Name: 操作性程序，以评估大鼠的行为灵活性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-02-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 30 s
Description: 学习使用自动化操作性条件反射方法评估大鼠的行为灵活性，包括策略转换和逆转学习。该方法通过可伸缩杠杆任务研究前额叶皮层对认知功能的影响，为神经科学研究提供标准化评估框架。

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本研究由加拿大自然科学与工程研究理事会授予 S.B.F. 的资助项目支持。

<ol><li>Floresco, S. B., Zhang, Y., Enomoto, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+circuits+subserving+behavioral+flexibility+and+their+relevance+to+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Neural circuits subserving behavioral flexibility and their relevance to schizophrenia.</a> Behav Brain Res. 204, 396-409 (2009).</li>
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<li>Ragozzino, M. E., Detrick, S., Kesner, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Involvement+of+the+prelimbic-infralimbic+areas+of+the+rodent+prefrontal+cortex+in+behavioral+flexibility+for+place+and+response+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Involvement of the prelimbic-infralimbic areas of the rodent prefrontal cortex in behavioral flexibility for place and response learning.</a> Journal of Neuroscience. 19, 4585-4594 (1999).</li>
<li>Floresco, S. B., Magyar, O., Ghods-Sharifi, S., Vexelman, C., Tse, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+dopamine+receptor+subtypes+in+the+medial+prefrontal+cortex+of+the+rat+regulate+set-shifting%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Multiple dopamine receptor subtypes in the medial prefrontal cortex of the rat regulate set-shifting.</a> Neuropsychopharmacology. 31, 297-309 (2006).</li>
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<li>Block, A. E., Dhanji, H., Thompson-Tardif, S. F., Floresco, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic-prefrontal+cortical-ventral+striatal+circuitry+mediates+dissociable+components+of+strategy+set+shifting%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">Thalamic-prefrontal cortical-ventral striatal circuitry mediates dissociable components of strategy set shifting.</a> Cereb Cortex. 17, 1625-1636 (2007).</li>
<li>Stefani, M. R., Moghaddam, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Systemic+and+prefrontal+cortical+NMDA+receptor+blockade+differentially+affect+discrimination+learning+and+set-shift+ability+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.Neurosci%22%5BJournal%5D)">Systemic and prefrontal cortical NMDA receptor blockade differentially affect discrimination learning and set-shift ability in rats.</a> Behav.Neurosci. 119, 420-428 (2005).</li>
<li>McAlonan, K., Brown, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Orbital+prefrontal+cortex+mediates+reversal+learning+and+not+attentional+set+shifting+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Orbital prefrontal cortex mediates reversal learning and not attentional set shifting in the rat.</a> Behav. Brain Res. 146, 97-103 (2003).</li>
<li>Floresco, S. B., Block, A. E., Tse, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inactivation+of+the+medial+prefrontal+cortex+of+the+rat+impairs+strategy+set-shifting%2C+but+not+reversal+learning%2C+using+a+novel%2C+automated+procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Inactivation of the medial prefrontal cortex of the rat impairs strategy set-shifting, but not reversal learning, using a novel, automated procedure.</a> Behav Brain Res. 190, 85-96 (2008).</li>
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<li>Enomoto, T., Tse, M. T., Floresco, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reducing+prefrontal+gamma-aminobutyric+acid+activity+induces+cognitive%2C+behavioral%2C+and+dopaminergic+abnormalities+that+resemble+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Biol+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Reducing prefrontal gamma-aminobutyric acid activity induces cognitive, behavioral, and dopaminergic abnormalities that resemble schizophrenia.</a> Biol Psychiatry. 69, 432-441 (2011).</li>
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<li>Ghods-Sharifi, S., Haluk, D. M., Floresco, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+effects+of+inactivation+of+the+orbitofrontal+cortex+on+strategy+set-shifting+and+reversal+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiol+Learn+Mem%22%5BJournal%5D)">Differential effects of inactivation of the orbitofrontal cortex on strategy set-shifting and reversal learning.</a> Neurobiol Learn Mem. 89, 567-573 (2008).</li>
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</ol>

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开发用于测量啮齿类动物高阶认知结构的行为任务，对于推进认知神经生物学知识至关重要。通过设计良好且经过验证的任务，可以在复杂程度上对啮齿类动物进行评估，其复杂性可与灵长类动物甚至人类相媲美。本文展示了如何利用自动化操作性技术，在啮齿类动物中研究执行功能的两个方面：策略转换和反转学习。使用这些自动化任务，我们重复了以往在十字迷宫和挖掘任务中关于策略转移和反转学习神经基础的研究结果11,13,18-21,27,29，表明这些操作性任务是对上述认知结构的有效评估方法。
这些自动化任务相较于现有的非自动化迷宫穿梭和挖掘任务具有多项优势。最显著的优势在于自动化操作任务的数据采集效率更高。每天的训练或测试仅需30至60分钟，且全程由计算机控制，实验人员几乎无需干预。此外，通过多腔室操作装置可同时对多只动物进行测试。从行为塑造到最终测试的整个任务流程可在约2至3周内完成。自动化任务的另一重要优势在于能够精确控制刺激呈现，从而最大限度地减少实验者误差。例如，每轮试验中线索位置的呈现顺序由计算机随机化并控制，而非由实验者手动参照逐项试验列表进行操作。试验间的间隔时间被精确测量并保持一致，不会受到实验者操作所需时间的干扰。 例如，从十字迷宫中移出一只大鼠或重新排列挖掘容器。强化物的递送是自动的，不受实验者操作误差的影响（例如，忘记在十字迷宫的正确臂中放置诱饵）。数据收集也得到类似改善，可自动记录反应模式，包括精确测量反应潜伏期。在不存在其他运动异常的情况下，反应潜伏期的变化可用于推断信息处理速度的改变，和/或判断任务的认知复杂程度21,22.
自动化任务还保留了十字迷宫任务的一个重要优势：能够对转换日或逆转日所犯错误的类型进行详细分析。区分那些重复前一天策略的策略转换错误（即持续性或回归性错误）与代表此前未尝试过策略的错误（即从未强化过的错误），有助于刻画行为灵活性方面的特定缺陷。特别是，测试早期出现的持续性错误反映了动物无法放弃先前策略，而后期出现的回归性错误则反映了在持续性行为停止后，动物无法维持新策略的能力20。从未强化过的错误可能表明动物未能习得新策略，或无法根据规则进行系统性的反应20。以往研究16,17,20已证明这些错误类型具有可分离的神经解剖学基础，这对解读此类任务的结果同样具有重要价值。
我们的实验流程是针对大鼠开发并优化的。尽管如此，其他研究团队已采用类似流程来检测小鼠的策略转换能力31。然而，由于物种差异，对小鼠需进行某些调整，包括在杠杆伸出前延长视觉提示灯的呈现时间、每天进行30次试验并持续多天训练，以及在错误选择后引入超时惩罚。尽管这些调整使该检测方法在药理学干预实验中的适用性降低，但其可能有助于评估基因修饰小鼠的认知灵活性（尽管尚不明确这些调整是否能够保留该任务对前额叶皮层功能的敏感性）。
当然，这些任务也存在一定的局限性。其中一些局限性源于任务的自动化特性，而另一些则与任务本身的参数有关。就后者而言，本文所描述的转换任务（以及跨迷宫转换任务）26）使用的刺激和反应范围有限。与挖掘任务不同，后者使用新颖的样本（例如，不熟悉的气味或挖掘介质）可在每个阶段用于构建新的注意集11,19操作性设定转移任务必然要求动物在两个熟悉的刺激之间进行选择——即左侧与右侧线索灯，或左侧与右侧位置。这意味着操作性任务与交叉迷宫设定转移任务均涉及反应冲突以及策略转换，尽管两者都保留了将策略转向新的、先前无关刺激维度这一核心概念。20,23需要注意的是，此处所述的设定转移和反转操作任务不允许引入第三种刺激维度，而挖掘任务则可能包含挖掘介质、气味和质地三个维度。11,19然而，我们并不认为这是一个致命缺陷，因为操作性策略转换任务仍然要求动物抑制先前相关的辨别策略，并转而关注先前被忽略的刺激维度。此外，通过修改设备和任务参数，或许可以引入第三个刺激维度，例如听觉线索或气味，尽管这些增加可能会使学习过程更加困难，并降低其在单日药理学测试中的适用性。
最后，任何基于操作性条件反射任务的潜在局限性在于会丧失关于大鼠行为的直接信息—— 即实验者不再直接观察大鼠。我们认为，自动化在客观性和数据采集速度方面带来的优势足以弥补这一不足，而如果需要恢复对个体的视觉观察，可在操作箱内安装摄像头，这是一种相对简便的解决方案。
为最大限度提高使用这些操作性任务的成功率，可采取若干步骤。首先，训练开始前对动物进行充分的抓握和适应处理至关重要；与任何行为学任务一样，经过良好处理的动物更易于操作，应激水平较低，且通常产生更稳定的数据。其次，可能需要进行一些预实验，以确定一天中最佳的测试时间；我们在光照周期内进行测试，发现当动物在该周期接近结束时接受测试，其表现最为理想。例如，大约为光照周期结束前3小时（例如光照周期在下午7:00结束，则训练时间约为下午4:00）。第三，必须确保动物在进入下一训练阶段前，已在每一预训练阶段达到稳定的表现。例如，在可伸缩杠杆训练阶段表现出持续且强劲的反应行为，是动物在后续“设定”辨别任务中表现良好的重要预测指标。关于实验设备，尽管所有操作步骤均已自动化，但仍需实验人员定期干预，以确认各组件均处于正常工作状态。例如，应每天（或在测试动物数量较多时每日多次）运行设备检查程序，确保所有灯光、杠杆及奖励递送系统均正常运作。尤其需要注意的是，奖励递送系统（特别是颗粒饲料分配器）的故障会显著影响动物表现。若某日出现异常高的遗漏次数，可能提示奖励递送设备存在问题，因此实验人员应每日检查数据输出，且该人员需熟悉任务流程及预期的表现水平。若排除设备故障，高遗漏率可能提示动物动机不足或健康状况存在问题。若动物整体健康状况良好，可短暂增加食物限制程度，使动物体重降至自由进食体重的80–85%，直至其表现恢复。
这些策略转换和反转任务可应用于多种实验范式中。例如，可用于研究诸如脑损伤、发育期处理、饮食干预、长期药物治疗或基因修饰等操作的影响。尽管处理对策略转换或反转阶段的影响可能是主要关注点，但需注意，由于此类慢性或永久性处理必须在训练开始前施加，因此也必须考察其对表现多个阶段（尤其是初始辨别或“定势”阶段）的影响21。急性干预手段，如药物处理或暂时性神经解剖学失活，尤其适用于这些任务。在此类实验中，增设第三个对照组（如图2所示）是十分有益的：主要实验组在策略转换或反转当天接受目标干预，一个对照组在初始辨别或“定势”阶段当天接受相同干预，以检测干预对学习的广泛影响，而第二个对照组则在两天均不接受干预（或接受假处理）20,22。需要注意的是，在此类急性干预研究中，建议根据大鼠在初始定势学习阶段的表现进行匹配，并据此将其分配至实验组和（第二个）对照组，以最大限度地避免因个体间学习辨别刺激能力的差异而混淆处理引起的性能差异。此外，若实验需在数周或数月内分批测试多个队列，则每个队列均应包含所有实验组的动物。例如，一项研究急性药物干预在策略转换期间效应的实验，总共可能需要48只大鼠，分为3个实验组，分三批进行测试，每批16只动物。在此情况下，每批应包含每个实验组5至6只大鼠。理想情况下，统计分析应包含一个因素，以确认各批大鼠之间在行为表现上无显著差异。最后，由于此类操作性任务具备受控环境、刺激呈现与反应时间精确、动物活动受限等特点，而这些特点在十字迷宫或挖掘任务中不可用或不切实际，因此这些任务特别适用于应用体内记录技术，包括微透析、伏安法和电生理学记录。

规则生成、行为选择和策略评估等高级认知过程统称为“执行功能”或“行为灵活性1”。这些过程对正常的认知功能至关重要，并可能在精神分裂症、酒精依赖、抑郁症、中风和阿尔茨海默病等多种疾病中受损2-7。执行功能过程的调控主要由大脑额叶皮层区域介导，包括人类的背外侧前额叶皮层和眶额叶皮层8-10。
开发用于评估非人类动物（尤其是啮齿类动物）执行功能和/或行为灵活性的任务，极大地推动了对认知神经生物学的理解11-14。此类任务使得研究者能够分别测量行为灵活性的不同组成部分，包括策略转换和反转学习。策略转换指的是在获取一种新的、相互竞争的策略时，主动抑制先前已习得的反应策略的能力，尤其是在不同刺激维度之间进行转换（即维度间转换）——例如，从基于视觉的辨别任务（红色 vs. 绿色，其中红色为“正确”选项，触觉刺激为无关因素）转换为基于触觉的辨别任务（光滑 vs. 粗糙，其中光滑为“正确”选项，视觉刺激此时变为无关因素）。另一方面，反转学习也涉及反应策略的改变，但这种改变发生在同一刺激维度内——例如，在“红色 vs. 绿色”的例子中，如果先前红色是正确的，那么反转后绿色变为正确选项，而触觉刺激仍保持无关。
已开发出多种任务用于研究啮齿类动物的行为灵活性。十字迷宫任务要求动物首先学会基于方向的规则（例如，“始终右转”）或基于视觉的规则（例如，“始终转向视觉线索”），并达到一定的表现标准。随后，要求动物出乎意料地在模态之间切换至相反的规则（策略转换，最初称为“非逆转转换”15），或在同一模态内切换至相反的关联（逆转学习）13,14,16。此类任务对涉及前额叶皮层、丘脑和纹状体的皮层及皮层下神经网络的功能障碍具有敏感性1,13,14,16-18。另一种类型的注意性策略转移任务（有时称为挖掘任务）要求训练动物区分在两个或三个刺激维度上存在差异的容器（挖掘介质、气味和/或外部质地）。与十字迷宫任务类似，随后要求动物在维度之间转换（策略转换）或在同一维度内转换（逆转学习），这些任务同样对前额叶皮层的操作具有敏感性11,19。该任务的一个优势在于，在跨维度策略转换过程中，大鼠会接触到全新的刺激集（范例），这确保了在此阶段出现的行为表现受损更可能归因于将注意力从复合刺激的某些方面转移到其他方面的能力受损，而非无法停止对先前与奖励相关联的特定刺激的趋近行为。然而，这一特点也使得更准确地确定策略转换过程中缺陷的具体性质变得更加困难。
尽管上述任务在文献中已有充分记载，但它们都存在若干操作上的缺点，主要在于测试动物所需时间较长。在十字迷宫任务和挖掘任务中，每次只能测试一只动物；此外，测试必须由专职实验人员实时进行，每只动物每天的测试时间可能长达数小时。另外，这两类任务中刺激的呈现和行为反应的记录均由实验人员手动控制，因此容易受到人为误差和主观判断的影响。
本文介绍了一种利用操作性实验程序自动评估大鼠策略转换和反转学习能力的方法，该方法简化了刺激控制和数据呈现过程，并显著提高了数据采集速度和通量20,21。文中详细描述了大鼠的塑造与训练方法、任务本身的各个组成部分以及所得数据的分析方式。我们发现，与十字迷宫和挖掘任务类似，这些自动化任务对前额叶及皮层下神经环路的功能障碍，以及模拟精神分裂症的神经发育干预均具有敏感性20-23。

<table><tbody><tr><td>带可伸缩杠杆的行为实验箱套装</td><td>Med Associates, Inc.</td><td>MED-008-B2</td><td>所需组件包括两个可伸缩杠杆、两个刺激灯、笼内照明灯和强化物递送系统</td></tr><tr><td>MED-PC 软件</td><td>Med Associates, Inc.</td><td>SOF-735</td><td></td></tr><tr><td>MPC2XL 软件</td><td>Med Associates, Inc.</td><td>SOF-731</td><td>用于将原始数据导入 Excel 格式的数据传输工具</td></tr><tr><td>无尘精密颗粒饲料，45 mg，含糖</td><td>Bio-Serv</td><td>F0042</td><td></td></tr></tbody></table>

评估大鼠行为灵活性的操作性实验方法

Operant Procedures for Assessing Behavioral Flexibility in Rats

执行功能包含多种高级认知过程，这些过程驱动规则生成和行为选择。这些过程的一个涌现特性是能够根据个体环境的变化来调整行为即行为灵活性）。这些过程对正常的人类行为至关重要，并可能在多种神经精神疾病中受到破坏，包括精神分裂症、酒精成瘾、抑郁症、中风和阿尔茨海默病。由于出现了可用于评估行为灵活性各个独立成分（特别是策略转换和反转学习）的动物任务，人们对执行功能神经生物学的理解已取得显著进展。尽管已开发出多种类型的任务，但大多数任务均为非自动化、劳动密集型，且每次只能测试一只动物。近期发展的基于操作性条件反射的自动化任务可简化测试流程，标准化刺激呈现和数据记录，并显著提高通量。本文中，我们描述了使用由定制软件程序控制的操作箱进行的自动化策略转换与反转学习任务。利用这些任务，我们已证明在大鼠中，内侧前额叶皮层调控策略转换而非反转学习，这与人类观察到的分离现象相似。此外，新生期海马损伤（一种精神分裂症的神经发育模型）的动物在策略转换任务中表现出选择性损伤，而在反转学习任务中则不受影响。策略转换任务还可区分不同类型的执行错误，每种错误均与特定的神经基础相关。这些自动化任务的可及性，以及不同前额叶区域贡献可分离性的证据，使其成为研究基本神经生物学过程以及在疾病模型中进行药物发现与筛选的尤为合适的检测方法。

通过手术植入的灌注套管，向边缘前皮层区域灌注局部麻醉剂盐酸布比卡因（0.75%，0.5 µl），可在测试前约10分钟实现前额叶皮层的急性、可逆性失活20。此外，可通过在第一阶段任务（“设定”）或第二阶段任务（“转换”或“反转”）期间进行失活处理，评估其对学习可能产生的普遍影响。 图2 展示了此类失活处理对执行线索-反应策略转换序列动物的影响结果。在第一天即线索/“设定”任务中对前额叶进行失活处理，并未损害动物的表现（图2A），表明内侧前额叶皮层对初始辨别学习并非必需。然而，在第二天即反应/“转换”任务中对前额叶进行失活处理，则显著损害了动物的表现，表现为动物需要显著更多的试验次数才能达到标准表现水平（图2B）。当前额叶皮层被失活时，动物在转换任务中表现出更多的类似持续性错误，而非从未被强化的错误（图2C）。这些发现重复了以往关于内侧前额叶皮层在策略转换中重要作用的研究结果，特别是其在抑制先前已习得策略方面的作用13,20。
相反，接受反应序列逆转训练的动物未表现出这种前额叶依赖性。在“逆转”当天接受前额叶皮层失活的动物，其初始反应辨别（图3A）以及随后的逆转表现（图3B）均与注射生理盐水的动物无差异20。这些发现与先前的研究结果一致，表明眶额叶皮层而非内侧前额叶皮层调控多种任务中的逆转学习12,19,26，包括与本文所述相似的操作性任务27。
<img alt="视觉线索学习，图表；柱状图显示达到标准所需试验次数及在反应转换实验中的错误情况。" src="/files/ftp_upload/52387/52387fig2highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 前额叶皮层失活损害策略转换能力。 A， 接受生理盐水或布比卡因（Bupi）注入内侧前额叶皮层的大鼠在初始线索辨别任务（“设定”）中达到标准所需的试验次数。前额叶失活对初始学习无影响。B， 在转换至反应任务（“转换”）时，于转换日向内侧前额叶注入生理盐水或布比卡因后达到标准所需的试验次数。前额叶皮层失活损害了向反应任务的策略转换。C， 动物在转换日所犯错误的类型。转换任务前进行前额叶失活（“sal-bupi”组）导致类似持续性错误的数量增加。*，p &lt; .05，与 saline-saline 组相比。本图经 Floresco et al.20 修改 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52387/52387fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="反应学习与反转学习柱状图；前额叶皮层失活（布比卡因）对试验次数的影响与生理盐水对照组比较" src="/files/ftp_upload/52387/52387fig3highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 3"> 
图 3. 前额叶皮层失活不影响反转学习。 A， 大鼠在初始反应辨别训练中达到标准所需的试验次数，这些大鼠在后续反转训练前将接受向内侧前额叶皮层注射生理盐水或布比卡因（Bupi）。两组间未见差异。B， 在内侧前额叶注射生理盐水或布比卡因后，进行反应辨别反转训练时达到标准所需的试验次数。前额叶失活并未损害反转学习能力。本图经修改自 Floresco et al.20
数据展示于 图4 提供了一个示例，说明在策略转换之前要求大鼠执行使用旧规则的“提示”试验，有助于数据的解释。在此研究中（Enomotor 和 Floresco，未发表观察结果），大鼠在第1天学习视觉线索规则的表现被匹配图4A）。 第2天，大鼠接受溶剂处理或0.2 mg/kg氟哌啶醇。在第2天测试阶段开始时，大鼠需根据第1天习得的视觉线索规则进行20次试验，随后在测试中途转换为反应辨别规则。如图所示 图4B，该处理在实验阶段的前20次提示试验中损害了视觉线索规则的提取。随后，经氟哌啶醇处理的大鼠达到标准所需的试验次数较少（图 4C） 且 perseverative 错误更少（图 4D） 策略转变. 需要注意的是，如果我们在转换前未使用提醒试验，这些数据可能会被解释为氟哌啶醇改善了集合转换能力。然而，规则提取阶段出现的损伤提示，这些效应更应被理解为对先前习得规则的记忆受损，这可能导致大鼠在学习新规则时反应冲突减少，从而表现出更快的转换。 
<img alt="视觉线索学习图；达到标准所需试验次数、正确率、按药物处理效应分类的错误次数。" src="/files/ftp_upload/52387/52387fig4highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 氟哌啶醇处理导致规则提取受损及促进策略转换。A， 大鼠在视觉线索辨别任务中达到标准所需的试验次数，这些大鼠在次日进行策略转换前接受溶剂（生理盐水）或多巴胺 D2 受体拮抗剂氟哌啶醇（0.2 mg/kg）处理。两组动物在给药前的表现相当。B， 在第 2 天测试开始时，大鼠接受 20 次提示试验，要求其继续使用第 1 天的视觉线索规则作出反应。氟哌啶醇处理显著降低了这些提示试验中的准确性。C， 在完成 20 次提示试验后，任务规则在会话中途转换为反应辨别。接受氟哌啶醇处理的大鼠在转换过程中达到标准所需的试验次数更少。D. 氟哌啶醇处理还减少了持续性错误。尽管这些数据可能提示表现改善，但 B 中显示的规则提取受损表明，表面上的“策略转换增强”更可能是由于先前习得规则的干扰减少所致。Enomoto 和 Floresco，未发表观察结果。 *，p &lt; .05，与溶剂组相比。
新生期腹侧海马损伤（NVHL）操作已被用于在大鼠中模拟精神分裂症的某些特征28，特别是认知功能障碍29,30。简而言之，在出生后7天的大鼠海马区施加兴奋性毒性损伤，随后在成年期（出生后60天以上）进行行为测试。该模型模拟了精神分裂症假定的发育轨迹28。图5展示了NVHL大鼠与对照组大鼠在“刺激预暴露”版本的策略转换—线索反应序列任务中的表现。 NVHL大鼠在学习第一条规则（反应/“设定”，图5A）时未表现出损伤，但在转换到新规则（线索/“转换”）时表现出显著缺陷，表现为达到标准所需试验次数明显增加（图5B）。此外，这种缺陷主要源于 perseverative errors（持续性错误）的增加，如图5C所示，提示存在前额叶异常20,21。这些结果证实了既往研究中利用十字迷宫任务所发现的NVHL动物策略转换能力受损的现象29。
与上述前额叶失活动物的数据类似，NVHL 动物在反转学习中并未表现出缺陷（图 6A,B），尽管它们的反应速度较慢（图 6C,D）。这一阴性结果表明，所观察到的策略转换缺陷并非归因于在刺激之间进行简单切换的能力丧失21。
<img alt="反应学习与视觉线索转移，比较Sham组与NVHL组的试验次数和错误次数的柱状图。" src="/files/ftp_upload/52387/52387fig5highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图5"> 
图5. 精神分裂症NVHL模型中的认知集合转移能力受损。 NVHL动物与假手术对照动物在先前暴露版本的认知集合转移序列（反应到线索）任务中的表现。A，NVHL动物在反应（“集合”）任务中表现未受损。B， 然而，在视觉线索（“转移”）任务中，NVHL动物达到标准所需试验次数显著多于假手术组。C， “转移”日的错误类型分析。NVHL动物比假手术动物表现出更多的持续性错误，但在回归性错误或从未强化错误方面无差异。*，p &lt; .05，与假手术组比较。该图改编自Placek et al.21
<img alt="显示在反应学习和反转实验中试验次数和反应潜伏期的条形图。" src="/files/ftp_upload/52387/52387fig6highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6. NVHL对反转学习无损害作用。A,B，NVHL动物与假手术动物在初始反应学习任务（“设定”）或反应反转任务的习得能力上无差异。C,D，NVHL动物在“设定”和“反转”任务中的反应速度均慢于假手术动物。该图改编自 Placek et al.21
最后，预实验表明，动物几乎无法学会线索任务的反转。 即，按压杠杆 相反 被照亮的刺激光。在六只受试动物中，有五只在未达到标准的情况下完成了450次反转试验（3天），第六只动物则需要418次试验（Brady，未发表观察结果；数据未显示）。这可能是因为刺激光是非常显著且具有吸引力的线索，导致大鼠极难将反应从其上转移。因此，不建议采用此种测试顺序。

评估大鼠行为灵活性等执行功能的能力，有助于研究完整动物和疾病模型中的认知神经生物学机制。本文描述了用于评估策略转换和反转学习的自动化任务，这些任务对前额叶皮层网络的功能障碍尤为敏感。

执行功能由多种高级认知过程组成，这些过程驱动规则生成和行为选择。这些过程的涌现特性……

以下实验的总体目标是利用一种自动化的操作性实验方法，评估大鼠的行为灵活性，包括策略转换和反转学习能力。首先，通过对动物进行杠杆按压行为的预训练，使其熟悉杠杆的伸出与回缩动作，并确保其行为反应稳定一致。随后，让动物接受目标序列中的第一项任务测试。例如，通过从线索辨别到反应序列的训练，评估动物学习辨别规则的能力。随后，让动物执行目标序列中的第二项任务，以评估其行为灵活性，即动物从一种规则转换到另一种规则的能力。结果表明，不同的药理学或解剖学干预措施会对行为灵活性的不同方面产生影响。与现有的基于迷宫或挖掘任务的方法相比，该技术的主要优势在于能够实现更高的刺激控制和标准化程度，并且数据采集速度显著提高。演示该实验操作的是我实验室的本科生 Bradley Roberts，他将进行大鼠行为灵活性测试。使用配备至少两个可伸缩杠杆的操作箱，杠杆位于中央强化物递送区域的两侧；每个杠杆上方各有一个刺激灯，另设一个箱内照明灯和一个强化物分配装置。确保室内灯光照亮整个实验箱，同时不影响对刺激光的检测。使用可口的食物作为强化物，例如45毫克的蔗糖颗粒。通过与计算机连接的接口控制刺激呈现、杠杆操作和数据采集。有关对大鼠进行预训练的更多细节，请参考文字版实验方案。根据文字版实验方案中的指导，对大鼠进行可伸缩杠杆训练，使其熟悉杠杆的伸出与回缩动作，并确保大鼠在进入任务的主要测试阶段时遗漏反应的次数相对较少。在每次试验中，以伪随机顺序决定伸出哪一侧杠杆，使得左侧杠杆试验和右侧杠杆试验各为45次，且连续相同侧别的试验不超过两次。伸展同一杠杆，伸展选定的杠杆。当动物在10秒内按压杠杆后，给予强化，随后该杠杆自动缩回。如果动物在10秒内未作出反应，则将杠杆缩回，并记录一次遗漏。继续进行每天30分钟的可伸缩杠杆训练，持续固定天数，或直至动物连续两天达到最少遗漏次数为五次或更少的标准，以对动物进行队列-反应序列测试，该测试是策略转换两种可能测试序列之一。开始对动物进行Q任务测试。该任务强化动物对点亮刺激灯下方的杠杆作出反应，是该序列中的设定任务。每次试验开始时，两个杠杆均处于缩回状态，点亮左侧或右侧刺激灯持续三秒，随后将两个杠杆同时伸出至箱内，持续10秒或直至动物作出反应。仅当动物在被信号指示的杠杆上作出正确反应时，才给予强化，无论其反应发生在哪个杠杆上。收回操纵杆。在整个实验过程中，每隔 20 秒开始一次试验。以伪随机方式确定试验顺序，确保相同刺激的试验连续出现不超过两次。开启光照。继续试验，直到动物完成连续10次正确反应，并至少完成30次试验，或完成150至200次试验但仍未达到标准。在达到Q任务标准的次日，将动物转入反应任务，该任务为序列中的转换任务，奖励动物对其偏好侧相反一侧的杠杆作出反应。无论提示如何，首先将两个杠杆均缩回，然后伪随机地点亮任一刺激灯，持续三秒，随后将两个杠杆均推入实验腔内，持续10秒或直至动物作出反应。仅对动物在与其所在侧相对的正确位置杠杆上的反应给予强化，若动物在任一杠杆上作出反应，则记录其偏好。随后缩回杠杆，继续试验，直至动物达到连续10次正确反应的标准。有效的策略转换依赖于内侧前额叶皮层。在治疗的第一天，前额叶失活并未影响动物在Q组任务中的表现。然而，在第二天，前额叶失活显著损害了动物在反应转换任务中的表现，表现为动物需要更多的试验次数才能达到标准表现水平。相比之下，反应逆转的辨别能力并不依赖于内侧前额叶皮层。在逆转日接受前额叶皮层失活的动物与注入生理盐水的动物之间未表现出差异，这一结果支持了以往的研究发现，即眶额叶皮层而非内侧前额叶皮层调控多种任务中的逆转学习。为了说明提示试验如何有助于数据分析，大鼠在第一天习得了一项视觉辨别Q规则。在第2天，大鼠接受溶剂或haloperidol处理，随后进行20次第1天的提示试验，之后转入反应辨别阶段。结果显示，haloperidol在提示试验期间损害了视觉线索的提取。随后，经haloperidol处理的大鼠达到标准所需的试验次数更少；若无提示试验数据表明此前规则的记忆实际上已受损，则该结果可能被误解释为转换设定能力的改善。为了探究行为灵活性和执行功能的神经生物学基础，可以将解剖学、环境或遗传操作方法，以及生理学或化学记录技术等其他方法加入到本实验流程中。

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科研

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