Name: 引进响片训练为实验室老鼠认知富集 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 33 s
Description: 学习响片训练作为实验室小鼠认知富集方法，通过正强化训练降低应激水平并改善动物福利。该技术可提升实验结果可靠性，适用于神经科学与动物行为学研究。

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本工作由美因茨约翰内斯·古滕贝格大学医学中心转化动物研究中心资助。作者非常感谢Thomas Wacker提供的技术支持。

伦理声明：小鼠的处理及实验操作均遵循欧洲、国家及机构层面的实验动物护理指南。
注意：该方案包括连续五天的干预（周一至周五），周末（周六和周日）休息。该方案可轻松调整以满足特定需求。
1. 确定适合作为第二强化物的奖励
注意：使用符合食品安全标准的真空包装食品或动物饲料作为食物奖励。例如，各种坚果、巧克力、软糖熊或干果均适用。
<ol>
	<li>将一个装有不同食物奖励（每块体积为 0.5 cm3）的小型培养皿放入动物笼具中（图 1）。</li>
	<li>10 分钟后，检查是否有剩余食物。</li>
	<li>若 10 分钟内所有食物均被吃完，则缩短观察时间，直至可评估出偏好性。</li>
	<li>在第 4 天和第 5 天（例如，星期四和星期五），向笼具中添加少量偏好性更高（&#34;winner&#34;）的食物奖励，以使笼内所有小鼠均对该奖励产生偏好。</li>
	<li>若小鼠尚未适应小鼠隧道，需在开始训练前至少 2 天（例如，周末期间）向笼具中添加一条隧道。</li>
	<li>连续 3 天重复步骤 1.2 至 1.4（例如，星期一至星期三）。</li>
</ol>
2. 响片训练
<ol>
	<li>每次训练 session 的准备工作 
	注意：本方案中每次需要抓起小鼠时，均应以平静轻柔的方式进行。将手置于小鼠身下将其托起。在最初几次操作中，小鼠可能会表现出躁动，但经过数天后即可完成适应过程。若此步骤操作困难，可参考相关方案 &#34;在张开的手掌上进行拔罐&#34;28.
	<ol>
		<li>准备一个带有垫料的笼子。</li>
		<li>将正在训练的小鼠笼子转移到安静的地方。</li>
		<li>准备好奖励，并备好计时器以及点击器/目标棒组合。 
		注意：如果小鼠已适应抓握操作并与实验人员建立了信任关系，则可直接用手喂食。否则，应将奖励物固定在棒状物或镊子上，使小鼠能够在与实验人员保持距离的情况下取食。</li>
		<li>将所有物品从原本的饲养笼中移除，该笼现在用作训练区域（例如， 小鼠饲养盒，筑巢材料， 等等.).</li>
		<li>将笼内同伴转移至已准备好的笼子中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>所有培训环节均需遵守的通用规则 
	注意：以下通用规则适用于所有实验环节，在本方案后续部分将不再重复说明。
	<ol>
		<li>每次训练小鼠5分钟，交替进行30秒训练和15秒休息。</li>
		<li>让小鼠啃食奖励物的时间不超过1秒。然后将带奖励物的棒从笼中取出。</li>
		<li>执行以下奖励模式： 
		1 - 10 次行为表现：每次均给予奖励。 
		11 - 21 次行为表现：每第二次给予奖励。 
		每进行22次行为表现后，每第三次给予奖励。</li>
		<li>训练4分钟后，当小鼠再次表现出目标行为时，给予 jackpot 奖励进行强化。让小鼠啃食食物奖励的时间比之前延长三倍。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>训练日 第1天： &#34;将次级强化物与食物奖励相关联&#34;
	<ol>
		<li>将计时器设为5分钟，按下启动按钮，然后将小鼠隧道放入饲养笼中。 
		注意：利用小鼠天生的触壁性，将隧道放置在靠近墙壁的位置（图2）。在最初的几次实验中，这将提高小鼠进入隧道的概率。</li>
		<li>等待小鼠探查隧道。一旦小鼠进入隧道，立即点击并在隧道末端呈现奖励。</li>
		<li>让小鼠在隧道内静坐时摄取奖励。</li>
		<li>在小鼠位于隧道中时，持续点击15秒。</li>
		<li>小鼠一旦离开隧道，立即返回步骤 3.2。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>训练阶段第2 - 5天： &#34;穿过隧道&#34;
	<ol>
		<li>将计时器设为5分钟，按下开始按钮，然后将小鼠隧道放入鼠笼中。</li>
		<li>当小鼠进入隧道后，立即点击并在隧道末端呈现奖励。</li>
		<li>只要小鼠在隧道内，立即以相同方式点击并给予奖励。</li>
		<li>重复此操作30秒，然后暂停15秒，将隧道从笼子中取出。</li>
		<li>再次添加通道，当鼠标重新进入通道时立即点击。</li>
		<li>在隧道末端呈现奖励。</li>
		<li>让小鼠啃咬最多1秒。</li>
		<li>移除奖励。</li>
		<li>一旦小鼠开始自行重新进入隧道，立即将奖励物放置在隧道末端前方图3).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>培训课程第2周： &#34;跟随目标棒&#34;
	<ol>
		<li>将计时器设为5分钟，按下启动按钮，并将球体放置在笼子内目标杆的末端。</li>
		<li>一旦小鼠对球体表现出兴趣，立即点击并在此球体旁呈现奖励图4 和 5).</li>
		<li>仅当小鼠用鼻子触碰球体后才给予奖励。</li>
		<li>当小鼠已将执行的动作与奖励建立关联后，在训练过程中改变球体的位置（图6).</li>
		<li>等待小鼠完成这一最终挑战。</li>
		<li>将眼球放入笼中。</li>
		<li>在小鼠即将触碰到球体时，缓慢而小心地将球体位置移动1 cm。</li>
		<li>当小鼠走过指定距离并触碰到球体时，点击并给予奖励。</li>
		<li>重复此操作，直至小鼠能够稳定跟随。</li>
		<li>缓慢增加小鼠需要跨越的距离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>训练周期第3周： &#34;跟随目标棒至实验者的手&#34;
	<ol>
		<li>一手放入训练笼中，另一手持握点击器/目标棒组合，并用该手拿取奖励物。</li>
		<li>将计时器设为5分钟，按下启动按钮，并将地球仪放置在目标杆末端靠近手的位置。</li>
		<li>一旦小鼠对球体表现出兴趣，立即点击并在此球体旁给予奖励。</li>
		<li>一旦小鼠完成此项挑战，即将滚轮向手的方向移动几步。</li>
		<li>将眼球置于手掌上。当小鼠停留在手掌上时，点击并给予奖励（图7).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

对每个性别各12只BALB/c近交系小鼠群体成功实施该点击器训练方案被证明是简单易行的。先前的研究已证实点击器训练在多个物种中的有效性，而我们将此方法进一步扩展至小鼠。由于小鼠是实验动物中进化程度最低的哺乳动物，其能力常被低估。因此，数据中最令人惊讶的方面是几乎所有的小鼠均实现了训练成功。
该方案中的一个关键步骤是第二次强化物给予的时机，这对建立所展示行为与强化之间的关联至关重要。由于小鼠通常非常躁动，在其四处奔跑时准确标记特定行为略显困难。训练者经验越丰富，训练成功所需时间越短。我们观察到，即使由经验不足的训练者操作，小鼠也能较快学会。在点击器训练方案的实施过程中，即使出现轻微错误，通常也能得到弥补。常见的错误来源包括对错误行为进行了强化，以及在点击后小鼠对食物奖励缺乏兴趣。
一个不可控的因素是每只小鼠的个体性格。尽管本研究使用的是在相同条件下出生和饲养的近交系小鼠，它们仍会发展出多种不同的性格特征。根据以往的研究和我们自身的经验数据，我们知道这些差异包括不同的口味偏好、食欲表达以及探索行为的不同<sup class="xr...

开发针对实验小鼠的新优化策略是一项具有挑战性的任务，有助于实现实验动物科学中的3R原则（替代、减少和优化）。1在优化领域取得的进展可进一步促进数以百万计实验动物的福利，因此该领域亟需开展深入研究。这也是欧盟指令2010/63/EU所明确的目标之一。该指令指出，必须改善实验动物整个生命周期的生存体验，并且 &#34;实验机构应为动物、实验操作及项目持续时间制定适宜的适应性训练和培训方案&#34; （第3.7条）2.
实验动物在饲养和繁殖过程中可能会经历许多应激情况。通常，实验小鼠与负责人员之间的互动较为有限，因此难以建立信任关系。这可能导致动物在受到操作时产生更高的焦虑和应激反应，从而对动物的行为、生理状态及整体福利产生不利影响3,4,5,6。此外，常规的实验室操作，如一般性抓取、固定以及采血或组织取样，均可能引发应激反应，这些反应可通过检测应激激素或行为等不同参数进行评估7,8。已有研究表明，通过实施抓取训练程序可有效降低实验啮齿类动物对研究人员的焦虑反应9,10,11。因此，抓取训练程序可改善动物的生存状态，并对动物福利产生显著促进作用5。
本研究的目的是将正向强化训练作为一种特定的抓取方案引入小鼠操作中。正向强化训练是一种操作性条件反射方法，使研究人员能够塑造动物行为。当动物表现出期望的行为时，即给予一种正向刺激（此处为食物奖励）。其目的是使动物将奖励与该行为关联起来。响片训练是一种正向强化训练形式，利用经过条件化的次级强化物——响片发出的&#34;咔哒&#34;声，已被证实可增强特定行为12。
更具体地说，咔哒声在行为与即将到来的奖励之间起到了&#34;时间桥梁&#34;的作用13。训练者在动物执行目标行为的瞬间精确地发出咔哒声，不延迟任何时间14，随后给予食物奖励。这会强化被奖励的行为，使其出现频率更高。响片训练在伴侣动物训练中被广泛使用，并已引入实验动物科学领域，已在非人灵长类动物中成功应用13,15,16。由于小鼠在操作性条件反射范式中学习速度较快，引入第二种强化物不应超出其认知能力的负荷5,17,18,19。
通过将响片训练引入小鼠饲养过程，我们使小鼠能够获得认知层面的丰富化体验。认知丰富化的设计必须使小鼠能够运用其认知能力解决问题，并获得对所处环境的控制权20,21。多项针对不同物种的研究已证实，认知丰富化对圈养动物福利具有积极影响22,23,24。增强动物成功应对环境挑战的能力，有助于提升其整体福祉25,26。
此外，如果动物在一生中经历较低水平的压力，那么当面对生物医学研究中出现的压力源时，它们更不容易发展出有害的应对策略。因此，持续实施认知丰富化措施有助于使受试对象的表型趋于均一。这将有助于实现“3R”原则中的减少原则，因为可以减少满足统计学要求所需的受试对象数量27。
通过建立一种可靠的方案，该方案可轻松整合到实验室小鼠日常饲养流程中，我们能够显著改善小鼠一生的福利状况。

<table><tbody><tr><td>开放式饲养盒盖子</td><td>Tecniplast</td><td>GM500LID117</td><td></td></tr><tr><td>开放式饲养盒密封盖（SealSAfe Plus 型）</td><td>Tecniplast</td><td>GM500400SU</td><td></td></tr><tr><td>II 型长款过滤顶笼具</td><td>Tecniplast</td><td>GM500PFSPC</td><td></td></tr><tr><td>白杨木垫料&amp;nbsp;</td><td>Lab &amp;amp; Vet Service GmbH</td><td>H0234-300</td><td>环境丰富化材料</td></tr><tr><td>红色聚碳酸酯小鼠屋（Mouse House）</td><td>Tecniplast</td><td>ACRE011</td><td>环境丰富化材料</td></tr><tr><td>纸巾</td><td>Tork, SCA Hygiene Products GmbH</td><td>290179</td><td>环境丰富化材料</td></tr><tr><td>饲料 - ssniff M-H 挤压颗粒饲料</td><td>ssniff</td><td>V1126-000</td><td>自由取食</td></tr><tr><td>带响片的训练指示棒</td><td>Trixie</td><td>2282</td><td></td></tr><tr><td>PVC 管（隧道）&amp;nbsp;</td><td>Thyssen Krupp</td><td>RTPVCU04003005</td><td></td></tr><tr><td>白巧克力/白色巧克力奶油</td><td></td><td></td><td>公司品牌不限，建议使用有机品质</td></tr><tr><td>镊子</td><td>FineScienceTools</td><td>&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt; 11150-10</td><td>用于固定巧克力的工具，或其他类似工具</td></tr><tr><td>Prism 6.0 for Windows 版本&amp;nbsp;</td><td>GraphPad Software</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

将点击器训练引入作为实验小鼠的认知丰富化方法

Introducing Clicker Training as a Cognitive Enrichment for Laboratory Mice

在实验动物科学中建立新的优化策略，是满足欧盟指令2010/63/EU要求的核心目标。先前的研究已确定，温和操作方案对实验小鼠的福利具有深远影响。通过将响片训练引入小鼠饲养过程，我们不仅促进了对小鼠的友善对待，还使其获得认知层面的环境丰富化。响片训练是一种正向强化训练方法，利用条件性的次级强化物——响片发出的“咔哒”声——作为被强化行为与即将获得的奖励之间的时间桥梁。本研究对每个性别各12只BALB/c近交系小鼠实施响片训练方案，结果表明该方案操作简便。小鼠在接受响片训练任务挑战时学习速度较快，几乎所有受训小鼠均成功克服了所面临的挑战（雌性小鼠成功率为100%，雄性为83%）。本研究发现，小鼠接受响片训练与其在人-鼠互动过程中恐惧程度降低密切相关，表现为焦虑相关行为（例如排便、发声和排尿）减少，以及抑郁样行为（例如漂浮）减少。通过开发一种可轻松整合到实验小鼠日常饲养管理中的可靠方案，可显著改善小鼠一生的福利体验。

第一步，也是最重要的步骤之一，是确定合适的食物奖励。为此，在培养皿中为小鼠提供了多种坚果、糖溶液、果酱以及不同种类的巧克力（图1）。根据我们的经验，小鼠明显偏好白巧克力。因此，所有后续训练过程均使用白巧克力。
实际训练使用每种性别的12只BALB/c近交系小鼠组成的一个队列进行。所有小鼠对训练均表现出高度兴趣。为评估训练效果，我们检测了小鼠是否正确执行了目标行为：“跟随目标棒”（图4）。绝大多数受训小鼠——包括全部雌性小鼠和83%的雄性小鼠——能够跟随目标棒（图8）。总体而言，雌性小鼠表现出更高的训练积极性，在整个训练过程中执行该行为的频率也更高。完成4天训练后，雌性小鼠平均每5分钟跟随目标棒64次，而雄性小鼠平均每5分钟仅执行该行为50次。在5分钟内，雌性小鼠平均执行“跟随至手掌”任务55次，雄性小鼠则平均执行35次（图9</stro...

开发用于实验小鼠的新优化策略是一项具有挑战性的任务，有助于实现3R原则。本方案将点击器训练作为一种认知丰富化项目引入实验小鼠的饲养管理中。

在实验动物科学中建立新的优化策略，是满足欧盟指令2010/63/EU要求的核心目标。先前的……

本研究的总体目标是建立一种针对小鼠的正向强化训练作为特定的抓取操作方案。该方法能够回答实验小鼠优化策略这一新兴领域中的关键问题，例如如何在饲养和实验过程中降低小鼠的应激水平。该技术的主要优势在于可根据不同目的进行调整，并有助于改善实验小鼠的福利状况。我们最初想到这一方法，是源于考虑在不直接接触小鼠的情况下，在笼具之间转移小鼠的符合人体工学的替代方案。该方法的视觉演示至关重要，因为该技术学习难度较高，操作时机和对小鼠的整体操作手法尤为关键。在开始实验前，先将小鼠的饲养笼转移至安静的环境中。然后将所有物品从居住笼中移除，将其用作训练区域。接着将同笼饲养的动物从居住笼中移出，仅留下一只用于训练的小鼠。开始训练时，将计时器设定为5分钟，然后按下开始按钮。将小鼠隧道靠近笼壁放入饲养笼内，然后等待小鼠探查隧道。一旦小鼠进入隧道，立即点击并在线隧道末端给予奖励。当小鼠在隧道内静止并取食奖励时，短暂地点击15秒。一旦小鼠离开隧道，立即重复该训练阶段。在第2至第5天，将计时器设置为5分钟。按下开始按钮，将小鼠隧道放入饲养笼中。一旦小鼠进入隧道，立即点击并在线隧道末端给予奖励。在接下来的30秒内重复此操作，然后暂停15秒，将隧道从笼中取出。然后再次添加通道，当小鼠重新进入通道时立即点击。在通道末端呈现奖励，并允许小鼠啃食最多一秒钟，随后移除奖励。最后，当小鼠开始自行重新进入隧道时，立即将奖励物呈现在隧道末端前方。在第二周，首先将计时器设为五分钟。按下开始按钮，并将球体放置在笼内目标杆的末端。当小鼠用鼻部触碰到球体时，立即点击并在此球体旁给予奖励。在小鼠将该动作与奖励建立关联后，在训练过程中改变球体的位置。当小鼠用鼻部触碰到新位置的球体时，再次给予奖励。接下来将球体放入笼中，在小鼠即将触碰到球体之前，缓慢而小心地将球体位置移动一厘米。当小鼠跨越该距离并触碰到球体时，进行点击并给予奖励。逐渐增加小鼠需要跨越的距离，并重复此操作，直至小鼠能够稳定跟随。第三周开始时，一只手握住训练笼，另一只手持响片-目标棒组合，并拿好奖励物。将计时器设为五分钟，按下开始，将目标棒末端的球体靠近手部放置。当小鼠对球体表现出兴趣时，立即点击并在此球体旁给予奖励。最后，将球体放在手掌上，当小鼠停留在手掌上时，点击并给予奖励。经过响片训练后，绝大多数经过训练的小鼠均能跟随目标棒，其中所有雌性小鼠以及83%的雄性小鼠均表现出目标跟随行为。总体而言，雌性小鼠在训练中表现出更高的积极性，在各次训练过程中相关行为的发生频率也更高。与未训练小鼠相比，经过训练的小鼠表现出与焦虑相关行为的频率显著降低。此外，经过训练的小鼠在莫里斯水迷宫实验中与抑郁相关的漂浮行为显著减少。若操作得当，掌握该技术后每天每只小鼠的操作时间仅需三到五分钟。在实施该操作时，务必记住以轻柔、镇定且自信的方式处理小鼠。在完成该操作后，还可采用其他方法，例如训练小鼠跑过桥梁，自主转移到另一个笼子，以改善动物设施中的健康与卫生状况。点击训练建立后，有助于优化实验动物福利，因为它可被视为一种认知丰富化形式。观看本视频后，您应能够充分掌握如何在实验动物设施中对小鼠实施基于正向强化的训练。

introducing-clicker-training-as-cognitive-enrichment-for-laboratory

Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

引进响片训练为实验室老鼠认知富集

本报告中，我们介绍一种完全自动化且高度多功能的系统，该系统能够同时检测啮齿类动物的多种认知行为并记录其神经元活动。...

一种用于检测啮齿类动物多认知功能及记录神经元活动的全自动化且高度多功能的系统

一种完全自动化的系统，用于测量介导空间定位、时间定位、持续时间、速率 和概率估计、风险评估、冲动性以及记忆准确性和精确性的机制中具有生理意义的特性，以评估基因和药物干预对小鼠认知基础机制的影响。...

自动化、定量的小鼠认知/行为筛选：用于遗传学、药理学、动物认知研究及本科教学

提出了一种用于啮齿类动物操作性条件反射的全自动化实验方案。该方案依赖于对行为事件的精确时间控制，以研究这种控制在多大程度上影响感觉运动整合及认知控制实验中潜在的神经活动。...

一种用于感觉运动整合与认知控制实验的大鼠全自动条件化方案

本实验方案旨在通过执行注意力集转移任务（AST）等行为学检测，评估小鼠前额叶皮层介导的认知灵活性。...

注意力集转移任务：小鼠认知灵活性的一种测量方法

环境富集可能对神经退行性疾病具有潜在的保护作用。然而目前尚无简便方法来评估富集措施的有效性。本方案描述了一种用于评估动物认知功能的简单“迷题箱”方法，以揭示环境富集的效果。...

利用迷箱评估环境丰富化效果的方法

本文介绍了一种利用操作性条件反射对社会性奖赏进行定量测量小鼠社会动机的新方案。该方案适用于自闭症及其他社会行为障碍小鼠模型中社会动机的测量。...

使用操作性条件反射量化小鼠的社会动机

高级别的限制性重复行为（RRBs）会扰乱患者的生活。这些行为在啮齿类动物中难以建模，使得针对RRBs潜在治疗或干预措施的基础生物医学研究变得困难。本文介绍了一种新的物体探索方法，可作为检测小鼠高级别RRBs的潜在实验手段。...

小鼠高级重复性行为潜在检测方法：新物体探索实验

本方案介绍了一种通过响片训练实现大鼠笼具更换的方法。大鼠不仅可以通过直接训练学习目标行为，还能通过观察学习掌握该行为。实施这一快速且简便的方案，可能有助于改善啮齿类动物饲养设施中的福利与卫生状况。...

使用点击器训练与社会观察法教会大鼠自愿更换笼子

评估训练对运动技能影响的方法是一种有用的工具。然而，大多数行为学评估方法可能劳动强度大和/或成本较高。本文介绍了一种用于评估小鼠抓握（伸手抓取）技能的机器人方法。...

使用自动训练器评估小鼠的熟练抓握能力

本文描述了在小鼠中常用线性轨道虚拟现实（VR）范式的实验操作流程，并通过测试Y形信号辨别任务，验证了执行复杂VR任务的可行性。...

小鼠固定头部虚拟现实的行为训练流程

学习响片训练作为实验室小鼠认知富集方法，通过正强化训练降低应激水平并改善动物福利。该技术可提升实验结果可靠性，适用于神经科学与动物行为学研究。

将点击器训练引入作为实验小鼠的认知丰富化方法

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