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评估同伴对大鼠运动表现速度与准确性影响的任务

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DOI：

10.3791/60176

⸱

2019年10月17日

 , 
1Graduate School of Psychology, Doshisha University, 2Japan Society for the Promotion of Science, 3Faculty of Psychology, Doshisha University

本文内容

摘要

本文描述了一种在社交条件下测量大鼠运动表现速度和准确性的方法。该方案使我们能够在同一个实验中研究他人在场对运动表现速度和准确性的影响。

摘要

据我们所知，目前尚无研究探讨过“单纯在场”对动物行为表现准确性的影响。因此，我们设计了一项实验任务，用于测量大鼠在社交条件下的运动表现（速度与准确性）。实验中，大鼠被训练在跑道上奔跑，并在跑道末端拉动杠杆。在测试阶段，大鼠单独（单只）完成任务，或在杠杆另一侧有一只同伴大鼠在场的情况下（成对，即社交条件）完成任务。为评估表现速度，我们测量了大鼠启动奔跑、跑完跑道以及拉动杠杆所需的时间。为评估表现准确性，我们统计了大鼠在首次尝试中成功拉动杠杆的试验次数。采用单因素和双因素重复测量方差分析对数据进行分析。该“奔跑-拉动”任务使我们能够在同一实验中考察同种个体在场对大鼠运动表现速度与准确性的影响。结果表明，与单独任务相比，大鼠在成对任务中完成得更快，但准确性更低。该实验方案可作为研究“单纯在场”对大鼠运动表现速度与准确性影响的有效动物模型。

引言

自奥尔波特（Allport）1 提出“社会促进”这一概念，将其定义为“仅仅由于看到或听到他人做出相同动作而导致反应增强”以来，社会环境对个体表现的影响已在人类和动物中被长期研究2。尽管奥尔波特1并未区分具体的社会情境（共同行动或仅仅是他人在场），但已有研究表明，仅仅是其他个体的在场就会影响个体反应的速度或频率3,4,5,6。此外，在动物中也观察到类似现象：大鼠在压杆任务中，仅仅是同种个体的在场即可导致更高的反应速率或更快的反应速度7,8；在恒河猴执行简单的认知任务时，同种个体的在场也会提高其反应速率9。

在人类中，已有研究表明，社会情境不仅影响反应频率或反应速度，还会影响表现的准确性10。根据 Bond 和 Titus 的一项元分析11，Strauss12 提出，在社会促进研究中所使用的情境会因任务特征的不同而产生不同的影响。特别是当研究采用那些对个体精确控制自身身体能力以及在一定程度上快速完成任务的能力要求较高的任务时，表现水平的下降尤为明显，这类任务通常以其定性特征（例如，表现的准确性）作为评分依据13。

然而，除了少数几项研究14,15之外，大多数关于动物社会促进效应的研究并未关注行为表现的准确性。例如，Takano 和 Ukezono16利用熟练伸手任务17研究了大鼠在仅存在他人情况下的影响。他们要求大鼠转身，然后用前肢抓取放置在架子上的食物颗粒。尽管该任务能够提供衡量行为准确性的指标，但作者仅报告了操作速度。相反，Ogura 和 Matsushima14则考察了共作（co-action）对雏鸡啄食准确性以及奔跑速度的影响。结果显示，在共作情境下，啄食准确性较低，而奔跑速度较高，与单独情境相比存在差异。

尽管Ogura和Matsushima14首次关注了动作的定性方面，但他们的研究主要探讨的是共动（co-action）的影响。大多数社会情境（包括共动）不可避免地暗示了他人的存在。为了考察共动所特有的效应，必须将“ mere presence”（仅仅存在）的效应与共动对个体表现的影响区分开来。然而，该研究并未探讨 mere presence 的影响。据我们所知，尚无研究考察 mere presence 对动物行为准确性的影响。

我们修改了Takano和Ukezono研究中使用的任务16，以评估仅仅存在（mere presence）对大鼠操作速度和准确性的双重影响。该方法使我们能够在同一实验中考察社会条件，尤其是同种个体的仅仅存在，对大鼠操作准确性和操作速度的影响。

方案

本实验方案已获得同志社大学动物实验委员会的批准。

注意：所有实验操作均应在光照期间进行。

1. 动物

  1. 使用15只实验初学的雄性白化Wistar大鼠，体重为300−350 g。将它们饲养在温湿度可控的繁殖室内的单独笼具中，温度和湿度分别为23 ± 2 °C，70%）和 随意摄取 保持12小时光照/12小时黑暗的光周期循环（光照时段从上午8:00开始），并提供自由饮水。
  2. 将10只大鼠随机分配为实验对象，其余大鼠作为同谋大鼠。
  3. 在整个实验过程中，通过食物限制使大鼠体重维持在其自由进食体重的85−90%。
    注意： 分配同谋者的目的是减少一项研究所需的动物数量和时间。 

2. 仪器

注意： 装置的示意图见图1。该装置参考了先前的研究工作16,17进行开发和改进。

  1. 制作一个透明亚克力箱（19 cm × 110 cm × 20 cm），箱体中央设有一道宽5 cm的隔板，并安装两个滑门。将滑门置于距箱体两端各15 cm的位置。在隔板上安装一个蜂鸣器（400 Hz，75 dB），并在箱体受试动物一侧设置颗粒分配器，用于将奖励颗粒（45 mg）送入食物接收口。
  2. 在中央隔板内部的架子上安装一根金属杠杆（握杆直径3 mm，高5 cm），隔板两侧面向跑道的墙壁上各开一条宽1.5 cm的狭缝（图2），以便受试大鼠可用前肢接触杠杆。但在共谋动物一侧，于隔板墙前方插入一块透明挡板，阻止共谋动物接触杠杆。
  3. 在杠杆下方安装一个开关，当大鼠拉动杠杆时可触发该开关以启动分配器。将适当长度的肠线系于杠杆上，供实验人员手动上提杠杆使用。
  4. 使用 Arduino Mega 2560 REV3 控制滑门、蜂鸣器和颗粒分配器，并采集红外传感器及分配器开关的信号。准备一个25 L的空气压缩机，用于驱动气动缸并开启滑门。
  5. 在装置外侧靠近隔板的位置放置一台视频摄像机，以侧视角度记录大鼠的拉杆行为（60帧每秒 [fps]）。使用合适的视频回放软件对录像进行逐帧分析。

操作性条件反射箱示意图：食丸分配器、闸门、红外传感器、行为学研究。
图1：本实验方案所用装置的示意图。 中央隔板将箱体分为两个区域。箱体两侧各有一个闸门，该门将每个区域进一步划分为起始区和跑道区。 请点击此处查看该图的放大版本。

啮齿类动物实验装置示意图，显示用于行为学研究的握杆，包含侧视图和受试者视角。
图 2：装置的中央隔板。 大鼠可通过隔板上的狭缝握住横杆并拉动杠杆。食丸分配器的开关设置在杠杆下方，每次拉动杠杆即可释放一粒食丸。该图改编自 Sekiguchi 和 Hata12。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 实验步骤

  1. 奖励颗粒的处理与适应
    1. 在开始训练程序之前，由实验人员每天对所有大鼠进行 10 分钟的手动处理，持续 3 天。
    2. 为使大鼠适应奖励颗粒，在每次处理后连续 3 天每天给予每只大鼠 3 g 的奖励颗粒。
  2. 装置适应
    1. 受试大鼠
      1. 在奖励颗粒适应的第三天，在实验人员给予日常颗粒之前，将每只大鼠放入装置受试侧的跑道中适应 15 分钟，此时闸门应保持关闭状态。
    2. 同伴大鼠
      注意：共有两次适应性训练。
      1. 第一次适应时，在与步骤 3.2.1.1 相同的时间段内，将每只大鼠放置于装置同伴侧的跑道中，持续 15 分钟。
      2. 第二次适应时，在受试大鼠完成“跑-拉”序列训练的次日（见第 3.6 节），按照步骤 3.2.2.1 的方法进行。
        注意：同伴大鼠与受试大鼠的适应训练应分别单独进行，每次仅允许一只大鼠进入装置。在测试阶段开始前，不得让任何大鼠在装置内与其他大鼠相遇。
  3. 食盒训练
    注意：对于受试大鼠，在完成装置适应的次日进行食盒训练，具体步骤如下。若大鼠未能吃完所有食物颗粒，则在次日再次进行食盒训练。
    1. 在同伴侧的食物接收器上放置一颗奖励颗粒，以排除测试阶段同伴大鼠进食时颗粒气味可能带来的影响（参见第 3.7 节）。
    2. 将受试大鼠放置于受试侧跑道上，此时闸门保持关闭。
    3. 使用颗粒分配器，按照可变时间 30 秒（VT 30 s）的程序，共递送 60 次奖励颗粒。确保受试大鼠吃掉所有递送的颗粒。
  4. 杠杆拉动动作的逐步训练
    注意：图 3 为实验流程图。
    1. 在每只受试大鼠侧和同伴侧的食物接收器上各放置一颗奖励颗粒。在逐步训练阶段，不要将同伴大鼠放入装置中。
    2. 将受试大鼠放置于受试侧跑道上，闸门保持关闭。随后训练大鼠下拉杠杆。逐步塑造其杠杆拉动行为，依次遵循以下五个强化标准（A–E）：（A）接近狭缝；（B）用口鼻或前肢触碰握杆，此时杠杆已预先下拉至受试侧；（C）触碰握杆，此时杠杆向大鼠侧倾斜（角度为 60°–30°）；（D）在与标准 C 相同的条件下，抓握并下拉握杆至大鼠侧；（E）在杠杆直立状态下，抓握并下拉握杆至大鼠侧。
    3. 当给予 60 次奖励或经过 30 分钟后，结束当日训练。若某只大鼠在一次训练中完成标准 E 达 40 次，则当日的杠杆拉动塑造阶段即告完成。
      注意：几乎所有大鼠均能在 20 分钟内完成每日的塑造训练。Wistar 大鼠通常需要约 3 天时间达到标准 E。

训练与测试阶段示意图；杠杆拉动训练，成对与单次阶段；行为学研究。
图3：实验流程图。 实验大鼠按此顺序依次经历训练阶段和测试阶段。本图经Sekiguchi和Hata12修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 杠杆拉动动作训练
    1. 将实验大鼠放置于起始区域。训练期间不放入同伴大鼠。呈现蜂鸣器声音5秒，然后打开门。当实验大鼠向下拉动杠杆时，给予一粒食物颗粒，并通过绑在杠杆上的肠线将杠杆拉回原位。
    2. 当大鼠完成10次（该阶段前3天）或6次（该阶段后3天）杠杆下拉动作并吃完所有奖励颗粒后，关闭门，由实验人员用手将其移回起始区域。
    3. 经过20秒的试次间间隔（ITI）后，重复步骤3.5.1和3.5.2。当每只大鼠均获得60粒食物颗粒后，结束当日的训练。
      注意：该训练还旨在使大鼠习惯蜂鸣器声音和门的开启，因为Wistar大鼠通常在初次接触门移动时会表现出僵直行为。每只大鼠每日训练约需15分钟。此训练阶段共需6天。
  2. 跑动-拉动序列训练阶段
    1. 执行与步骤3.5.1相同的程序。
    2. 当大鼠完成一次杠杆下拉并吃掉奖励颗粒后，关闭门，由实验人员用手将其移回起始区域。
    3. 经过20秒的试次间间隔（ITI）后，开始下一次试次（步骤3.6.1和3.6.2）。当每只大鼠均获得30粒食物颗粒后，结束当日训练。
      注意：每只大鼠每日训练约需20分钟。大鼠的表现分数通常需要约10天达到稳定水平。
  3. 测试阶段

单只与成对大鼠行为示意图；实验大鼠、同伙设置、颗粒奖励实验。
图 4：各测试条件说明。 在单只阶段，实验大鼠单独执行任务。在成对阶段，将同伙大鼠放置于跑道中与实验大鼠相对的一侧。分隔板前方的透明墙可防止同伙大鼠接触杠杆。此图经 Sekiguchi 和 Hata12 修改而来。请点击此处查看此图的放大版本。

注意：测试阶段包括两种条件下的实验：单独条件和成对条件（图4）。在单独条件下，大鼠单独执行任务，即试验过程与训练阶段的“跑动-拉动”序列（第3.6节）相同。在成对条件下，同伴大鼠位于箱子的对侧。由于隔板前方有一块透明丙烯酸壁，同伴大鼠无法接触到杠杆。

  1. 进行一次与训练阶段跑-拉序列（第3.6节）相同的单次实验。当每只大鼠均获得30粒食丸后，结束当日的实验。尤其在单只条件下的实验中，应在同伴大鼠一侧的食物接收口放置一粒奖励食丸。
  2. 在配对实验中，在受试大鼠的间隔间歇期（ITI）给予同伴大鼠一粒奖励食丸，以使其保持在隔板附近。

4. 数据分析

  1. 操作准确性指标
    1. 使用装置外侧隔板附近的摄像机记录大鼠的拉杆动作视频。所有实验阶段结束后，使用适当的视频播放软件对视频记录进行逐帧分析，以确认评估结果。
    2. 在实验过程中，通过实验人员的视觉观察，判断大鼠在某次试验中的拉杆动作是否为“首次命中”。
      注意：“首次命中”试验定义为大鼠在第一次尝试接触拉杆时即成功抓握并将其拉下的试验。
    3. 计算每个受试大鼠在每次实验阶段（训练阶段）或每个阶段（测试阶段）中，首次命中试验次数占总试验次数的比例，作为后续分析所用的首次命中率。
  2. 操作速度指标
    1. 根据食丸分配器开关的信号值计算完成一次试验所需的时间：完成一次试验所需时间 = （开关被按下的时间）－（门打开的时间）。然后利用红外传感器的数据，将完成一次试验所需的时间划分为三个部分（图5）。
      注意：起始潜伏期（图5a）定义为从门打开到大鼠到达第一个传感器的时间；同理，奔跑时间（图5b）为从到达第一个传感器至到达第二个传感器的时间；拉杆潜伏期（图5c）为从到达第二个传感器到食丸分配器开关被按下的时间点之间的间隔。
    2. 仅使用首次命中试验的时间数据进行分析。针对每个受试大鼠，在训练阶段的每一会话以及测试阶段的每一阶段，分别计算各项时间指标的中位数值用于分析。

包含传感器的跑道示意图；用于运动追踪的实验装置；过程监测。
图5：运动表现指标的测量。（a）起始潜伏期：从门打开到大鼠到达第一个传感器的时间间隔。（b）奔跑时间：从大鼠到达第一个传感器到其到达第二个传感器的时间间隔。（c）拉杆潜伏期：从大鼠到达第二个传感器到完成一次拉杆反应的时间间隔。本图改编自 Sekiguchi 和 Hata12。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 统计分析
    1. 对于运行-拉动序列训练阶段的各项指标，针对每个指标以训练次数作为被试内因素进行单因素重复测量方差分析（ANOVA）。
    2. 对于测试阶段的各项指标，针对每个指标在测试阶段采用双因素重复测量方差分析（ANOVA），被试内因素包括阶段数（阶段1或阶段2）和条件（配对或单独）。统计显著性水平设定为 α = 0.05。

结果

跑动-拉拽序列的训练阶段

图6展示了训练阶段跑-拉序列的平均值±平均值的标准误（SEM）得分。首次命中率的平均值（图6A）在训练阶段的前半段逐渐上升，随后稳定在约85%。方差分析结果显示，训练次数的主效应显著（F(7,63) = 3.74，p = 0.002，η2G = 0.211）。多重比较表明，后四个训练阶段之间均无显著差异（所有p值均>0.60）。

性能分析，按会话划分的效率图表；A：首次命中率均值；B：平均反应时间。
图6：训练阶段各会话中跑动-拉动序列的平均值 ± 标准误得分。（A）性能准确性的指标。（B）性能速度的指标。此图经Sekiguchi和Hata12修改而来。请点击此处查看此图的放大版本。

类似地，表现速度的指标（图6B；启动潜伏期、奔跑时间以及拉杆潜伏期）在前四个训练阶段持续下降，在后四个阶段中所有指标均稳定在约600 ms左右。对于所有指标，方差分析（ANOVA）显示训练阶段数的主效应均具有统计学意义（启动潜伏期：F(7,63) = 6.21，p < 0.001，η2G = 0.279；奔跑时间：F(7,63) = 3.98，p = 0.001，η2G = 0.170；拉杆潜伏期：F(7,63) = 11.85，p < 0.001，η2G = 0.350）。按阶段进行的多重比较结果显示，所有指标在后四个阶段之间均无显著差异（所有 p 值 > 0.12）。

图7展示了测试阶段各会话的平均值±标准误得分。在表现准确性的指标方面，成对阶段的首次命中率（图7A）低于单独阶段。此外，在两种条件下，第二阶段的首次命中率均高于第一阶段。方差分析结果显示，条件（F(1,9) = 6.25，p = 0.034，η2G = 0.114）和阶段（F(1,9) = 14.1，p = 0.005，η2G = 0.147）的主效应均显著，但交互作用不显著（F(1,9) = 0.15，p = 0.703，η2G = 0.002）。

显示各阶段首次命中率、起始潜伏期、运行时间、压杆潜伏期的柱状图。
图7：测试阶段各次实验的平均值 ± 标准误（SEM）得分。 表示操作准确性的指标（A：首次命中率）和表示操作速度的指标（B：起始潜伏期，C：运行时间，以及 D：压杆潜伏期）。*** p < 0.001，** p < 0.01，* p < 0.05。本图经Sekiguchi和Hata12修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

关于表现速度的指标，配对阶段的启动潜伏期（图7B）短于单独阶段。方差分析结果显示，启动潜伏期仅条件的主效应具有显著性（F(1,9) = 23.1, p = 0.001, η2G = 0.065），而阶段的主效应及交互作用均不显著（阶段： F(1,9) = 0.03, p = 0.878, η2G < 0.001；交互作用： F(1,9) = 0.002, p = 0.970, η2G < 0.001）。类似地，在拉杆潜伏期方面，不同条件之间也观察到差异（图7D）。与启动潜伏期相同，拉杆潜伏期的方差分析显示条件的主效应显著（F(1,9) = 23.3, p = 0.001, η2G = 0.183），阶段的主效应不显著（F(1,9) = 2.72, p = 0.133, η2G = 0.028），交互作用亦不显著（F(1,9) = 1.07, p = 0.327, η2G = 0.002）。对于跑步时间，未发现显著效应（图7C，条件： F(1,9) = 3.03, p = 0.116, η2G = 0.004；阶段： F(1,9) = 4.46, p = 0.063, η2G = 0.010；交互作用： F(1,9) = 0.29, p = 0.602, η2G < 0.001）。

操作性条件反射箱示意图：食丸分配器、闸门、红外传感器、行为学研究。
图1：本实验方案所用装置的示意图。 中央隔板将箱体分为两个区域。箱体两侧各有一个闸门，该闸门将每个区域进一步划分为起始区和跑道区。 请点击此处查看此图的放大版本。

显示用于行为学研究的啮齿类动物实验装置示意图，包括抓握杆的侧视图和受试者视角。
图 2：装置的中央隔板。 大鼠可通过隔板上的狭缝抓握横杆并拉动杠杆。颗粒分配器的开关设置在杠杆下方，每次拉动杠杆即可释放一粒食物颗粒。该图改编自 Sekiguchi 和 Hata12。请点击此处查看此图的放大版本。

训练与测试阶段示意图；杠杆拉动训练，成对与单次阶段；行为学研究。
图3：实验流程图。 实验大鼠按此顺序依次经历训练阶段和测试阶段。本图经Sekiguchi和Hata12修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

单只与成对大鼠行为示意图；实验大鼠、同伙设置、颗粒奖励实验。
图4：各测试条件说明。 在单只阶段，实验大鼠单独执行任务。在成对阶段，将同伙大鼠放置于跑道中与实验大鼠相对的一侧。分隔板前方的透明墙可防止同伙大鼠接触杠杆。本图经Sekiguchi和Hata12修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

传感器跑道示意图；运动追踪实验装置；过程监测。
图5：运动表现指标的测量。（a）起始潜伏期：从门打开到大鼠到达第一个传感器的时间间隔。（b）奔跑时间：从大鼠到达第一个传感器到其到达第二个传感器的时间间隔。（c）拉杆潜伏期：从大鼠到达第二个传感器到完成一次拉杆反应的时间间隔。本图经Sekiguchi和Hata12修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

该任务使我们能够评估他人在场对运动表现速度和准确性的影响。本文报告的效应量已足够大。我们重新计算了η2（本实验中η2与η2G差异不大），根据Cohen提出的标准，这些效应量被视为中等（η2 > 0.06）或较大（η2 > 0.14）18。因此，我们认为本研究中观察到的差异具有实际意义且可靠。本实验的结果与人类相关研究的结果基本一致4,10，也与Ogura和Matsushima的研究结果相符14，后者探讨了共动（co-action）对雏鸡奔跑和啄食行为速度与准确性的影响。尽管关于人类社会促进作用的研究考察了社会情境对行为速度和准确性的双重影响，但大多数先前的动物研究并未探讨他人在场对表现准确性的影响。本文所提出的实验方案为研究他人在场对运动表现的影响提供了更优的动物模型。

作为一种局限性，成对条件与单独条件之间首次命中率的差异可能被解释为练习效应所致。尽管训练可能已足够，但大鼠的表现仍有提升空间。在训练阶段最后四个阶段中，跑动-拉动序列的表现准确性和表现速度指标均未再发生明显变化。然而，在测试阶段，首次命中率持续上升。这种上升可能被解释为练习效应的结果。此外，本实验设计（A-B-A-B设计）无法将练习效应与条件效应区分开来。未来的实验应：（1）采用A-B-B-A设计或其他适当的实验设计，以排除练习效应的影响；（2）考虑延长跑动-拉动序列的训练阶段。

本方案可用于采用组间设计的研究，但“应选择何种设计？组内设计还是组间设计？”这一问题的答案需根据具体情况而定。通常情况下，采用组间设计的研究可以避免本研究中可能出现的练习效应。然而，组间设计需要更多的动物样本，且单次研究耗时更长（例如，若使用本文所述方案，每天需7−8小时，才能在一天内使用一套装置完成所有大鼠的测试）。采用组内设计的研究可减少所需动物数量和单次研究的时间，但实验者必须控制练习效应的影响。实验者在选择实验设计前，应仔细权衡时间与成本因素。

经过少量修改后，该任务可用于研究共动或镜像引发的社会促进效应10，以及其他已在人类中研究过的社会情境对大鼠操作速度和操作准确性的影响。为研究共动效应，可将中央隔板上的杠杆分为两个独立杠杆，并调整其位置，使每个杠杆仅能从盒子的一侧拉动。为研究镜像效应，可将同伴所在侧箱壁的透明丙烯酸板更换为镜面。同样地，也可通过不透明墙壁研究隐藏同伴存在的影响。未来利用这些改进方法的研究将有助于通过跨物种运动表现的多维度比较，全面理解社会促进现象。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由日本促进科学振兴会（JSPS）对 Y.S. 提供的科学研究费补助金（KAKENHI）资助（资助编号：JP18J10733）。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
45 mg 无尘精密颗粒
啮齿类动物用，纯化		Bio-Serv.F0021
Arduino Mega 2560 REV3Arduino S.r.l.无
颗粒自动分配器及喂食装置（大鼠用）Harvard Apparatus76-0353
Power DVD 14CyberLink无使用合适的视频播放程序，支持逐帧播放功能。
跑拉任务装置Bio Medica Corp.定制产品装置套件（箱体）、空气压缩机，以及接收 Arduino 输入信号的气缸控制设备。
摄像机JVCGZ-R300

参考文献

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