够在受控的实验室条件下对冲动性进行研究。

利用实验室非人类动物建立行为维度模型具有多项优势，包括能够测量特定且可操作化的行为倾向，使研究人员能够在很大程度上减少混杂变量（例如，避免过往生活事件的干扰4），并实施实验性干预，如长期药物处理、神经毒性损毁或基因操作。这些实验方案中的大多数均有对应的人类版本，便于进行跨物种比较5。尤为重要的是，在人类中应用这些实验室方案的对应版本，有助于精神疾病（如注意缺陷多动障碍，ADHD）的诊断，尤其在联合使用多种方案时效果更为显著12。

与其他心理测量方法一样，用于评估冲动性的实验室方案必须符合特定标准，才能实现揭示所研究现象本质的目标。要被视为冲动行为的合适模型，实验室方案应具备可靠性，并具有一定程度的表面效度、构念效度和/或预测效度13。可靠性可能意味着：如果对测量进行两次或更多次相同的操作干预，其效应能够重复出现；或者该测量在时间推移或不同情境下保持一致14,15。前一种特性对于实验研究尤为有用，而后一种则更适用于相关性研究14。表面效度指的是所测量内容与拟建模现象之间的相似程度，例如是否受到相同变量的影响。预测效度指的是一种测量方法预测未来在其他旨在测量相同或相关构念的方案中表现的能力。最后，构念效度指的是该方案是否能够重现理论上与所研究现象涉及的一个或多个过程相符的行为。然而，尽管这些是理想特征，但在仅基于上述标准判断某一方案具有效度时，仍需谨慎对待16。

在实验室环境中，有多种用于测量冲动性的实验方案。然而，本文仅介绍其中三种方法：跨期选择、低反应率差异强化以及特征-负性辨别。跨期选择程序旨在评估冲动性中的延迟折扣成分（即延迟获得的结果对行为的控制能力较弱）。该方案的基本原理是让受试者在两种奖励之间进行选择，这两种奖励在大小和延迟时间上均不相同17。其中一个选项提供较小但即时的奖励（称为较小但较早，SS），另一个选项则提供较大但延迟的奖励（称为较大但较晚，LL）。对SS选项做出反应的比例可作为冲动性的一个指标18。在低反应率差异强化程序中，所评估的冲动性因素是反应抑制能力（即无法抑制优势反应），其条件是在发生不当反应时会引入负性惩罚。该方案的基本原理是使受试者处于一种情境中，即只有通过暂停反应才能获得奖励19。最后，特征-负性辨别程序用于评估在不当反应不会引发明确惩罚的情况下，受试者的反应抑制能力。该方案（也称为经典条件性抑制或A+/AX-程序）的基本原理是评估受试者抑制不必要反应的能力20。

与其它方法相比，这些操作程序具有一些便利性特征。例如，本文介绍的程序适用于在设备最简化的条件反射室（也称为“斯金纳箱”）中进行。 图1 显示了一个典型条件化实验箱的示意图。由于具备多种优势，条件化实验箱是一种有用的研究工具。它们能够自动收集相对大量的数据，最大限度地在同一时间与空间内评估更多受试对象。21此外，在条件反射实验箱中进行的行为学研究需要研究人员的干预极少，从而减少了实验室人员投入的时间和精力，而其他现有方法（如非自动化T型迷宫、转换任务箱）则不具备这一优势。21最大限度地减少研究人员的干预还有助于降低研究者偏倚，减小研究人员学习曲线的影响，并减少操作引起的应激反应22典型的条件化实验舱经过相对标准化设计，适用于中等体型的啮齿类动物，例如大鼠（R. norvegicus），但也可用于研究其他类群，例如体型相似的有袋类动物（如 D. albiventris 和 L. crassicaudata23）。也有适用于较小动物（如小鼠[M. musculus]) 和较大型物种（例如非人灵长类动物）。与更复杂的方法（例如五选择序列反应时间任务 [5-CSRTT]）不同，建立和实施本文所述方案所需的编程技能极少，并且仅需数量较少且易于获得的输入和输出设备。24 以及信号追踪25).

静态平衡概念示意图；展示盒内矢量力和流体动力学实验装置。
图1：条件化实验舱原型示意图。 条件化实验舱的主要组件包括：（1）左侧杠杆，（2）食物容器（配备侧向红外二极管以检测头部进入），（3）聚焦光源，（4）声音发射扬声器（后视图），（5）笼内照明灯（后视图），（6）食物分发器。请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

本节所述的三种实验方案均需使用大鼠作为实验对象。大多数实验室大鼠品系均适用，例如 Wistar、Long-Evans、Sprague-Dawley 等。 Universidad Iberoamericana 的伦理委员会依据《实验动物护理与使用指南》（美国国家研究委员会生命科学实验动物资源研究所，1996 年）批准了本研究所述的实验方案。

1. 动物饲养与准备

  1. 确定将使用的实验大鼠数量。这取决于多个因素，例如所选的实验设计类型、所需的统计效能、研究成本以及可用于开展研究的时间26。
  2. 使用永久性标记笔标记每只大鼠的尾巴，以用于识别。
  3. 将大鼠单独饲养或以小组形式（2–5只）饲养，并自由提供饮水。
  4. 限制大鼠的食物摄入，以增强其参与实验方案的动机。对于单独饲养的大鼠，一种简便的食物限制方法是将其体重降至自由进食状态下的85%（仅适用于成年大鼠）27。在实施实验方案后，通过提供补充食物来维持该目标体重。对于群体饲养的大鼠，在每天实施实验方案后提供60分钟的进食时间27。
  5. 将条件化实验箱置于隔音和避光的外壳内。

2. 初步训练

注意：在开始任何行为学实验方案之前，大鼠需要先适应条件化实验箱和食物颗粒。同时，必须对动物在实验方案中所需执行的反应进行训练。本文介绍的三种实验方案均采用奖赏性动机来诱导表现出冲动性的行为，这与大多数其他现有的替代性任务相似（少数例外情况除外28）。传统的食物分配器非常适合递送市售的精制谷物和糖颗粒，在某些情况下甚至可以处理“未加工”的谷物29。

  1. 适应期
    1. 开始食物限制方案后，将大鼠放入条件化实验箱中，不启动任何实验程序，持续30分钟，以适应探索行为。在每次实验开始时，在食丸 receptacle 中放置60颗食丸，以减轻对食物的陌生恐惧（食物新奇恐惧）。
    2. 每天重复该过程，直至大鼠吃掉所有食丸。
  2. 食丸仓训练
    1. 完成适应阶段后，将大鼠每日两次放入条件化实验箱，进行额外的30分钟训练，每隔45秒自动投放一颗食丸。该步骤有助于大鼠识别食丸的来源位置。
  3. 压杆训练
    1. 仅用于跨期选择和差时强化（DRL）实验方案。
    2. 将一个（用于DRL）或两个压杆（用于跨期选择）推入实验箱内，并启动连续强化程序，即每次压杆操作均投放一颗食丸。该程序同时结合每45秒自动投放一颗食丸的自由获取机制（即交替的FR1-FT45秒强化程序30），与前一阶段相同。每次训练可持续30分钟。
    3. 当大鼠连续两天每天获得80次奖励后，每日重复训练。
  4. 逐步逼近塑形法
    1. 若大鼠在四次训练内未达到标准，可采用此方法。
    2. 打开条件化实验箱的隔离外壳，观察大鼠行为。每当大鼠做出接近目标行为（即压杆）的反应时，给予一颗食丸作为奖励。此类近似反应包括靠近、嗅闻或触碰压杆。
    3. 一旦大鼠能稳定执行近似反应，即停止对此类反应给予奖励，并开始要求更接近目标行为的反应。根据需要重复此过程。

3. 编程自动化方案

注意： 文中所使用的参数值（例如，延迟时间、奖励量、试验次数、实验会话时长、程序设定值、超时持续时间、试验间间隔时长、强制试验的阈值、伴随刺激的有无、刺激持续时间）均为任意选定。读者可根据自身研究目标，参考相关文献以确定合适的实验参数与条件。本研究所述三种实验方案在 MED-PC 环境下的实现代码已存放在以下网址的代码库中：https://github.com/SaavedraPablo/MED-PC-codes。这些代码可自由下载，并根据具体需求进行修改使用。

  1. 跨期选择
    1. 选择奖励的延迟时间和奖励幅度。例如，选择较小且即时（SS）选项可立即获得1个食物颗粒，而选择较大且延迟（LL）选项则在20秒固定延迟后获得5个食物颗粒。
    2. 设定一个结束标准。在达到预设标准后自动结束实验阶段。例如：完成40次选择试验后或经过50分钟后结束该阶段。
    3. 在条件反射箱内将每个选项与一个杠杆（左侧或右侧）配对，并在被试间平衡选项的左右位置分配。
    4. 将两个杠杆同时投影到条件反射箱中，并在完成可变时间间隔程序30后呈现SS和LL选项。当某个时间间隔结束后首次按压杠杆时，即激活与之关联的选项（包括相应延迟）。以伪随机方式改变该时间间隔的持续时间，可防止被试对某一特定选项产生绝对偏好。
    5. 在完成强化的可变时间间隔程序后，收回两个杠杆，并启动与SS或LL选项相关的后果。
    6. 在奖励呈现后实施时间暂停条件（以主灯光熄灭作为信号）。调整该条件的持续时间，使两种选项的平均试次间间隔时间相等。时间暂停结束后，开始下一次选择试验。图2展示了跨期选择程序中连续两次试验期间事件的时间序列示意图。
    7. 实施强制试验。如果被试在连续两次试验中选择了同一选项，则程序将安排下一次试验为另一选项的强制试验。即在下一次试验中两个杠杆均出现，但仅有一个杠杆有效。这可确保被试能够体验到与两个选项相关的结果。
    8. 当完成预设的试验次数或达到最长实验时间时，结束当天的实验阶段。

基于时间的序列图；流程图；可视化时间线分析；带标签事件；教育用途。
图2：时间折扣选择程序中连续两次试验的输入与输出事件示意图。 典型的时间折扣选择程序示意图，展示连续两次试验中的小而早（SS）备择选项与大而迟（LL）备择选项。每一行表示特定输出或输入事件发生的时间序列。SS时间线中的尖峰代表对SS选项的选择 较小但更早 替代的 （在完成可变间隔程序后）。LL时间线中的尖峰代表对左侧选项的选择 较大的后期替代方案 (同上）。Rw时间线中的星号代表 奖励递送。 手术时间线中升高的平台期代表了 回应机会 （通常会有信号提示，其持续时间根据个体达到指定标准所需的时间而变化）；TO 代表 超时 奖励呈现后开始，到下一次试验开始时结束；在此期间，两个杠杆均被收回。注意，为了使试次间间隔相等，不同试次类型（SS选择或LL选择）的超时持续时间有所不同。 请点击此处以查看此图的放大版本。

  1. DLR
    1. 选择响应后获得奖励所需的最短时间值。例如，10 秒。
    2. 在一次实验开始时或任意一次压杆响应后，从选定的时间值（例如，10 秒）开始倒计时至零。如果受试者在计时器到达零之前作出响应，则计时器重置，因此它们必须等待下一个获得奖励的机会。如果受试者在计时器到达零之后作出响应，则递送一粒食物奖励，并在 2 秒后重置计时器（这允许动物消耗食物）。图 3 展示了一些可能的响应模式及其相应的程序化结果。
      注意：在 2 秒的奖励取回间隔期间，响应不被记录，这可能会影响突发响应比例，尤其是在大鼠足够快地吃完食物并恰好立即再次响应，或未能察觉食物已递送的罕见情况下。可通过使用提示信号来标示 2 秒的奖励取回间隔以缓解此问题31。然而，先前的研究表明，即使没有提示信号，此类响应的数量也微乎其微。
    3. 在达到预设的实验时长和/或奖励次数标准后结束实验。

DNA序列比对示意图；标注核苷酸位置；R、Rw、Cl的比较分析
图3：DRL 15 s程序中假设的反应模式及其编程结果示意图。 R时间线中的尖峰表示受试者自发产生的反应时间序列。Rw时间线中的星号表示奖励发放的时间序列。Cl行下方的数字表示一个时钟，从15秒开始倒计时，显示距离下一次可产生反应并获得奖励的时间剩余量。请注意，只有当距离上一次反应已过去至少15秒时，给予反应才会触发奖励发放。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 特征负性辨别
    1. 选择刺激持续时间、试次间隔时间以及实验阶段的终止标准。例如，条件刺激采用8 s的持续时间，试次间隔采用可变的92 s，终止标准为完成24次试次。
    2. 以伪随机顺序呈现两种类型的试次：A+ 和 AX-，每种各占50%。其中A和X代表不同类型的刺激，加号和减号分别表示给予或不给予食物。A+试次：开启一个聚焦光源（刺激A）持续8 s，随后递送两粒食物颗粒（+）。AX-试次：开启一个聚焦光源（任一侧）持续8 s，同时播放一个声音刺激（刺激X），但不给予食物（-）。图4展示了每种试次程序化事件的示意图。
    3. 根据预设的时间和/或试次次数标准结束该阶段实验。

经典条件反射示意图，刺激-反应的行为模式；实验结果。
图4：特征-负性辨别程序中所用试次类型的示意图。 A时间线上的升高表示兴奋性刺激的起始。X时间线上的升高表示抑制性刺激的起始。食物时间线上的星号表示食物递送。(A) A+试次包括呈现兴奋性刺激，随后给予食物。(B) AX-试次包括兴奋性刺激与抑制性刺激联合呈现，但不给予食物。请注意，为了获得更好的实验结果，试次必须随机穿插，并由相对较长的试次间间隔分隔开。 请点击此处查看该图的放大版本。

4. 运行实验方案

  1. 每天在固定时间进行实验操作，并始终将大鼠放入相同的操作箱中。
  2. 在计算机软件中设置实验程序。确保在输出文件中正确标注受试动物名称、实验条件和研究项目。
  3. 使用乙醇或含氯溶液清洁操作箱的内壁、天花板和栅格地板，以去除先前实验环节或研究留下的气味。
  4. 通过计算机手动激活并监控各项关键输入和输出设备，确保其正常工作。
  5. 检查食物分配器中是否存有足量食物，以保证在整个实验过程中能够持续供给。
  6. 将饲养笼（内含大鼠）移至条件反射箱附近。
  7. 打开饲养笼，轻柔地将每只大鼠转移至对应的操作箱中，随后关闭操作箱及其隔音外壳。
  8. 启动程序并等待运行结束。若数据未自动保存，需手动将本次实验的输出文件保存至计算机硬盘或其他存储设备。
  9. 程序结束后，轻柔地将大鼠逐一送回其对应的饲养笼中。
  10. 根据所选的食物限制方案，为大鼠提供补充食物。

5. 数据收集与分析

注意： 每种实验程序从 MED-PC 输出文件（以 .txt 扩展名保存）中提取和处理数据的代码均提供于以下网址的代码库中：https://github.com/SaavedraPablo/MED-PC-to-R-codes。

  1. 跨期选择
    1. 记录在小而快（SS）备择选项和大而慢（LL）备择选项中的杠杆按压次数。
    2. 将SS备择选项的反应次数除以总反应次数，以获得冲动性反应的比例。或者，将SS备择选项的反应次数除以LL备择选项的反应次数，以计算冲动性反应的比率。对比率数据取常用对数，以消除分布的偏态。

行为学研究分析中的反应间隔直方图，相对频率分布
图5：一只大鼠在DRL 10 s方案单次实验中的IRT分布直方图。 分布呈双峰型，其中一个峰值出现在极短的反应时间（爆发式反应），另一个峰值则集中在实验方案的时间标准附近（定时反应）。还需注意，在定时反应分布的右侧较远处，存在少量反应的聚集（注意力 lapses）。数据提取自第 9 个th 大鼠6在最近一项未发表研究中DRL方案的一次实验会话。 请点击此处以查看此图的放大版本。

  1. DRL
    1. 在程序中设置一个计数器变量，该变量从会话开始时起随每个时间单位递增。
    2. 在每次反应发生时，将计数器变量的值记录到各反应对应的数值列表中。这将提供反应的累积记录，即每次反应在会话期间发生的精确时间。
    3. 获取反应的累积记录，并从每个值中减去该累积值， i，与先前的数值相比， i – 1，以获得作为研究变量的反应间时间（IRTs）。
    4. 绘制一只大鼠在一次实验会话中以1秒为间隔的IRT直方图，以便直观检查数据。对于典型的熟练受试动物，该分布应呈现双峰形态，一部分数据聚集在左侧，另一部分数据集中在DRL方案所设定的时间要求附近。 图5 显示了一只大鼠在单次会话中DRL方案下的典型表现示例。
    5. 分类IRT的类型。如上所述，典型受试者的IRT分布呈双峰形态。这种分布形态的一种可能解释是，它由（至少）两种反映不同过程的分布混合而成32.
      1. 分类表明注意力 lapses 的 IERs。
        1. 过长的反应时间（IRTs）可能表明注意力 lapses（即大鼠未参与任务的时段）33一种有效的处理方法是将极端右偏的离群值从其余数据中分离出来32例如，将右偏分布的四分位距乘以某个任意常数（如 3），然后将所得数值加至该分布的中位数上，以确定一个临界值，该值用于标识注意力 lapses 与其余数据之间的分界。32.
      2. 将反应归类到左侧或右侧分布中（在剔除异常值后）32).
        1. 左偏分布或 爆发反应 分布由过短的反应时间组成，这被解释为多动性的指标34 或因注意力缺乏和/或反应反馈缺失35另一方面，向右偏移的反应时间分布或定时反应分布中的个体反应时间（IRTs）被认为表明受试者的反应顺应了实验程序的时间限制。32. 或使用任意的截断值来分类左偏和右偏分布的边界31 或使用数学建模来实现32,33,36.
      3. 确定定时反应分布的参数。
        1. 密切关注经验丰富的动物向右的分布情况，该分布通常占据大部分IRTs，被视为数据集中最重要的部分。
        2. 两个关注的参数是其峰值的位置和分布范围。前者可作为抑制过早反应能力的指标；时间标准向左偏移可被解释为提示冲动性增强37后者表示时间估计；分布越窄，时间精度越高32,40,43通过简单的描述性统计或更复杂的数学建模来估计这些参数40,43,33.
        3. 有关将DRL数据拟合到Sanabria和Killeen提出的理论分布的实用指南33，参见这些作者提供的补充材料。
      4. 获得全局效率指标。
        1. 如果实验阶段的结束标准是时间性的（即实验阶段持续时间恒定），则将获得的奖励次数除以产生的反应次数，以获得效率的度量。如果结束标准是特定数量的奖励，则计算奖励率，即奖励次数除以实验阶段持续时间。需要注意的是，这些全局性指标对于动物在实验方案中如何获得或失去奖励的细节反映较少，仅可作为粗略参考。
  2. 特征负性辨别
    1. 记录A+和AX-试验中反应的频率或持续时间。条件反应的主要测量指标可能是平均反应频率38，平均反应持续时间39或至少有一次反应的试验所占的百分比。
    2. 在选择偏好的条件反应指标后，用每个被试在特定实验阶段A+试次中的反应值减去AX-试次中的反应值，所得差值即为冲动性的负向指标。40即两个值之间的差异越小，冲动性越强。
      注意： 该任务的数据非常适合基于信号检测理论指标的分析41,42可用于补充简单的减法测量方法。

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结果

本文所述的三种实验方案可单独实施，也可与其他实验程序联合使用；具体选择取决于研究问题，而研究问题又决定了研究设计。以下是一些与这些实验方案兼容的研究设计示例：（1）时间序列研究，旨在描述行为表现的纵向变化；（2）个体变异性量化研究，旨在确定测量指标的可靠性；（3）横断面相关研究，旨在评估某一实验方案中的表现是否可用于预测后续另一实验方案中的表现；（4）纵向相关研究，旨在确定某一实验方案中的表现是否可用于预测同时进行的另一实验方案中的表现；（5）非实验性组间比较，旨在评估来自不同人群的两个或多个样本在冲动性行为表现上是否存在差异；（6）前测-后测比较，旨在确定某种干预措施（如行为学、药理学、外科手术干预）是否能有效改变（如增强、减弱或稳定）冲动性行为表现；（7）实验性简单组间比较，旨在评估某种干预措施是否能有效改变冲动性行为表现，但无法获取前测数据（例如，在发育早期实施、旨在影响成年期行为表现的干预措施）。本列表并非穷尽所有可能，鼓励采用多种研究设计的组合形式。

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讨论

本文介绍了一系列用于检测大鼠冲动性的多样化实验方案。这些特定方案因其编程和数据分析简便，且所需操作设备和刺激装置少于其他可选方法而受到青睐。有效实施这些方案包含若干关键步骤，例如：（1）提出研究问题，（2）选择合适的研究设计，（3）编写选定方案的程序，（4）开展实验，（5）收集数据，（6）分析数据，以及（7）解释数据。合理构建研究问题有助于缩小可能的研究路径范围。一个聚焦明确的研究问题更可能引导出恰当的研究设计，从而帮助研究人员深入理解所选主题。这些方案的一个核心特点是高度自动化。为了实现对条件化实验箱的无误操作和数据的自动采集，必须编写详尽的程序代码。若实验执行得当（每日在同一时间由相同实验人员操作，并充分考虑主要混杂因素），这些方案可产生大量可在多种分辨率下进行解释的数据；例如，以分子级方式（逐次反应）、逐次试验方式、会话内区块、跨会话等不同层次进行分析。

本文所述方案已在其他地方得到验证。例如，Orduña 采用跨期选择程序的并发链式版本，37 发现有力证据表明，与对照组动物相比，ADHD大鼠模型表现较差（参见

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢 Florencia Mata、María Elena Chávez、Miguel Burgos 和 Alejandro Tapia 提供的技术支持。同时感谢 Sarah Gordon Frances 对本文初稿提出的宝贵意见，以及 Vladimir Orduña 慷慨提供已发表论文中的原始数据。感谢 Claudio Nallen 制作了图1中的示意图。我们感谢墨西哥城伊比利亚美洲大学研究办公室（Dirección de Investigación de la Universidad Iberoamericana Ciudad de México）资助了本文的语言润色/编辑服务及视频制作费用。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
25 针电缆Med AssociatesSG-213F连接智能控制卡与智能控制面板
40 针带状电缆Med AssociatesDIG-700C连接计算机与接口机柜
计算机Dell Computer CompanyT8P8T-7G8MR-4YPQV-96C2F-7THHB用于控制和监控实验方案’的运行过程
导电电缆Med AssociatesSG-210CP-8通过机架式电源为智能控制面板供电
带底座的食物分配器Med AssociatesENV-203M-45 (12937)静音提供 45 mg 食物颗粒 
头部进入检测器Med AssociatesENV-254-CB利用红外光束检测动物头部进入食盒的行为
笼内照明灯Med AssociatesENV-215M为实验箱内部提供 均匀的漫射照明  
接口机柜Med AssociatesSG-6080D可容纳最多八块智能控制卡的模块化机箱
Med-PC IV 软件Med AssociatesSOF-735将代码转换为控制输出设备并记录/存储输入信息的指令
多频音调发生器 Med AssociatesENV-223 (597)用于控制音调频率
面板填充件Med AssociatesENV-007-FP在未使用设备时填充模块化墙壁上的空位
颗粒食盒Med AssociatesENV-200R2M接收并暂存由分配器传送的食物颗粒
机架式电源Med AssociatesDIG-700F为接口机柜供电
可伸缩杠杆Med AssociatesENV-112CM (10455)检测压杆反应；可根据需要伸入或缩回实验箱内
智能控制卡Med AssociatesDIG-716控制一个条件化实验箱最多八个输入和四个输出 
智能控制面板Med AssociatesSG-716 (3341)将智能控制卡连接至条件化实验箱内的各个设备
扬声器 Med AssociatesENV-224AM用于在实验箱内提供音调刺激
标准大鼠用模块化实验箱Med AssociatesENV-008由铝制框架构成，专为安装各类模块化设备而设计 
标准隔音、避光及温控外壳Med AssociatesENV-022MD用于容纳各个条件化实验箱
刺激光源Med AssociatesENV-221M提供圆形聚焦光刺激
三针电缆Med AssociatesSG-216A-2连接智能控制面板与条件化实验箱中的各个输入和输出设备

参考文献

  1. Loxton, N. J. The role of reward sensitivity and impulsivity in overeating and food addiction. Current Addiction Reports. 5 (2), 212-222 (2018).
  2. Richards, J. B., Gancarz, A. M., Hawk, L. W. Inhibitory control and drug abuse prevention. Bardo, M. T., Fishbein, D. H., Milich, R. , Springer. (2011).
  3. Gullo, M. J., Loxton, N. J., Dawe, S. Impulsivity: Four ways five fectors are not basic to addiction. Addictive Behaviors. 39 (11), 1547-1556 (2014).
  4. Bari, A., Robbins, T. W. Inhibition and impulsivity: Behavioral and neural basis of response control. Progress in Neurobiology. 108, 44-79 (2013).
  5. Dalley, J. W., Robbins, T. W. Fractionating impulsivity: neuropsychiatric implications. Nature Reviews Neuroscience. 18 (3), 158-171 (2017).
  6. Sosa, R., dos Santos, C. V. Toward a unifying account of impulsivity and the development of self-control. Perspectives in Behavior Science. , 1-32 (2018).
  7. King, J. A., Tenney, J., Rossi, V., Colamussi, L., Burdick, S. Neural substrates underlying impulsivity. Annals of the New York Academy of Sciences. 1008 (1), 160-169 (2003).
  8. Stayer, R., Ferring, D., Schmitt, M. J. States and traits in psychological assessment. European Journal of Psychological Assessment. 8 (2), 79-98 (1992).
  9. Moeller, F. G., Barratt, E. S., Dougherty, D. M., Schmitz, J. M., Swann, A. C. Psychiatric aspects of impulsivity. American Journal of Psychiatry. 158, 1783-1793 (2001).
  10. Evenden, J. L. Varieties of impulsivity. Psychopharmacology. 146 (4), 348-361 (1999).
  11. Winstanley, C. A. The utility of rat models of impulsivity in developing pharmacotherapies for impulse control disorders. British Journal of Pharmacology. 164 (4), 1301-1321 (2011).
  12. Solanto, M. V., et al. The ecological validity of delay aversion and response inhibition as measures of impulsivity in AD/HD: A supplement to the NIMH multimodal treatment study of AD/HD. Journal of Abnormal Child Psychology. 29 (3), 215-218 (2001).
  13. van der Staay, F. J. Animal models of behavioral dysfunctions: Basic concepts and classifications, and an evaluation strategy. Brain Research Reviews. 52, 131-159 (2006).
  14. Hedge, C., Powell, G., Summer, P. The reliability paradox: Why robust cognitive tasks do not produce reliable individual differences. Behavioral Research Methods. , 1-21 (2017).
  15. Nakagawa, S., Schielzeth, H. Repeatability for Gaussian and non-Gaussian data: A practical guide for biologists. Biological Reviews. 85, 935-956 (2010).
  16. Sjoberg, E. Logical fallacies in animal model research. Behavior and Brain Functions. 13 (1), (2017).
  17. Rachlin, H. Self-control: Beyond commitment. Behavioral and Brain Sciences. 18 (01), 109(1995).
  18. Logue, A. W. Research on self-control: An integrating framework. Behavioral and Brain Sciences. 11 (04), 665(1988).
  19. Kramer, T. J., Rilling, M. Differential reinforcement of low rates: A selective critique. Psychological Bulletin. 74 (4), 225-254 (1970).
  20. Sosa, R., dos Santos, C. V. Conditioned inhibition and its relationship to impulsivity: Empirical and theoretical considerations. The Psychological Record. , (2018).
  21. Gallistel, C. R., Balci, F., Freestone, D., Kheifets, A., King, A. Automated, quantitative cognitive/behavioral screening of mice: For genetics, pharmacology, animal cognition and undergraduate instruction. Journal of Visualized Experiments. (84), (2014).
  22. Skinner, B. F. A case history in scientific method. American Psychologist. 11 (5), 221-233 (1956).
  23. Papini, M. R. Associative learning in the marsupials Didelphis albiventris and Lutreolina crassicaudata. Journal of Comparative Psychology. 102 (1), 21-27 (1988).
  24. Leonard, J. A. 5 choice serial reaction apparatus. Medical Research Council of Applied Psychology Research. , 326-359 (1959).
  25. Robinson, T. E., Flagel, S. B. Dissociating the Predictive and Incentive Motivational Properties of Reward-Related Cues Through the Study of Individual Differences. Biological Psychiatry. 65 (10), 869-873 (2009).
  26. Charan, J., Kantharia, N. D. How to calculate sample size in animal studies? Journal of Pharmacology and Pharmacotherapeutics. 4 (4), 303-306 (2013).
  27. Toth, L. A., Gardiner, T. W. Food and water restriction protocols: Physiological and behavioral considerations. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 39 (6), 9-17 (2000).
  28. Deluty, M. Z. Self-control and impulsiveness involving aversive events. Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior Processes. 4, 250-266 (1978).
  29. Cabrera, F., Robayo-Castro, B., Covarrubias, P. The 'huautli' alternative: Amaranth as reinforcer in operant procedures. Revista Mexicana de Análisis de la Conducta. 36, 71-92 (2010).
  30. Ferster, C. B., Skinner, B. F. Schedules of reinforcement. , Appleton Century Crofts. (1957).
  31. Orduña, V., Valencia-Torres, L., Bouzas, A. DRL performance of spontaneously hypertensive rats: Dissociation of timing and inhibition of responses. Behavioural Brain Research. 201 (1), 158-165 (2009).
  32. Freestone, D. M., Balci, F., Simen, P., Church, R. Optimal response rates in humans and animals. Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior and Cognition. 41 (1), 39-51 (2015).
  33. Sanabria, F., Killeen, P. R. Evidence for impulsivity in the Spontaneously Hypertensive Rat drawn from complementary response-withholding tasks. Behavioral and Brain Functions. 4 (1), 7(2008).
  34. van den Bergh, F. S., et al. Spontaneously hypertensive rats do not predict symptoms of attention-deficit hyperactivity disorder. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 83, 11(2006).
  35. Topping, J. S., Pickering, J. W. Effects of punishing different bands of IRTs on DRL responding. Psychological Reports. 31 (19-22), (1972).
  36. Richards, J. B., Sabol, K. E., Seiden, L. S. DRL interresponse-time distributions: quantification by peak deviation analysis. Journal of the Experimental Analysis of Behavior. 60 (2), 361-385 (1993).
  37. Orduña, V. Impulsivity and sensitivity to amount and delay of reinforcement in an animal model of ADHD. Behavioural Brain Research. 294, 62-71 (2015).
  38. Harmer, C. J., Phillips, G. D. Enhanced conditioned inhibition following repeated pretreatment with d -amphetamine. Psychopharmacology. 142 (2), 120-131 (1999).
  39. Lister, S., Pearce, J. M., Butcher, S. P., Collard, K. J., Foster, G. Acquisition of conditioned inhibition in rats is impaired by ablation of serotoninergic pathways. European Journal of Neuroscience. 8, 415-423 (1996).
  40. Meyer, H. C., Bucci, D. J. The contribution of medial prefrontal cortical regions to conditioned inhibition. Behavioral Neuroscience. 128 (6), 644-653 (2014).
  41. McNicol, D. A primer of signal detection theory. , Erlbaum Associates. (1972).
  42. Carnero, S., Morís, J., Acebes, F., Loy, I. Percepción de la contingencia en ratas: Modulación fechneriana y metodología de la detección de señales. Revista Electrónica de Metodología Aplicada. 14 (2), (2009).
  43. López, H. H., Ettenberg, A. Dopamine antagonism attenuates the unconditioned incentive value of estrus female cues. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 68, 411-416 (2001).
  44. Schotte, A., Janssen, P. F. M., Megens, A. A. H. P., Leysen, J. E. Occupancy of central neurotransmitter receptors by risperidone, clozapine and haloperidol, measured ex vivo. Brain Research. 631 (2), 191-202 (1993).
  45. van Hest, A., van Haaren, F., van de Poll, N. Haloperidol, but not apomorphine, differentially affects low response rates of male and female wistar rats. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 29, 529-532 (1988).
  46. Finnegan, K. T., Ricaurte, G., Seiden, L. S., Schuster, C. R. Altered sensitivity to d-methylamphetamine, apomorphine, and haloperidol in rhesus monkeys depleted of caudate dopamine by repeated administration of d-methylamphetamine. Psychopharmacology. 77, 43-52 (1982).
  47. Britton, K. T., Koob, G. F. Effects of corticotropin releasing factor, desipramine and haloperidol on a DRL schedule of reinforcement. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 32, 967-970 (1989).
  48. Maricq, A. V., Church, R. The differential effects of haloperidol and metamphetamine on time estimation in the rat. Psychopharmacology. 79, 10-15 (1983).
  49. Dalley, J. W., et al. Nucleus accumbens D2/3 receptors predict trait impulsivity and cocaine reinforcement. Science. 315, 1267-1270 (2007).
  50. Cole, B. J., Robbins, T. W. Effects of 6-hydroxydopamine lesions of the nucleus accumbens septi on performance of a 5-choice serial reaction time task in rats: Implications for theories of selective attention and arousal. Behavior and Brain Research. 33, 165-179 (1989).
  51. Reynolds, B., de Wit, H., Richards, J. B. Delay of gratification and delay discounting in rats. Behavioural Processes. 59 (3), 157-168 (2002).
  52. Evenden, J. L., Ryan, C. N. The pharmacology of impulsive behavior in rats: The effects of drugs on response choice with varying delays of reinforcement. Psychopharmacology. 128, 161-170 (1996).
  53. Autor, S. M. Conditioned reinforcement. Hendry, D. P. , Dorsey Press. (1969).
  54. van den Broek, M. D., Bradshaw, C. M., Szabadi, E. Behaviour of 'impulsive' and 'non-impulsive' humans in a temporal differentiation schedule of reinforcement. Personality and Individual Differences. 8 (2), 233-239 (1987).
  55. McGuire, P. S., Seiden, L. S. The effects of tricyclicantidepressants on performance under a differential-reinforcement-of-low-rates schedule in rats. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 214 (3), 635-641 (1980).
  56. O'Donnell, J. M., Seiden, L. S. Differential-reinforcement-of-low-rates 72-second schedule: Selective effects of antidepressant drugs. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 224 (1), 80-88 (1983).
  57. Seiden, L. S., Dahms, J. L., Shaughnessy, R. A. Behavioral screen for antidepressants: The effects of drugs and electroconvulsive shock on performance under a differential-reinforcement-of-low-rates schedule. Psychopharmacology. 86, 55-60 (1985).
  58. He, Z., Cassaday, H. J., Howard, R. C., Khalifa, N., Bonardi, C. Impaired Pavlovian conditioned inhibition in offenders with personality disorders. The Quarterly Journal of Experimental Psychology. 64 (12), 2334-2351 (2011).
  59. He, Z., Cassaday, H. J., Bonardi, C., Bibi, P. A. Do personality traits predict individual differences in excitatory and inhibitory learning? Frontiers in Psychology. 4, 1-12 (2013).
  60. Bucci, D. J., Hopkins, M. E., Keene, C. S., Sharma, M., Orr, L. E. Sex differences in learning and inhibition in spontaneously hypertensive rats. Behavioural Brain Research. 187 (1), 27-32 (2008).
  61. Gershon, J. A meta-analytic review of gender differences in ADHD. Journal of Attention Disorders. 5, 143-154 (2012).
  62. Mobini, S., et al. Effects of lesions of the orbitofrontal cortex on sensitivity to delayed and probabilistic reinforcement. Psychopharmacology. 160 (3), 290-298 (2002).
  63. Bouton, M. E., Nelson, J. B. Context-specificity of target versus feature inhibition in a negative-feature discrimination. Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior Processes. 20 (1), 51-65 (1994).
  64. Bouton, M. E., Nelson, J. B. Occasion setting: Associative learning and cognition in animals. Schmajuk, N., Holland, P. , American Psychological Association. 69-112 (1998).
  65. Rescorla, R. A. Pavlovian conditioned inhibition. Psychological Bulletin. 72 (2), 77-94 (1969).
  66. Miller, R. R., Matzel, L. D. The psychology of learning and motivation. Bower, G. H. , Academic Press. (1988).
  67. Williams, D. A., Overmier, J. B., Lolordo, V. M. A reevaluation of Rescorla's early dictums about conditioned inhibition. Psychological Bulletin. 111 (2), 275-290 (1992).
  68. Papini, M. R., Bitterman, M. E. The two-test strategy in the study of inhibitory conditioning. Psychological Review. 97 (3), 396-403 (1993).
  69. Sosa, R., Ramírez, M. N. Conditioned inhibition: Critiques and controversies in the light of recent advances. Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior and Cognition. , in press (2018).
  70. Fox, A. T., Hand, D. J., Reilly, M. P. Impulsive choice in a rodent model of attention-deficit/hyperactivity disorder. Behavioural Brain Research. 187, 146-152 (2008).
  71. Foscue, E. P., Wood, K. N., Schramm-Sapyta, N. L. Characterization of a semi-rapid method for assessing delay discounting in rodents. Pharmacology, Biochemistry, and Behavior. 101, 187-192 (2012).
  72. Brucks, D., Marshall-Pescini, S., Wallis, L. J., Huber, L., Range, F. Measures of Dogs' Inhibitory Control Abilities Do Not Correlate across Tasks. Frontiers in Psychology. 8, (2017).
  73. McDonald, J., Schleifer, L., Richards, J. B., de Wit, H. Effects of THC on Behavioral Measures of Impulsivity in Humans. Neuropsychopharmacology. 28 (7), 1356-1365 (2003).
  74. Reynolds, B., Ortengren, A., Richards, J. B., de Wit, H. Dimensions of impulsive behavior: Personality and behavioral measures. Personality and Individual Differences. 40 (2), 305-315 (2006).
  75. Dellu-Hagedorn, F. Relationship between impulsivity, hyperactivity and working memory: a differential analysis in the rat. Behavioral and Brain Functions. 2 (10), 18(2006).
  76. López, P., Alba, R., Orduña, V. Individual differences in incentive salience attribution are not related to suboptimal choice in rats. Behavior and Brain Research. 341 (2), 71-78 (2017).
  77. Ho, M. Y., Al-Zahrani, S. S. A., Al-Ruwaitea, A. S. A., Bradshaw, C. M., Szabadi, E. 5-Hydroxytryptamine and impulse control: prospects for a behavioural analysis. Journal of Psychopharmacology. 12 (1), 68-78 (1998).
  78. Sagvolden, T., Russell, V. A., Aase, H., Johansen, E. B., Farshbaf, M. Rodent models of attention-deficit/hyperactivity disorder. Biological Psychiatry. 57, 9(2005).
  79. Tomie, A., Aguado, A. S., Pohorecky, L. A., Benjamin, D. Ethanol induces impulsive-like responding in a delay-of-reward operant choice procedure: impulsivity predicts autoshaping. Psychopharmacology. 139 (4), 376-382 (1998).
  80. Monterosso, J., Ainslie, G. Beyond discounting: possible experimental models of impulse control. Psychopharmacology. 146 (4), 339-347 (1999).
  81. Burguess, M. A. Methodology of frontal and executive function. Rabbit, P. , Psychology Press. 81-116 (1997).
  82. Watterson, E., Mazur, G. J., Sanabria, F. Validation of a method to assess ADHD-related impulsivity in animal models. Journal of Neuroscience Methods. 252, 36-47 (2015).
  83. Hackenberg, T. D. Of pigeons and people: some observations on species differences in choice and self-control. Brazilian Journal of Behavior Analysis. 1 (2), 135-147 (2005).
  84. Asinof, S., Paine, T. A. The 5-choice serial reaction time task: A task of attention and impulse control for rodents. Journal of Visualized Experiments. (90), e51574(2014).
  85. Masaki, D., et al. Relationship between limbic and cortical 5-HT neurotransmission and acquisition and reversal learning in a go/no-go task in rats. Psychopharmacology. 189, 249-258 (2006).
  86. Bari, A., et al. Prefrontal and monoaminergic contributions to stop-signal task performance in rats. The Journal of Neuroscience. 31, 9254-9263 (2011).
  87. Flagel, S. B., Watson, S. J., Robinson, T. E., Akil, H. Individual differences in the propensity to approach signals vs goals promote different adaptations in the dopamine system of rats. Psychopharmacology. 191, 599-607 (2007).
  88. Swann, A. C., Lijffijt, M., Lane, S. D., Steinberg, J. L., Moeller, F. G. Trait impulsivity and response inhibition in antisocial personality disorder. Journal of Psychiatric Research. 43 (12), 1057-1063 (2009).
  89. Lawrence, A. J., Luty, J., Bogdan, N. A., Sahakian, B. J., Clark, L. Impulsivity and response inhibition in alcohol dependence and problem gambling. Psychopharmacology. 207 (1), 163-172 (2009).
  90. Dougherty, D. M., et al. Behavioral impulsivity paradigms: a comparison in hospitalized adolescents with disruptive behavior disorders. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 44 (8), 1145-1157 (2003).
  91. Rosval, L., et al. Impulsivity in women with eating disorders: Problem of response inhibition, planning, or attention. International Journal of Eating Disorders. 39 (7), 590-593 (2006).
  92. Huddy, V. C., et al. Reflection impulsivity and response inhibition in first-episode psychosis: relationship to cannabis use. Psychological Medicine. 43 (10), 2097-2107 (2013).

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