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技术干货 | 动物行为学之学习记忆研究方法

2020.12.30

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学习记忆是人和动物与生俱来的能力,记忆是学习的认知侧面,二者不可分割,学习产生新的记忆,记忆承载学习过程。

学习记忆功能异常是绝大多数神经系统疾病的临床特征,如阿尔茨海默症,帕金森病,癫痫,精神分裂,脑瘫,脑卒中等。

我们一般把记忆分为短期记忆和长期记忆。而根据记忆机能系统不同,可以分为参考记忆,工作记忆,恐惧记忆等,根据内容不同,可分为情景记忆,情绪记忆,动作记忆,逻辑记忆等。相关行为学就是由此为原理而产生。

1948年,心理学家爱德华·托尔曼第一个尝试研究空间内老鼠的行为。他把饥饿的老鼠放在迷宫的入口处,迷宫出口处提供食物。托尔曼观察到动物的错误率随着训练次数增加而降低。随着神经科学的快速发展,行为学已经是必不可少的研究手段,常见的学习记忆动物行为学方法如下:


T/Y迷宫

依据动物天生的探索习性(即倾向于每次探索未探索的方向),检测动物在T型/Y型迷宫中不同臂的探索情况,结合行为学记录分析软件,可以分析运动速度,穿梭次数,绘制运动轨迹等。相关的实验范式很多,有加入食物奖励的,也有加入气味/声音作为cue, 也有加入delay延迟期的,适用于工作记忆,参考记忆检测。

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Y迷宫/Y-maze


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T迷宫/T-maze


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SMART3.0行为学分析系统/Panlab SMART 3.0


八臂迷宫/Barnes迷宫

放射性八臂迷宫,不同臂的方向可粘贴不同形状的图案提示,每个臂的尽头有食物装置,食物随机放置,或者将食物与相应图案对应起来,根据动物本能探索和取食的策略,记录动物进入每个臂的次数,时间,正确次数,错误次数,路线等参数可以反应空间记忆能力。

Barnes迷宫由周边布满孔洞的圆形平台构成,在其中一个洞的底部放置盒子作为动物的躲避场所,可使用光,噪音,风等刺激作为动物找到躲避洞口的动机。实验时将动物放在平台中央,,记录动物找到目标洞口的时间,进入错误洞口的次数反应参考记忆,也可以记录重复进入错误洞口的次数反应工作记忆。

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                                             八臂迷宫/Radial Arm Maze                   巴恩斯迷宫/Barnes Maze                                                                          

水迷宫/

水迷宫由恒温圆形水池,隐藏在水面下的目标平台和水池正上方的视频采集系统组成,啮齿类动物虽然善于游泳,但是它们比较厌恶长期处于水环境中,会本能性的寻找水中的休息场所。水迷宫实验记录动物在规定时间内寻找平台的情况,结合行为学记录系统,可以分析小鼠每次找到平台所花的时间,游泳速度,不同象限的穿梭次数,活动轨迹等,适用于空间记忆和工作记忆检测。


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水迷宫/Morris water maze


新物体识别

将动物在两个或者更多的物体周边停留一段时间进行熟悉,然后用一个新物体代替原来的物体。如果记忆正常,小鼠会花费更长时间去探索新物体;如果探索两种物体花费的时间相同,就可以被视为记忆缺失。


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新物体识别实验范式/Novel Object Recognition



主动回避/被动回避实验

前者要求动物主动从由厌恶刺激的环境中逃离,后者要求动物克制自己不进入有恶性刺激的环境。二者原理都是利用动物的好暗避光(明暗穿梭),对厌恶刺激(例如足底刺激)的恐惧等相关的记忆而建立。

主动回避常用穿梭箱/跑道回避,穿梭箱箱体的一侧有声音/光联系的电击刺激,另外一侧为安全区域,当动物进入刺激侧时给与电击,让动物形成刺激条件和环境的关联,可根据小鼠再次进入刺激环境的逃避情况测试记忆保持能力。跑道回避,动物需要穿过固定的斜坡,在规定时间内到达安全区就可以避免受到电刺激。实验主要观察记录动物在训练不同天中到达安全区的时间,逃避的速度,及错误次数(未能及时到达安全区)。研究人员认为主动回避实验主要反应动物的非陈述记忆的能力。


被动回避(跳台实验,爬杆实验)

跳台实验由底部可通电的反应箱和中心安全平台组成,当箱子底部通电,小鼠会躲避电击跳到平台上,训练阶段结束后隔一段时间对动物进行测试,记录第一次跳下的时间(潜伏期),电击次数,错误次数等可以动物空间记忆和记忆保持能力。爬杆实验和跳台实验相似,只是平台换成了质地坚硬的爬杆。


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穿梭箱/Shuttle box


条件性恐惧实验

用于啮齿类动物(大小鼠)环境相关的条件性恐惧记忆的研究。啮齿类动物在恐惧时会表现出特有的僵直状态(Freezing),这种状态下的动物会倾向于保持静止不动的防御姿势。在实验过程中,给予声音信号(条件刺激)后给予电(非条件)刺激,训练结束后进行声音信号或者环境联系实验。一般情况下啮齿动物在相应的环境和不同环境下相同的声音信号都会出现明显的Freezing反应,测试也可以在训练结束后立即或者几天后检测,可以反应条件信号下的长期/短期恐惧记忆的保持消退情况。


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震惊/条件恐惧联合测试系统 Panlab Startle and Fear combined system


操作性条件反射测试箱

用于研究操作性条件反射的典型仪器,不同的实验模式可以检测动物奖赏,学习记忆,成瘾等,并且可以细致分析动物注意力,动机,决策等相关参数。相对于一般的迷宫类实验,操作箱关联更高级的认知行为,更能反应不同脑区之间的相互联系,在神经环路研究上更具有优势。

Lafayette操作箱由可定制化的箱体,实验模块(压杆,触鼻,液体奖赏,固体颗粒奖赏,噪音,灯光,触屏等),灵活化的编程软件控制系统组成。箱体可根据不同实验动物进行定制,包括大小鼠,鸟类,猪,灵长类等,同时箱体支持与外部设备联合应用,如电生理,光纤记录,钙成像,自主给药,视频拍摄等。研究人员可根据实验设计选择带有触屏操作模块,更好的研究视觉相关的学习记忆;或者楔形实验箱体,更有利于啮齿类动物学习训练任务。


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模块化条件行为操作箱/Modular Operant Chamber

参考文献:

Jonasson Z. Meta-analysis of sex differences in rodent models of learning and memory :a review of behavioral and biological data. Neuroscience and Biobehavioral Reviews 28 (8), 811–825, 2005.

Harburger LL, Pechenino AS, Saadi A, Frick KM. Post-training progesterone dosedependently enhances object, but not spatial, memory consolidation. Behavioral Brain Research 194 (2), 174–180, 2008.

Maei HR, Zaslavsky K, Wang AH, Yiu AP, Teixeira CM, Josselyn SA, Frankland PW.Development and validation of a sensitive entropy-based measure for the water maze. Frontiers in Integrative Neurosciences 3, 33, 2009.

Sunita Sharma, Sharlene Rakoczy, Holly Brown-Borg. Assessment of spatial memory in mice. Life Sciences 87(1),521-536,2010.

Zlomuzica A, Ruocco LA, Sadile AG, Huston JP, Dere E. Histamine H1 receptor knockout mice exhibit impaired spatial memory in the eight-arm radial maze. British Journal of Pharmacology 157 (1), 86–91, 2009.

Baker M. Animal Models: Inside The Minds Of Mice And Men. Nature 475(7354),123-8,2011.



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