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什么是認(rèn)知功行為學(xué)？認(rèn)知功能相關(guān)的動物行為學(xué)實驗設(shè)備有哪些？此文詳細(xì)講述了近年來動物模型中常用的認(rèn)知行為學(xué)分析方法進(jìn)行總結(jié)，對評價內(nèi)容、各個行為學(xué)實驗的優(yōu)勢及局限性做簡要介紹，為認(rèn)知功能障礙相關(guān)疾病模型的行為學(xué)分析提供參考。
認(rèn)知功能的行為學(xué)評估在相關(guān)病模型的生理機(jī)制研究、用物干預(yù)評估等實驗研究中應(yīng)用廣泛。在眾多的行為學(xué)實驗中，評估學(xué)習(xí)記憶功能的實驗至為常見。本文就近年來動物模型中常用的認(rèn)知行為學(xué)分析方法進(jìn)行總結(jié)，對評價內(nèi)容、各個行為學(xué)實驗的優(yōu)勢及局限性做簡要介紹，為認(rèn)知功能障礙相關(guān)病模型的行為學(xué)分析提供參考。
認(rèn)知是機(jī)體認(rèn)識和獲取知識的過程，包括記憶、語言、視空間、計算、執(zhí)行和理解判斷等方面。認(rèn)知功能障礙是指大腦上等智能加工過程出現(xiàn)異常而導(dǎo)致的學(xué)習(xí)、記憶障礙，同時伴有失語、失用等改變的病理過程。 隨著人類壽命的不斷延長以及人口老齡化的到來，與認(rèn)知功能障礙相關(guān)的神經(jīng)退行性惡疾（如阿爾茨海默病、帕金森病等）患病率不斷升高，給家庭和社會經(jīng)濟(jì)增加了沉重的負(fù)擔(dān)。 而其他非神經(jīng)系統(tǒng)病引起的認(rèn)知功能障礙，如糖尿病、高血壓等也嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。研究認(rèn)知功能障礙的病理機(jī)制對相關(guān)病的防治有著重要的意義。
動物行為學(xué)評估在神經(jīng)科學(xué)的多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別是在認(rèn)知功能障礙相關(guān)病的動物模型評估、生理機(jī)制研究等方面發(fā)揮著重要的作用 。學(xué)習(xí)記憶力受損是認(rèn)知功能障礙中較為常見的一種表現(xiàn)，在眾多的行為學(xué)實驗中，評估學(xué)習(xí)記憶功能的實驗至為常見。 其中工作記憶與參考記憶常用于實驗動物的認(rèn)知功能評估。 工作記憶包括注意力、短時記憶和對信息的處理；參考記憶則被認(rèn)為是一種長期的記憶或習(xí)慣，比工作記憶的容量更大、持續(xù)時間更長、抗干擾能力更強(qiáng)。
１ Morris水迷宮（Morris Water Maze MWM）
Morris水迷宮由英國心理學(xué)家Morris于1981年報道，是目前行為神經(jīng)科學(xué)中至常用的評估方法之一，廣泛用于多種神經(jīng)系統(tǒng)病的模型評估及用藥干預(yù)研究。 海馬是與空間學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)的大腦區(qū)域，ＭＷＭ 也被證明是與海馬突觸可塑 性和 Ｎ?甲基?Ｄ?天冬氨酸（ＮＭＤＡ）受體功能密切相關(guān)的測試方法。
實驗動物被放置在一個圓形水 池中，水中加入不透明的、無毒的白色顏料或奶粉， 水池中包含一個隱藏的逃生平臺。 實驗內(nèi)容包括定位航行和空間探索。 定位航行是隨機(jī)的將動物從水迷宮的四個象限中放入，使其在水中游泳并找到逃生平臺，用視頻跟蹤軟件記錄動物尋找到隱藏平臺的時間（逃避潛伏期）及路徑?？臻g探索是定位航行后撤去逃生平臺，觀察動物穿過原平臺位置 的次數(shù)和時間，考查動物對原平臺的記憶
２ 放射臂迷宮與放射臂水迷宮
1） 放射臂迷宮（radial arm mazeＲＡＭ）（八臂迷宮）
ＲＡＭ 是 由 Olton和 Samuelson 在 1976年 報 道，由一個中央樞紐和周圍的放射臂組成，標(biāo)準(zhǔn)臂 的數(shù)量有 ８ 個（八臂迷宮）。 為避免動物逃跑，迷宮一般在地面上方。 在實驗前訓(xùn)練動物并限制飲食，在迷 宮中央及周圍臂中放入食物使其自由攝取及探索周 圍環(huán)境。 實驗開始后在每個臂末端或隨機(jī)的 ４個臂 末端放入誘餌（食物），記錄動物進(jìn)入每個臂的次數(shù)、時 間及路線等參數(shù)。每個臂只進(jìn)入一次為優(yōu)異的表現(xiàn)， 進(jìn)入之前訪問過的臂則被認(rèn)為錯誤。
2）放射臂水迷宮 （ radial arm water maze， RAWM）
為了避免 ＲＡＭ 中食欲以及嗅覺信息的影響， 利用 ＲＡＭ 和 ＭＷＭ 相結(jié)合建立了 ＲＡＷＭ。實驗 在一個圓形水池中進(jìn)行，池中有一個開放的中心向 外輻射的八個臂或游泳路徑。 將其中一個臂作為 目標(biāo)臂，臂中有一個隱藏在水下的逃生平臺。 動物 被隨機(jī)放入其余的 ７個游泳臂中，允許至多120ｓ 來找到逃生平臺，若未能逃脫則將其引導(dǎo)到逃生平臺。實驗數(shù)據(jù)用跟蹤軟件記錄，包括找到逃生 平臺的時間、錯誤的次數(shù)及時間等。 ＲＡＷＭ可用于測試工作記憶和參考記憶。 它 結(jié)合了復(fù)雜的空間環(huán)境，避免了嗅覺信息的干擾，無需食物剝奪。但一些動物在水中沒有進(jìn)行有 效的搜索，且水中游泳存在壓力的影響
３.Ｔ迷宮及多重 Ｔ 迷宮
1）Ｔ迷宮（Ｔ?ｍａｚｅ）
Ｔ 迷宮是由一個長的主干臂以及兩個垂直的短臂組成的“Ｔ”型迷宮。 首先對動物進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練 １ ｄ，將其放入主干臂自由探索迷宮。 隨后 ３ ｄ 對動 物進(jìn)行訓(xùn)練，在其中一個短臂中放入誘餌（食物）作 為目標(biāo)臂，動物進(jìn)入目標(biāo)臂為正確反應(yīng)，反之為錯 誤反應(yīng)，并記錄其進(jìn)入目標(biāo)臂的時間（潛伏期）。 至 后第 ５ 天和第 １２ 天進(jìn)行探測實驗，將迷宮旋轉(zhuǎn) １８０°，其余條件保持不變。 動物只允許進(jìn)入一次誘 餌臂或非誘餌臂，進(jìn)入誘餌臂被認(rèn)為使用“地方”的 策略（有賴于迷宮外信號），進(jìn)入非誘餌臂被認(rèn)為使 用“反應(yīng)”策略（不依賴迷宮外信號）。 Ｔ 迷宮自發(fā)交替試驗 （ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ）用于評估空間工作記憶，實驗原理是嚙齒類動 物具有探索陌生刺激環(huán)境的傾向。 將動物放入 Ｔ 迷宮的主干臂，每次進(jìn)入不同的短臂為一次交替， 記為一次正確的選擇，進(jìn)入之前訪問的臂為一次錯 誤選擇。 試驗后計算交替次數(shù)的百分比，低于50％ 被認(rèn)為工作記憶受損
2）多重Ｔ迷宮（ｍｕｌｔｉｐｌｅ?Ｔ?ｍａｚｅ，ＭＴＭ）
ＭＴＭ是幾個Ｔ迷宮組合成的復(fù)合迷宮，比 Ｔ 迷 宮多了更多的選擇，其復(fù)雜性也增加。 在實驗的多 次探索中，動物要學(xué)會一個復(fù)雜穩(wěn)定的路線到達(dá)目 標(biāo)臂，該過程需要空間參考記憶的參與。 在實驗中 對動物進(jìn)行食物剝奪，并要求其在規(guī)定的時間內(nèi)找 到迷宮中隱藏的誘餌（食物）。 實驗數(shù)據(jù)用計算機(jī) 跟蹤系統(tǒng)記錄，包括正確或錯誤決定、路徑長度、到 達(dá)目標(biāo)箱的時間等，在不同時間進(jìn)行測試可以評估 短期與長期記憶［１９］ 。 ＭＴＭ 可用于測試工作記憶和參考記憶。 其運(yùn) 用了更為復(fù)雜的選擇系統(tǒng)，每次試驗都包含有多個 選擇點(diǎn)。 但對實驗動物進(jìn)行食物剝奪可能是一個 潛在的問題
４ 巴恩斯迷宮（Ｂａｒｎｅｓ ｍａｚｅ）
為了避免水迷宮中游泳壓力的影響，Barnes在 1979年建立了巴恩斯迷宮，是一個在地面上進(jìn) 行的迷宮實驗。 實驗原理是嚙齒類動物具有避光 喜暗、逃避噪音的習(xí)性。 實驗由一個圓形平臺構(gòu) 成，為防止動物逃脫，用支架將平臺支撐到一定高 度，在平臺周邊以一定間隔布滿穿透平臺的圓洞， 其中一個洞與其下方的暗箱連接（目標(biāo)箱）。 實驗 前將動物放入平臺中央使其自由探索 ５ ｍｉｎ，用強(qiáng)光 或噪聲刺激動物使其逃到圓洞下方的暗箱中，若沒 有找到目標(biāo)箱則將其引導(dǎo)進(jìn)入箱內(nèi)停留 １min。 實驗過程中用視頻跟蹤軟件進(jìn)行記錄，記錄動物 找到正確洞口的時間（至多５ｍｉｎ）、進(jìn)入錯誤洞口 的時間及次數(shù)等。 巴恩斯迷宮適用于偏好黑暗環(huán)境的嚙齒類動 物，可以評估短期和長期記憶。 實驗時沒有游泳壓 力的影響，也不需要食物剝奪，尤其適用于小鼠。 但在實驗中小鼠有時會缺乏探索迷宮的動力，如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)箱后沒有進(jìn)入、或在目標(biāo)箱周圍而沒有進(jìn) 入。 針對上述問題 Ｈａｒｒｉｓｏｎ 等提出采用計算原 始潛伏期、原始路徑及原始錯誤次數(shù)來解決。
5 新物體識別（ ｎｏｖｅｌ ｏｂｊｅｃｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ， ＮＯＲ）
實驗利用嚙齒類動物喜歡探索陌生事物的天性， Ｅｎｎａｃｅｕｒ 和 Ｄｅｌａｃｏｕｒ 于 1988年報道了新物體與新位置識別實驗，用于檢測嚙齒類動物的空間記憶能力。 將動物放置在一個裝置里使其探索兩個相同的物體，在規(guī)定的時間間隔之后再返回到裝置中，使其探索一個熟悉的物體和一個新的物體，記錄探索每一個物體的時間。 目前對 ＮＯＲ 實驗對象的探索評分有視覺觀察 和計算機(jī)２Ｄ 視頻分析。但前者依賴于實驗者的觀察能力，后者容易受實驗以外對象行為的影響。為了克服上述問題，Ｊｕｍｐｅｉ 等人建立了一種３Ｄ計算機(jī)視頻分析系統(tǒng)運(yùn)用于 ＮＯＲ 實驗的探索評分，該系統(tǒng)為 ＮＯＲ 實驗提供了一個可重復(fù)性和比較準(zhǔn)確的評估方法，并首先建立了實驗對象探索線路的３Ｄ 軌跡。 ＮＯＲ 實驗主要用于評估工作記憶、注意力以及焦慮等。其設(shè)備簡單，無需外部獎勵或懲罰作為動力，試驗時間短，也不需要進(jìn)行食物剝奪。但ＮＯＲ 實驗中每個動物的探索水平有時不一致.
6 條件性恐懼（fear condition，ＦＣ）實驗
ＦＣ是一種基于經(jīng)典的巴甫洛夫條件反射而建 立起來的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)方法，通過對實驗動物的訓(xùn)練條件刺激與非條件刺激聯(lián)系起來。其中情景恐 懼實驗用于評估嚙齒類動物的恐懼學(xué)習(xí)記憶。凍結(jié)行為是動物在恐懼條件下常見的反應(yīng)，是一種除了呼吸*不動的狀態(tài)，該行為也是衡量恐懼相關(guān) 的學(xué)習(xí)記憶的指標(biāo)。 在 ＦＣ實驗中，首先將動物放 入訓(xùn)練裝置中使其適應(yīng)環(huán)境；隨后進(jìn)行 ３ 次恐懼環(huán) 境訓(xùn)練，將動物暴露于一個和聽覺線索（條件刺激） 配對的足部電擊（非條件刺激）環(huán)境，使實驗動物在 聽覺線索與電擊之間、電擊與環(huán)境之間學(xué)會關(guān)聯(lián)記 憶；訓(xùn)練完成 ４８ 小時后將動物放入原訓(xùn)練室，動物 產(chǎn)生情景恐懼記憶，通過表現(xiàn)出凍結(jié)行為來應(yīng)對恐 懼環(huán)境。 記錄一定時間內(nèi)動物出現(xiàn)凍結(jié)行為的次 數(shù)，實驗數(shù)據(jù)用相關(guān)公式計算為凍結(jié)百分比。ＦＣ 實驗的設(shè)備要求簡單，動物訓(xùn)練時間少且不需要禁食。 但電擊刺激可能會對實驗動物產(chǎn)生一定傷害。
7主動逃避任務(wù)與被動逃避任務(wù)
抑制性回避任務(wù)屬于被動回避任務(wù)，利用嚙齒 類動物偏愛黑暗環(huán)境的天性而建立，常 用于嚙齒類 動物學(xué)習(xí)和記憶的研究。 在進(jìn)行實驗訓(xùn)練時將動 物放入一個回避裝置，該裝置由一個暗隔間和一個 亮隔間組成，中間有門連接。 打開兩個隔室之間的門，當(dāng)動物由亮隔間進(jìn)入暗隔間時，遭遇一次足部 電擊。 在訓(xùn)練后間隔２４或４８小時測量動物從亮隔間到之前受到電擊的暗隔間的時間（潛伏期），潛伏 期越長表示記憶越好。 抑制性回避任務(wù)只需要對動物進(jìn)行短期訓(xùn)練， 避免了記憶獲取與鞏固的重疊。 但厭惡刺激會對 動物產(chǎn)生一定傷害。類似的被動回避任務(wù)還有跳臺實驗、兩室實驗等。
隨著人口老齡化進(jìn)程的到來，年齡相關(guān)的認(rèn)知功能障礙已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。 為了更好的研究認(rèn)知功能相關(guān)的病機(jī)理，選擇合適的行為學(xué)實驗研究方法是有必要的。 動物模型的認(rèn)知功能評估可以為相關(guān)病的研究提供重要的依據(jù)。 但也有其局限性，人類的認(rèn)知功能是一個復(fù)雜的腦部神經(jīng)活動過程，動物的行為學(xué)測試內(nèi)容不*類似于人類的認(rèn)知，還有許多認(rèn)知功能是人類*的或不能在實驗?zāi)Ｐ椭谐浞直憩F(xiàn)出來的（例如語 言或數(shù)學(xué)）。 在實驗中，僅通過動物的表現(xiàn)無法準(zhǔn)確評估學(xué)習(xí)和記憶的相關(guān)信息，因為實驗對象可能受其他與認(rèn)知能力不相關(guān)的信息的干擾，比如感覺 運(yùn)動功能、焦慮及活動的應(yīng)激反應(yīng)等。 而每種行為 學(xué)實驗的側(cè)重點(diǎn)與使用條件不一樣，具體應(yīng)用時要 根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇。 必要時結(jié)合多種行為 學(xué)方法進(jìn)行綜合分析，并與組織病理學(xué)、影像學(xué)及神經(jīng)電生理技術(shù)等結(jié)合，為認(rèn)知功能障礙相關(guān)病的研究提供科學(xué)可靠的依據(jù)。
