方法文章

使用延长恐惧条件化方案的大鼠恐惧孵育

DOI:

10.3791/60537

2020年8月22日

本文内容

摘要

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们描述了一种扩展的恐惧条件化方案,可在大鼠中诱导过度训练和恐惧孵育。该方案包括一次包含25次声刺激-电击配对(即过度训练)的训练阶段,并在训练后48小时(短期)和6周(长期)分别比较在环境和线索测试中的条件性僵直反应。

摘要

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

情绪记忆的研究主要采用恐惧条件化范式。恐惧条件化是一种学习形式,个体通过该过程学会厌恶事件与原本中性刺激之间的关联。研究情绪记忆最常用的方法是在大鼠中进行恐惧条件化实验。在这些任务中,非条件刺激(US)为足底电击,可在单次或多次训练会话中呈现一次或多次,而条件反应(CR)则是僵直行为(freezing)。其中一种被称为线索化恐惧条件化的实验版本,在训练阶段将声音(条件刺激,CS)与足底电击(US)配对呈现。在第一次测试中,动物被置于与训练时相同的环境中,检测其在无电击且无声音情况下的僵直反应(即情境测试)。在第二次测试中,通过改变环境(例如调整实验箱的气味和墙壁)并在无电击的情况下播放声音,来测量动物的僵直反应(即线索测试)。大多数线索化恐惧条件化实验仅包含少量的声音-电击配对(例如,单次会话中的1-3次试验)。近年来,研究者对较少见的、包含大量配对次数(即过度训练)的实验版本日益关注,这类训练与一种称为恐惧孵化的持久效应相关(即在不再接触厌恶事件或条件刺激的情况下,恐惧反应随时间增强)。扩展型恐惧条件化任务对于理解恐惧孵化的行为学和神经生物学机制至关重要,包括其与其他心理现象(如创伤后应激障碍)的关系。本文介绍一种可在大鼠中引发过度训练和恐惧孵化的扩展型恐惧条件化方案。该方案包括一次包含25次声音-电击配对(即过度训练)的训练会话,并在训练后48小时(短期)和6周(长期)分别进行情境测试和线索测试,比较条件化僵直反应的变化。

引言

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

记忆是一种包含多个阶段的心理过程:信息获取、巩固(使获取的信息保持稳定)以及提取(巩固过程的证据)1。在巩固阶段,会形成新的突触连接并对已有的连接进行修饰。这表明需要一段时间,以完成负责这些变化的分子和生理事件1,2。这些生理或分子变化会因所提取的事件是否带有情绪色彩而有所不同(即情绪记忆)。例如,研究表明,侧核和基底外侧杏仁核复合体在情绪记忆中具有特别重要的作用3,4,5

情绪记忆现象的研究主要采用恐惧条件化范式5,6。恐惧条件化是一种学习形式,个体通过该过程学会将厌恶性事件与原本中性的刺激关联起来7。恐惧条件化范式可在杏仁核中引发分子、细胞及结构层面的变化。此外,在情绪记忆的巩固和提取过程中,恐惧条件化还会改变海马体的连接性。

研究恐惧记忆最常用的方法之一是在大鼠中进行经典(巴甫洛夫式)条件反射实验。该方法通常以足底电击(非条件刺激,US)作为厌恶刺激,在一次或多次训练阶段中施加一次或多次。接受该程序处理的大鼠所表现出的条件反应(CR)为僵直反应(即“除用于呼吸的肌肉外,动物骨骼肌产生普遍性强直反应所导致的全身性静止不动”7)。这种反应可通过两种类型的测试进行评估:情境测试和线索测试。在情境测试中,受试动物在训练阶段接受一定次数的足底电击,随后被移出实验装置一段时间。在测试阶段,动物被重新放回先前接受训练的相同环境中,在不施加足底电击的情况下记录其僵直行为的各项指标(例如僵直持续时间、僵直时间百分比或僵直发作频率),并与训练阶段建立的基线水平进行比较。对于第二种测试——线索测试,在训练阶段将一个刺激(通常为声音)与足底电击配对呈现(即条件刺激,CS)。训练结束后,动物被移出训练环境一段时间,随后被置于一个经过改造的新环境中(例如具有不同墙形和气味的另一实验装置)。然后将条件刺激重复呈现若干次,记录动物对线索的僵直反应,并与训练阶段获得的基线水平进行比较。该实验范式最常见的形式是在单次训练阶段内进行1至3次声音-电击配对,随后在数小时或数天后进行情境测试和线索测试。

其他较少实施的恐惧条件化程序涉及大量电击-线索配对(即试验次数),通常被称为过度训练程序8。人们对这些任务日益增长的兴趣源于其持久且增强的记忆效应,即恐惧孵育现象(指在不进一步暴露于厌恶事件或条件刺激的情况下,条件性恐惧反应随时间推移而增强)9,10,11。此类过度训练程序的一个示例包括一个训练阶段,共进行100次声音-电击配对,分布在10个会话中,随后分别在48小时和30天后进行情境和线索测试11,12。为避免将训练扩展至多日,Maren(1998)报道,通过单次会话中进行25次配对即可建立并优化过度训练效果8。孵育效应表现为:训练后31天测试的大鼠其条件性恐惧水平显著高于训练后48小时测试的大鼠。扩展的恐惧条件化任务对于理解恐惧孵育背后的行为学和神经生物学机制至关重要,包括其与其他心理现象的关系(例如延迟发作的创伤后应激障碍)11,12,13

本文描述了一种可诱导大鼠过度训练和恐惧孵育的扩展型恐惧条件化方案。与需要数天训练的其他范式不同11,本方案聚焦于单次训练阶段8。我们采用 25 次音调-电击配对,以在训练6周后进行的环境和线索测试中产生更强的条件性僵直反应,相较于训练48小时后的测试结果更为显著。

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方案

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本方案已获得孔拉德·洛伦兹大学基金会机构动物护理和使用委员会(IACUC-KL)的批准。实验过程中遵守了国际动物权利联盟(瑞士日内瓦,1989年)发布的动物权利普遍宣言以及国际实验动物科学理事会(ICLAS)发布的动物实验伦理原则。

1. 受试者准备

  1. 选取成年雄性Wistar大鼠(n = 12),每笼4只,分组饲养,进行为期三天的适应性饲养,之后开始训练与测试方案。实验期间允许大鼠自由饮水。环境温度控制在20 °C至25 °C之间,光照-黑暗循环周期为12小时(光照开启时间为07:00)。
    注意:不同品系大鼠在恐惧条件反射任务中表现出差异。例如,Schaap等人(2013)报道,与Fawn Hooded和Brown Norway大鼠相比,Wistar和Lewis品系大鼠表现出更长时间的僵直行为12。因此,应评估不同品系在疼痛和热阈值方面的差异,以调整电击的强度和持续时间。
  2. 通过每日固定时间限制食物供给,使大鼠体重维持在其自由进食体重的85%(正常体重范围为350–400 g)。在光照周期的相同时间每天称重一次。在延长恐惧条件反射训练开始前连续三天测定自由进食状态下的体重(即100%体重)。
    注意:本实验所用动物还接受了其他未在此报告的工具性行为测试。这些附加测试需要进行食物剥夺。这种程序性变化可能拓展本实验方案的应用范围,提示可开展工具性行为与恐惧反应的联合测试。然而,仅使用恐惧条件反射测试的研究则无需进行食物剥夺。
  3. 将实验动物随机分配至以下任一组:训练后6周进行情绪测试(n = 6);训练后48小时进行情绪测试(n = 6)。
  4. 训练和测试均在明暗循环周期的光照阶段相近的时间进行。将动物分配至相同的实验装置,并在训练和测试过程中保持相同的测试顺序。
    注意:可额外设置对照措施,即在训练和测试阶段对动物测试顺序进行平衡设计。当涉及多个组别或跨实验应用不同任务时,建议采用此技术,以减少任务顺序对行为结果的潜在影响。

2. 仪器设置与电击校准

  1. 使用10%乙醇清洁实验箱和不锈钢网格地板的所有内表面。每次测试动物前均需重复此步骤。
  2. 使用USB线缆将设备连接至计算机,并启动冻结检测系统设备:CPU、控制柜、红外光源、厌恶刺激发生器/乱码器以及电击强度校准仪。
    注意:尽管本实验方案使用的是市售仪器(见材料表),但也可使用其他品牌的设备和软件。该装置由一个嵌入木质箱体内的亚克力方形内腔(29.53 cm × 23.5 cm × 20.96 cm,称为实验腔)组成,外部覆盖塑料蚁酸材料。外部箱门可隔绝声音、噪音或光线(隔音箱门)。摄像头位于外部箱门内侧侧面。内部亚克力箱体底部设有金属网格(36根直径3 mm、中心间距8 mm的不锈钢杆),用于传递足底电击。在其中一个内侧壁上,距地面6 cm处安装有一个扬声器,用于呈现听觉线索。
  3. 将电击强度校准仪的红色和黑色夹子(即正极和负极连接器)连接到网格地板上的任意两根不同金属杆上。将USB线缆连接至计算机的相应端口。确保红色和黑色夹子所夹的金属杆之间至少间隔一根金属杆。
    注意:本节描述的是使用材料表中提及的特定品牌设备进行电击强度校准的过程。然而,也可使用其他品牌设备完成校准。建议在网格地板的三个区域分别进行电击强度校准,以验证其一致性。此外,务必清除网格地板上的粪便和尿液残留物,以避免电击传递过程中产生干扰。
  4. 启动电击强度校准软件(见材料表)。在软件界面中点击量程箭头,选择1.0 mA的电击强度,然后将“运行/停止”开关切换至“运行”状态。
    注意:我们建议采用1.0 mA的电击强度,该数值基于本实验室在啮齿类动物模型中的研究结果,以及文献报道中0.75 mA至1.5 mA范围内适用于恐惧条件反射研究的数据33,34,35
  5. 开启厌恶刺激发生器或用于传递足底电击的设备,观察软件界面上显示的电击强度。如有需要,使用厌恶刺激发生器上的旋钮将电击强度调节至1.0 mA。
    注意:厌恶刺激发生器应设置为“输出(OUT)”模式,以确保实验的正确测试、校准和运行。

3. 冷冻检测系统的校准

  1. 关闭实验舱和隔音箱的门。此时不要引入动物,因为动物将在冻结检测系统校准完成后才被放入舱内。检查箱内光照强度是否在20至30勒克斯之间。
  2. 启动冷冻检测系统软件并打开 实验设置 对话窗口。输入每个受试者的信息(如受试者编号、日期和分组),并加载名为“Training protocol VFC.pro”的文件(可从以下网址获取 http://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ).
    注意:情境测试和线索测试使用不同的程序配置,因此请确保在每次测试中使用正确的文件。目前,正确的文件对应为“Training protocol VFC.pro”。请记住,在测试阶段所使用的文件将与训练阶段的不同。
  3. 选择相应的相机并检查 保存视频 选项(如有需要)。设置 运动阈值 至 100,以及 最短冷冻时间 至30帧。
    注意:该运动阈值基于所用物种的大小(以像素数量计)。最小冻结持续时间值由制造商推荐。这些参数用于确保准确识别实验箱中的动物。
  4. 确认所选摄像头的实时画面显示在屏幕上,同时显示运动阈值图以及训练过程中呈现的不同刺激(如声音和电击)的时间线。
    注意:若使用不同品牌的设备,其设置应具备测量动物运动的功能,以获得可反映运动状态的“指数”,从而实现对动物运动或静止时间长短的比较。另一种方法是使用仅需视频源(实验过程中或实验结束后)的软件,通过该软件可检测动物处于运动或静止状态的时间,例如免费软件 ImageFZ。13,Matlab中的开源工具箱14,或JAABA这种动物行为的自由分类器15.
  5. 点击 校准 选项三次,同时确保运动指数保持在100以下(阈值)。然后,将设备设置为 锁定 通过点击屏幕上的相应按钮。
    注意:本节描述了使用列于文中的特定品牌设备进行冰冻检测系统校准的过程 材料表如前所述,校准过程可使用不同品牌的设备进行(关于设备和软件不同选择的综述,参见 Anagnostaras 等,2010)。16.

4. 延长的恐惧条件反射训练

  1. 将大鼠置于其原饲养笼中,笼上覆盖布料,从动物饲养设施转移至实验室的行为训练室。在转移过程中,避免动物暴露于噪音或可能引起应激的环境中。若同时转移多只动物,仅将待测试动物带入实验区域,其余大鼠应保留在暂养室,以增强实验控制。在开始训练前,轻柔地抓握动物并进行约 2 分钟的适应性操作。
    注意:在本方案中,每天行为训练前均对动物进行 2 分钟的手动操作。操作结束后,将动物引入实验装置。建议对动物进行日常操作,以使其适应研究人员的存在。
  2. 将大鼠放入实验装置中。通过其尾根部轻柔抓握,将其放置于装置中央位置。关闭实验装置及隔音箱的门。
  3. 点击 Record 按钮开始实验。让大鼠在装置内适应 3 分钟。此 3 分钟时段为设备制造商推荐的标准时长,用作基线期及对实验环境的适应期。
  4. 在实验第 3 分钟开始,以 60 秒的试次间间隔(ITI)给予 25 次声音-电击配对(试次)。在每个 ITI 的最后 10 秒呈现声音(条件刺激 – CS;90 dB SPL,2000 Hz,50 毫秒上升时间),并在每个 ITI 的最后 2 秒施加电击(非条件刺激 – US)。
    注意:Record 按钮的激活前提是摄像头已正确校准并锁定。
  5. 当 28 分钟的实验结束后,将大鼠从实验装置中取出,放回其原饲养笼。用布覆盖饲养笼,将大鼠从行为训练室转移回动物饲养设施。
  6. 重复进行僵直检测系统校准(步骤 3.1–3.5)及恐惧条件化训练(步骤 4.1 和 4.3),以完成所有受试动物的训练。
    注意:我们强烈建议对每只动物重新校准检测系统,以确保软件在处理僵直检测信息时保持参数一致性。
  7. 静息期:在此期间,将动物单独置于其原饲养笼中静息。在为期 6 周的孵育期内,每周监测动物体重两次。在称重过程中,对每只动物进行约 2 分钟的轻柔操作。

5. 情境测试——单次10分钟会话

  1. 训练阶段结束后,对动物进行首次记忆测试,称为情境测试。在此10分钟的测试阶段中,将大鼠置于与训练相同的情境中,但不给予任何提示或电击。将大鼠置于其带盖的饲养笼中(例如,用布覆盖),从动物饲养设施转移至行为训练室。需注意,动物已被分为不同组别,因此一组在训练后48小时进行测试,另一组则在训练后6周进行测试(见图1)。

恐惧条件化训练示意图;使用啮齿类动物进行声音-电击配对、情境和线索测试。
图1:实验时间线。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 使用10%乙醇清洁实验箱和不锈钢网格地板的所有内表面。每次测试动物前均需重复此步骤。
  2. 重复冻结检测系统的校准(步骤3.1至3.5)。打开实验设置对话窗口,并加载名为“Context test protocol.pro”的文件,该文件可从http://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ获取。
    注意:此文件包含本实验阶段的设置,该阶段不施加任何电击或声音刺激。
  3. 将动物放入实验箱中。轻轻抓住其尾根部,将其放置于实验箱中央。关闭实验箱门及隔音箱门。
  4. 点击记录按钮开始实验。在此单次持续10分钟的情境测试阶段中,不呈现任何刺激(无电击,无声音)。
  5. 当10分钟实验结束后,将动物从实验箱中移出。将其放回相应的饲养笼中,并将盖好盖的饲养笼从行为训练室运送至动物饲养设施。重复步骤5.2–5.5以完成所有受试动物的测试。

6. 线索测试——单次13分钟会话

  1. 在情境测试后的第二天,让动物进行称为线索测试的第二次记忆测试。在此阶段,大鼠将处于与训练时不同的环境中,持续13分钟;呈现线索(声音),但不给予电击。将大鼠连同其饲养笼(笼上覆盖笼盖)从动物饲养设施运送至行为训练室。一组在恐惧条件化训练后72小时进行测试,另一组在训练后6周又1天进行测试(图1)。
    注意:可采用不同的运输系统(从动物饲养设施到实验房间),以进一步区分情境测试与线索测试。由于动物在训练阶段和情境测试阶段均以其饲养笼运输,因此在线索测试阶段的运输过程中,可使用不同的运输笼、垫料和/或笼盖。
  2. 使用10%乙醇清洁实验箱内部表面及不锈钢栅格地板。每只动物测试前均需重复此步骤。
  3. 为改变视觉环境,将塑料围壁插入实验箱内。
  4. 为改变嗅觉环境,将1%乙酸涂抹于棉签上,并将其置于栅格地板下方的金属托盘中17,18,19
  5. 重复冻结检测系统的校准(步骤3.1–3.5)。加载名为“Cue test protocol.pro”的文件,该文件可从 http://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ 获取。
    注意:该文件包含本实验阶段的设置,即呈现训练阶段相同的条件刺激(CS,声音),但不伴随非条件刺激(US,电击)。
  6. 将动物放入实验箱中。轻轻抓住其尾根部,将其放置于箱体中央。关闭实验箱及隔音箱的门。
  7. 点击记录按钮开始实验。在单次13分钟的线索测试中,条件刺激(声音)共呈现10次,自实验第3分钟开始。
    注意:前3分钟为本阶段的基线期,随后进行10次线索测试试验(每次持续10秒),间隔50秒,期间不给予电击。声音刺激的呈现通过预先加载的文件自动完成。
  8. 13分钟测试结束后,将动物从实验箱中移出。将其放回相应饲养笼,并在覆盖状态下送回动物饲养设施。重复步骤6.2至6.5,以完成所有受试动物的测试。

7. 数据分析

  1. 使用冰冻检测系统软件从视频流中获取一般活动指数(即运动指数)。该软件会自动将运动指数转换为每节实验的冰冻时间百分比和冰冻发作次数。将冰冻阈值设为系统的默认最小冰冻持续时间设置(1 秒 = 30 帧)。
  2. 使用额外的自定义程序(文件可从 http://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ 获取)来获得以下数据:
    1. 使用该程序确定训练阶段前 3 分钟内(即基线冰冻,因为在该 3 分钟期间未呈现电击或声音提示)以及线索测试阶段前 3 分钟内的冰冻百分比。
    2. 使用该程序确定训练阶段每 3 分钟一个时间段、共八个时间段的冰冻百分比。
    3. 使用该程序分别确定训练阶段和线索测试阶段中,在线索呈现期间(即声音提示期间的冰冻)和无线索期间(即试次间间隔;ITIs)的冰冻百分比。
  3. 为获取这些数据,请打开冰冻检测系统软件。
    1. 选择 文件 | 报告 | 批量组件摘要
    2. 选择扩展名为 .CMP 的文件,该文件可从 http://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ 获取。
    3. 命名输出文件,并将运动阈值更改为 100,然后点击 确定
    4. 选择待分析的文件(扩展名为 .RAW)。这些文件在每次实验结束后由冰冻检测系统软件自动生成,对应于各次实验的原始数据。初始时,这些文件保存在计算机桌面上,但也可存储在自定义文件夹中(例如“文档-恐惧条件化”),以便后续识别和打开分析。
    5. 打开输出文件(扩展名为 .CSV),可在电子表格软件中进行编辑以进一步分析。该文件包含实验阶段期间冰冻行为的结果。
      注:为获得总的冰冻百分比,需将受试动物静止不动的时间除以整个实验阶段的总时长。冰冻发作次数可通过统计整个实验过程中冰冻事件的次数来计算。在这两种情况下,都必须基于最小冰冻持续时间设定一个运动阈值。这是定义是否记录一次冰冻发作的时间标准。自动记录系统可使用每秒若干帧(fps)作为最小冰冻持续时间的度量单位。例如,在采样速率为 30 fps 时,若设定最小冰冻持续时间为 15 帧,则持续 0.5 秒的静止状态将被记录为一次冰冻。
  4. 通过将每次实验(训练阶段及两种测试阶段:情境测试和线索测试)的总冰冻持续时间(以秒为单位)除以冰冻发作总次数,计算每次冰冻发作的平均持续时间。

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结果

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使用配对t检验对所有受试动物(n = 12)在训练阶段不同时期的僵直时间百分比变化进行了分析(表1)。在训练阶段的前3分钟内(实验方案的第一天),动物处于活跃状态并探索实验箱,此期间未给予任何声音或电刺激(即基线期-BL)。如图2A所示,在随后的25次声-电刺激配对期间,僵直时间百分比(M = 48.88;SE = 4.37)显著高于基线期(M = 14.65;SE = 4.05),该结果被视为恐惧习得的指标。

统计检验

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讨论

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本延长恐惧条件化方案是一种有效且可靠的方法,可用于评估短期(48小时)和长期(6周)的情绪记忆。因此,该方案可用于研究大鼠的过度训练和恐惧孵育现象。该方案具有多项优势,具体如下:首先,它提供两种类型的记忆测试,即情境测试和线索测试,能够识别两种延迟时间(48小时和6周)在情境与线索操控下的差异性效应;其次,该任务仅需一次28分钟的训练,即可产生持续数周的长期效应。这一优势尤为显著,因为某些延长恐惧条件化的版本需要在10次训练中至少给予100次电击11;第三,该方案提供多种测量指标,且均可自动计算。此外,已有越来越多的药理学、生理学和解剖学证据支持该范式在评估情绪记忆现象方面的有效性15,16

与其他训练时间较短(即试验次数较少)的恐惧条件化范式相比,导致过度训练效应的延长性实验方案受到的关注较少。然而,延长性恐惧条件化任务对于理解恐惧孵育(fear incubation)背后的行為和神经生物学过程至关重要,包括其与其...

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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本研究的经费由孔拉德·洛伦兹大学基金会提供——资助编号9IN15151。作者谨此感谢孔拉德·洛伦兹大学传播部门在视频录制与编辑过程中提供的帮助,特别是Natalia Rivera和Andrés Serrano(制片人)。同时感谢Nicole Pfaller-Sadovsky和Lucia Medina对稿件提出的修改意见,以及Iberoamericana大学基金会院长Johanna Barrero提供的机构合作支持。作者声明不存在利益冲突。

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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
乙酸(乙酸)https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/acetic_acid
厌恶刺激电流包MED Associates IncENV-420https://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/
情境测试 protocol.prohttp://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ
提示测试 protocol.prohttp://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ
曲面墙插件MED Associates IncVFC-008-CWIhttps://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/
数据processing.ziphttp://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ
NIR/白光控制盒MED Associates IncNIR-100
快速更换用于鼠标的地板/平移单元MED Associates IncENV-005FPU-Mhttps://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/
小型桌面柜和电源MED Associates IncSG-6080Dhttps://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/
独立厌恶刺激器/扰频器(115 V / 60 Hz)MED Associates IncENV-414Shttps://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/
标准恐惧调节室MED Associates IncVFC-008
https://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/ 训练协议 VFC.prohttp://doi.org/10.17605/OSF.IO/4NKFQ
视频 大鼠恐惧调节包MED Associates IncMED-VFC-SCT-R
https://www.med-associates.com/product-category/video-fear-packages-for-rat/

参考文献

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