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解密操作性行为系统——斯金纳箱：原来你的小鼠可以这么聪明？

来源：瑞沃德生命科学
解密操作性行为系统——斯金纳箱：原来你的小鼠可以这么聪明？
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Lafayette斯金纳箱
今天和大家聊聊斯金纳箱的任务模式及优势 。 斯金纳箱一般包含触屏 ， 压杆 ， 鼻触 ， 提示灯 ， 奖赏等配件 。 那如何让实验动物在斯金纳箱内获得美味的食物 ， 完成学习呢？解密走起！
一 ， 解密斯金纳箱任务模式
斯金纳箱的任务模式大部分建立在动物对奖赏渴望的心理因素上 。 进行任务前一周左右 ， 先将动物进行饥饿处理 ， 使动物体重控制在原有的85%-90%之间 ， 以保证动物有动机去主动学习 ， 完成任务 。 任务模式分为不同阶段 ， 可由浅入深 ， 逐步让动物学习 。
第一阶段：让动物学会如何获得奖赏 。 在动机的驱使下 ， 动物会本能的不停探索箱子内部 。 程序可以设置为感应到动物嘴巴靠近奖赏口时 ， 机器自动给予一定时间或者体积的奖励 。
解密操作性行为系统——斯金纳箱：原来你的小鼠可以这么聪明？
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一般三天之内 ， 动物就可以熟练获得奖励（以规定时间内动物达成一定奖赏次数为标准） 。
下一阶段：增加更多操作性行为 ， 例如压杆 ， 触屏等 ， 使相应行为与奖赏联系起来 。 例如实验可以设计为屏幕随机出现一个图形 。 基于动物探索的本能 ， 当重复之前的行为得不到奖赏后 ， 动物会进一步探索 ， 相较之前的箱体环境 ， 图形属于新鲜元素 ， 当动物触摸图形 ， 以奖赏作为反馈激励动物学习 。
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图片源自http://www.tjmu.edu.cn/info/1049/4344.htm
【解密操作性行为系统——斯金纳箱：原来你的小鼠可以这么聪明？】实验任务一般会在规定时间内 ， 设置一定的trail次数 ， 每次trail之间会设置随机时间间隔（ITI ， inter-trialinterval） ， 减少动物随机行为对数据的干扰 。 依据不同实验需求 ， 可改变奖赏概率 ， 任务难度等 。 像OperantProgressive-RatioTest是逐步将需要付出的行为依比率增加 ， 例如鼻触次数 ， 压杆次数等 。 为激励动物做出行为 ， 可将奖赏也按照相应比率增加 。
同时 ， 实验任务中可以引入“delay” ， 以检测动物的记忆保持能力 。 5选择序列反应时任务范式中（5-CSRT ， 5-ChoiceSerialReactionTime）动物通过对5孔观察 ， 在规定时间对点亮的孔做出正确的笔触响应 ， 便可得到食物或者饮水奖励 。 因此 ， 可以设置不同的测试次数 ， 奖赏时间 ， 提示时间 ， delay时间等 ， 应用于不同的研究方向 。
二 ， 解析斯金纳箱优势
01 ， 相较于常见的行为学系统 ， 斯金纳箱实验数据的评估方式更加丰富 ， 训练方式种类多 ， 更有利于研究多个脑区之间的投射关系 。 除了依据实验范式得到行为的判断指标之外 ， 通过全程的软件数据记录 ， 可以分析动物任务表现中的注意力 ， 动机等多种指标 。
02 ， 斯金纳箱满足多样化实验场景 。 Lafayette斯金纳箱采用图形编程软件 ， 可绘制逻辑关系图 ， 易学易懂 ， 可根据实验设计高效编程 ， 常用实验范例可以直接购买使用 ， 可记录实验事件数据 ， RawData可多次回溯分析 ， 便于追踪处理数据 。 模块化搭配可根据实验需求选择需要的配置 ， 不同实验动物模型可以定制适合的箱体 。
03 ， 依据软件化操作和智能控制 ， 斯金纳箱任务范式时间敏感性高 ， 扩展功能丰富 ， 可以结合光遗传 ， 光纤记录 ， 电生理等实验技术 。
以光遗传为例 ， 光遗传学是一项整合了光学、遗传学、电生理等多学科的生物工程技术 ， 其主要原理是采用基因操作技术将光感基因(如ChR2 ， NaHR3.0 ， Arch或OptoXR等)转入到特定类型的细胞中 ， 进行特殊离子通道或GPCR表达 。 光感离子通道在不同波长的光刺激下 ， 会对离子的通过产生选择性 ， 从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化 ， 达到对细胞选择性兴奋或者抑制的目的 。
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光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点 ， 克服了传统手段（激动剂 ， 抑制剂 ， 电刺激等）许多缺点 ， 能对神经元进行非侵入式精准定位调控 。 通过斯金纳箱系统与光遗传设备结合 ， 可以控制设备在动物触发某项行为时 ， 精准给予光刺激（ms级别的反馈速度） ， 有效利用光遗传的高时空分辨率的特点 ， 保证实验可控 ， 精确 。 可以说 ， 光遗传是斯金纳箱的最佳拍档之一！了解更多光遗传学 ， 请点击这里
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参考文献：
DaSongetal.ThelateralizationoflefthippocampalCA3duringtheretrievalofspatialworkingmemory.NatureComminucations(2020)
XinyanLietal.Serotoninreceptor2c-expressingcellsintheventralCA1controlattentionviainnervationoftheEdinger–Westphalnucleus.Natureneuroscience(2018)
Bergstrometal.DorsolateralStriatumEngagementInterfereswithEarlyDiscriminationLearning.CellReports(2018)
HouzeZhuetal.ImpairmentsofspatialmemoryinAlzheimer’sdiseasemodelviadegenerationofhippocampalcholinergicsynapses.NatureComminucations(2017)
Al-OnaiziMAetal.RegulationofCognitiveProcessingbyHippocampalCholinergicTone.CerebCortex(2016)


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