部分學習記憶的行為學方法研究及其應用

萬 朋，高俊濤，劉志洋，呂世杰

(吉林醫(yī)藥學院:1.生理學教研室，2.生物化學與分子生物學教研室，吉林吉林 132013)

部分學習記憶的行為學方法研究及其應用

Study on the behavioristicsmethod of partial learningmemory and its application

萬 朋1，高俊濤1，劉志洋1，呂世杰2*

(吉林醫(yī)藥學院:1.生理學教研室，2.生物化學與分子生物學教研室，吉林吉林 132013)

本文介紹了部分行為學相關的儀器及其使用方法，以學習記憶為中心從儀器的構(gòu)造組成、實驗原理、使用方法、研究領域等方面對其進行了總結(jié)。文章從以上幾個方面對部分行為學儀器進行了進一步探討，為其在學習記憶等相關研究提供近一步證據(jù)。

學習記憶;行為學;研究;應用

學習和記憶是腦的高級功能，是各種認知功能形成的基礎。隨著科技的發(fā)展，為了進一步了解學習記憶的機制，不斷涌現(xiàn)出各種先進的實驗技術和方法。本文將重點探討目前常用的生物機能學實驗儀器相關的行為記憶研究實驗方法及其應用，對部分行為學儀器及使用方法作一簡要的綜述，以期為相關方面研究人員提供一些相關信息。

1 開場活動實驗箱

開場活動實驗箱(Open field test)可用于評價抑郁模型、黑質(zhì)損傷、下丘腦垂體腎上腺軸的研究、中醫(yī)的電針療法研究等［1］。開場活動實驗箱是由長62.5 cm、寬74 cm、高51 cm的黑色不透明塑料板長方體構(gòu)成，其中一側(cè)板上有2個透明帶，下面的用于小鼠的行為學觀察，上面的用于大鼠的行為學觀察，在這一側(cè)面外配有反光鏡。區(qū)域中央?yún)^(qū)頂部裝有2個燈管，上面配有視頻監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過攝像頭觀察動物的活動情況。實驗通常設定單次總時間，系統(tǒng)默認為300 s，實驗人員可自行設定，實驗的數(shù)據(jù)采集時間應大于等于3 s。本儀器能精確定量，在設定的時間內(nèi)自動監(jiān)測動物活動，對動物的自發(fā)活動進行二維測定，能定量測定藥物對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮與鎮(zhèn)靜作用、對新環(huán)境的適應能力、評估動物的運動能力、焦慮前后及給藥前后行為學變化，廣泛應用于藥物、藥理學、生物生理學、行為生物學等的研究中［2］。

2 Y迷宮實驗

Y迷宮主要應用于動物的辨別性學習、工作記憶及參考記憶的測試［3］。Y迷宮由3個完全相同的臂組成:臂長30 cm、臂寬6 cm、臂高15 cm。每個臂盡頭有食物提供裝置，同時每個臂的末端安有光信號，每個臂的下面由電柵作為地板，刺激方式為程控隨機模式，刺激電壓通常在24～180 V之間。實驗時根據(jù)分析動物取食的策略，即進入各臂的次數(shù)、時間、正確次數(shù)、錯誤次數(shù)路線等參數(shù)，可以反映出實驗動物的空間記憶能力。本儀器廣泛用于行為學和認知實驗中測試動物的空間記憶能力，可以全自動探測動物指定的時間內(nèi)，動物主動逃避和被動逃避次數(shù)［4］。該儀器可用于學習記憶、老年癡呆、智力與衰老、新藥開發(fā)/篩選/評價的研究，廣泛應用在藥理學、毒理學、預防醫(yī)學、神經(jīng)生物學、動物心理學及行為生物學等多個學科及計算機輔助教學等領域，是醫(yī)學院校開展行為學研究尤其是學習與記憶研究的經(jīng)典實驗。

3 T迷宮實驗

T迷宮通過食物誘導實驗方式進行動物學習記憶的實驗［5］。T迷宮與Y迷宮非常相似，也是由3個臂組成，分別為:選擇臂(臂長26.6 cm、臂寬7.6 cm、臂高15 cm)、起始臂(臂長36.4 cm、臂寬7.6 cm、臂高15 cm)和準備區(qū)(臂長9.8 cm、臂寬7.6 cm、臂高15 cm)，每個臂盡頭有食物提供裝置，直徑2 cm，深度1.2 cm。但與Y迷宮的主要區(qū)別是T迷宮未提供獎懲條件，完全利用動物探索的天性，因此能最大可能地減少影響實驗結(jié)果的混雜因素。T迷宮通過食物誘導進行動物學習記憶實驗，采用視覺相關的分析方法對動物的行為進行分析，獲得動物根據(jù)誘導后的行為數(shù)據(jù)［6］，是醫(yī)學院校研究行為學、認知實驗、學習記憶、藥理學、毒性作用等較好的實驗方法。

4 高架十字迷宮

高架十字迷宮(High plusmaze)是利用動物對新奇環(huán)境的探究性和對高懸敞開臂的恐懼形成矛盾沖突行為，來考察動物的焦慮狀態(tài)。高架十字迷宮是由兩條相對開放臂(臂長30 cm、臂寬6 cm、臂高15 cm)和兩條相對閉合臂(臂長30 cm、臂寬6 cm、臂高0.6 cm)及中央?yún)^(qū)(6 cm×6 cm)連接而成，高架十字迷宮高架高度為50 cm。嚙齒類動物由于嗜暗性會傾向于在閉臂中活動，但出于好奇心和探究性又會在開臂中活動，在面對新奇刺激時，動物同時產(chǎn)生探究的沖動與恐懼，這就造成了探究與回避的沖突行為，從而產(chǎn)生焦慮心理。而抗抑郁藥物能明顯增加進入開臂的次數(shù)與時間［7］。高架十字迷宮廣泛應用于新藥研發(fā)、藥理學、毒理學、預防醫(yī)學、神經(jīng)生物醫(yī)學、動物心理學及行為生物學等多個學科的科學研究領域，是開展行為學研究尤其是焦慮抑郁研究的經(jīng)典實驗。

5 高架零迷宮

高架零迷宮是在高架十字迷宮的基礎上發(fā)展而來的裝置，它結(jié)合了傳統(tǒng)和革新的行為學檢測方式用于焦慮分析［8］。高架零迷宮是一個高架的環(huán)形平臺，平臺上相對稱地設置了兩處圍欄和兩處開放區(qū)，其跑道寬度為6 cm、外直徑為45 cm、內(nèi)直徑為33 cm、高架高度為50 cm。高架零迷宮的這種設計方式消除了傳統(tǒng)高架十字迷宮的平臺區(qū)，不用計算動物在平臺上的時間，相對而言，可以讓動物處于不間斷的探索中。本儀器用于測量動物的焦慮程度，即動物在閉臂停留時間與開臂停留時間的比值;同時系統(tǒng)還可以測量進入各區(qū)域的次數(shù)、停留時間以及探頭次數(shù)等重要的行為數(shù)據(jù)。高架零迷宮是醫(yī)學院校研究實驗動物抗焦慮、致焦慮藥物藥理的重要實驗手段。

6 水迷路實驗箱

水迷路實驗分析系統(tǒng)是一種強迫實驗動物(大鼠、小鼠)游泳，學習尋找隱藏在水中平臺的一種實驗。水迷路實驗箱是由高級醫(yī)用有機板制作而成，外形尺寸長為80 cm、寬為60 cm、高為22.5 cm，迷路路徑寬度為7.6 cm，終點臺階高度為9 cm。水迷路實驗箱實現(xiàn)了水迷路學習記憶自動探測法，可自動測定小鼠在水迷宮中進入盲區(qū)的錯誤次數(shù)和達到終點所需時間。經(jīng)實驗證明，小鼠連續(xù)訓練4 d，80%的動物可學會辨別反映，在短時間內(nèi)可抵達終點。如藥物引起記憶障礙，則到達終點所需時間明顯延長，錯誤次數(shù)增多。水迷路實驗分析系統(tǒng)主要用于測試實驗動物對空間位置感和方向感(空間定位)的學習記憶能力，被廣泛應用于學習記憶、老年癡呆、海馬研究、智力與衰老、新藥研發(fā)、藥理學、神經(jīng)生物學等研究領域，在世界上已經(jīng)得到廣泛認可，是研究學習記憶的經(jīng)典實驗。

7 八臂迷宮

八臂迷宮(8-Arm Maze)用來檢測藥物或大腦受損狀態(tài)下學習和記憶方面的表現(xiàn)，它由8個完全相同的臂組成，這些臂從一個中央平臺放射出來，所以又被稱為放射迷宮(Radial Maze)［9］。八臂迷宮實驗箱是由高級醫(yī)用有機板制作而成，外形尺寸:各臂長度為30 cm、寬度為6 cm、高度為15 cm，喂食槽直徑為2 cm、深度為1.2 cm。實驗時根據(jù)分析動物取食的策略即進入每臂的次數(shù)、時間、正確次數(shù)、錯誤次數(shù)、路線等參數(shù)，可以反映出實驗動物的空間記憶能力。相對而言，八臂迷宮操作簡便、可行，而且運用計算機視覺分析原理，自動偵測完成時間、工作臂記憶錯誤次數(shù)、參考臂記憶錯誤次數(shù)，現(xiàn)已被廣泛用于學習記憶認知實驗功能評價。

8 Morris水迷宮

Morris水迷宮是英國心理學家Morris于20世紀80年(1981)代初設計，并應用于腦學習記憶機制研究的一種實驗手段，在阿爾茨海默病(AD)研究中的應用非常普遍［10］。Morris水迷宮實驗裝置為一個盛滿水的圓形水池，其直徑大鼠1.2～2 m、小鼠0.8～1.6 m，水池分成4個象限，在其中一個象限的液面下隱藏著一個直徑8～12 cm的平臺，平臺距離液面1～2 cm，實驗時水溫一般控制在24℃左右。Morris水迷宮實驗主要分為定位航行實驗(Place navigation)和空間探索實驗(Spatial probe)兩個階段。本儀器主要根據(jù)實時跟蹤大小鼠運動軌跡，可以統(tǒng)計分析實驗動物在4個象限內(nèi)、中、外環(huán)經(jīng)過的路徑和時間，6個時段有效率，朝向角，平均運動速度，經(jīng)過虛擬平臺次數(shù)，虛擬平臺停留的時間等參數(shù)來分析動物的學習記憶能力［11］。自從Morris水迷宮發(fā)明以來，被廣泛應用于學習記憶、老年癡呆、海馬研究、智力與衰老、新藥研發(fā)、藥理學、毒理學、預防醫(yī)學、神經(jīng)生物學、動物心理學等多個學科的科學研究中。

9 巴恩斯迷宮

巴恩斯迷宮(Barnes Maze)是由美國學者Carol A Barnes 1979年發(fā)明的用于檢測動物空間記憶能力的裝置［12］。巴恩斯迷宮是由特制醫(yī)用有機板制成的一個圓形平臺，可旋轉(zhuǎn)，直徑為75 cm。平臺周邊有18個等距離圓洞，分別用于大鼠和小鼠;洞的直徑分別為10 cm和5 cm。其中一個洞(稱為目標洞)與一個暗箱(即目標箱)相連。為了防止實驗動物從迷宮中逃離，平臺距離地面至少應該在50 cm以上。Barnes迷宮實驗系統(tǒng)利用嚙齒類動物避光喜暗且愛探究的特性而建立，動物獲得的記憶強化是從一個光亮、敞開的平臺上面，逃往位于平臺下面的一個黑暗、狹小的箱里，該箱稱為目標箱，動物通過訓練學習并記憶目標箱的位置。該模型不需要食物剝奪和足底刺擊，對動物的應激性刺激較小;實驗對動物的體力要求很小，能減少因年齡因素所致的體力下降對實驗結(jié)果的影響;實驗需要的時間較少;能更好的防止其他因素來影響實驗。因此，在記憶研究中較為常用，尤其適用于與應激相關的記憶研究，以及基因敲除小鼠的行為表型研究。

10 結(jié)論與展望

學習和記憶是大腦的重要功能之一，是人類思維活動的基本環(huán)節(jié)。目前對學習記憶的研究進展十分迅速，關于學習記憶測定的新方法和新技術更是層出不窮。尤其隨著研究的深入、實驗者設計的動物模型不斷改良，對實驗的儀器和裝置要求也不斷提高。人們將記憶一般分成3個階段，即獲得、鞏固和再現(xiàn)。本文簡要闡述了部分行為學儀器的構(gòu)造和使用方法，希望大家根據(jù)自己實驗的整體情況選擇簡便有效的方法，為學習記憶的研究開辟新的途徑。如何把這些行為學研究方法和最新的研究技術有效的結(jié)合起來，為學習記憶的研究提供更廣闊的思路，是今后學習記憶的行為學研究的發(fā)展方向。

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R33

A

1673-2995(2015)01-0057-04

2014-08-21)

吉林省科技廳科技發(fā)展計劃項目(20130412002XH);吉林醫(yī)藥學院教學研究課題.

萬 朋(1980－)，男(漢族)，講師，博士.

呂士杰(1960－)，男(漢族)，教授，本科.