脑声问答（96）期丨大小鼠操作性行为训练范式

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操作性行为训练步骤

操作性条件反射（operant conditioning），也称工具性条件反射，是由美国科学家斯金纳（Burrhus Frederic Skinner）建立的理论。与巴甫洛夫（的经典性条件反射（classical conditioning）中动物被动接受行为强化不同的是，操作性条件反射所建立的行为强化与动物的自愿行为相关，是有高级神经系统参与的行为过程。操作性条件反射被广泛用于奖励相关的行为研究当中，以拟合自然情况下动物对奖励的寻求过程。例如在某些药物成瘾的研究中，动物自我给药的实现有赖于操作性条件反射，以模拟人类在自然状态下对成瘾药物的自我寻求和摄入。

目标动物在自制行为学箱体内接受训练，箱体内部空间尺寸约为20cm*20cm*20cm（长*宽*高），小鼠可在箱体内自由活动。整个行为学箱体由亚克力板和铝制管材组成，可自由组装拆卸。箱体内装有两个对称圆片电容式压力传感器，感应区与箱体外部的线路板连接以调控其它组件，每个感应区对应同侧的伸缩杆装置。

当小鼠触碰一侧感应区时，试验（trial）开始，与之对应的一侧伸缩杆会在随机2~2.6s时间延迟后开始进入箱体内部，伸缩杆前方连接有出水管，若小鼠在之后的4s内舔舐出水管，则会获得5μl水作为奖励，伸缩杆在出水后于箱体内停留1s收回箱外，同时试验结束；若小鼠未在之后的4s内舔舐出水管，则伸缩杆会在4s时间结束后立马收回箱外，同时试验结束。当伸缩杆完全收回箱外时，小鼠可随时开始下一次试验。当小鼠能熟练掌握实验规则并能顺利喝到水，则视为达到训练目标。

操作性行为训练过程整个操作性行为训练过程为15天，每天训练30min。每只动物单独接受训练，训练时间在每天的固定时段（14：00-17：00）进行。动物训练期间保持安静、弱光环境。每次训练之前动物处于禁水状态，禁水时间为16小时。在完成每天的训练后，动物可自由饮水一定时间。首次禁水之前对动物进行称重，禁水后每只动物体重需保持在禁水之前的85%左右，以使得每只动物在训练时维持必要且大致相同的饮水动力。在每只动物开始训练之前，使用酒精对箱体内部进行擦拭清洁，等到气味完全消散之后再进行动物训练实验，并对训练全程进行录像。训练过程分为三个阶段：free licking state（训练3天），unilateral operant state（训练8天），bilateral operant state（训练4天）。三个阶段均使用尺寸相同但装置不同的行为学箱，饮水程序也有所区分。Free licking state（自由饮水阶段）：在此阶段，双侧出水管均位于箱体内部，动物可自由舔舐某一侧出水管，并获得5μl水，任何一侧出水管在出水后2s内将不会再次出水（即不应期为2s）。此训练阶段目的是让动物适应箱体内部环境并认识到在箱体内部可以通过出水管获得水奖励。Unilateral operant state（单侧操作性行为训练阶段）：在此阶段，行为学箱体一侧偏下方装有一个圆片电容式压力传感器并与箱体外部的线路板连接，当动物触碰到感应区时线路电压发生变化。线路板控制单侧伸缩杆以及出水装置，其中出水管连接在伸缩杆前方，位于箱体外部。当动物触碰感应区时，对应单侧伸缩杆会在一定时间（前4天：1s，第5-6天：1.5s，第7-8天：随机2-2.6s）延迟（delay）后开始进入箱体内部，若动物在随后的4s内舔舐出水管，则会获得5μl水作为奖励。伸缩杆在出水后于箱体内停留1s收回箱外，并记作一次成功的试验；若动物未在随后的4s内舔舐出水管，则伸缩杆在4s时间结束后立马收回箱外，并记作一次miss试验。

需要指出的是，当动物短时间内连续多次触碰感应区时，仅以第一次触碰时间为准；伸缩杆从启动到完全伸入箱体内或完全收回箱体外皆需耗费1s时间；伸缩杆完全收回箱外时，小鼠无法舔舐到出水管。此阶段目的是让动物学习并掌握单侧操作性行为实验的规则。Bilateral operant state（双侧操作性行为训练阶段）：在此阶段，行为学箱体一侧偏下方装有两个圆片电容式压力传感器并与箱体外部的线路板连接，线路板控制双侧伸缩杆以及出水装置。此阶段与unilateral operant state第7-8天的实验规则类似（delay时间均为2~2.6s），除了由单侧操作性行为程序装置改为双侧操作性行为程序装置之外，其余规则保持不变。此阶段的目的是让动物学习并掌握双侧操作性行为实验的规则，并将左右两侧位置与对应装置进行关联和区分。

动物操作性行为训练

（A）动物操作性行为示意图，动物触碰任意一侧圆形电容感应区（橙色区域）后，出水管伸入箱体内部，动物方可通过出水管获得水奖励。（B）训练流程示意图，训练过程分为三个阶段共15天持续进行，结束后动物达成设定训练目标。（C）free licking state训练规则以及装置示意图，右侧为对应的行为学箱装置，每一阶段使用的行为学箱装置各不相同。（D）unilateral operant state训练规则以及装置示意图，右侧为对应的行为学箱装置。（E）bilateral operant state训练规则以及装置示意图，右侧为对应的行为学箱装置。

参考文献：

• Peter H. Kelly, Paul W. Seviour and Susan D. Iversen (1975) “Amphetamine and apomorphine responses in the rat following 6-OHDA lesions of the nucleus accumbens septi and corpus striatum” [Brain Res. 94 (3) 507–522][J]. Susan D. Iversen.Brain Research,2016

• Ventral tegmental area dopamine revisited: effects of acute and repeated stress.[J]. Holly Elizabeth N;;Miczek Klaus A.Psychopharmacology,2016

• 张涛. 伏隔核核区神经元在糖水偏好操作性反射行为不同阶段中的活动特征研究[D].华中科技大学,2022.

• Past, present and future of spike sorting techniques[J]. Hernan Gonzalo Rey;;Carlos Pedreira;;Rodrigo Quian Quiroga.Brain Research Bulletin,2015

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