动物行为实验指南丨啮齿动物挖掘任务（The dig task）测试方法

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挖掘任务（The dig task）是一项气味辨别任务，旨在成为评估创伤性脑损伤（TBI）和中风后认知功能障碍的快速有效工具。挖掘任务基于学习和决策（认知）的基本操作性原则，采用二选一的决策范式，要求实验对象在不同气味的沙子中挖掘以获取强化物。在操作性任务中，用于研究决策行为的行为选择范式在一定程度上被视为黄金标准。啮齿动物的嗅觉系统比视觉系统更为发达。因此，大多数学习范式都依赖于啮齿动物的嗅觉。挖掘任务对于确定非空间认知任务在多大程度上能够转化为对人类创伤性脑损伤的研究至关重要，尤其是与评估空间学习能力的任务（如Morris水迷宫）相比时。挖掘任务已被用于比较额叶认知缺陷和单侧顶叶缺陷。

该任务在一个一端有两个气味杯的实验箱中进行。让实验对象辨别两种有气味的沙子，其中一种沙子中含有强化物。当实验对象在正确的有气味沙子中挖掘、在错误的有气味沙子中挖掘或者30秒时间过去后，试验结束。辨别正确的实验对象可以食用强化物并休息，而辨别错误的实验对象会立即被从实验箱中移出。使用不同气味的沙子进行一定数量的试验。

装置与设备：

挖掘任务实验箱有两种尺寸，具体取决于研究使用的是大鼠还是小鼠。用于小鼠的实验箱尺寸为12×8×7英寸，起始区域尺寸为5×8英寸，测试区域尺寸为7×8英寸。用于大鼠的实验箱尺寸为15×10×9英寸，起始区域尺寸为6×10英寸，测试区域尺寸为9×10英寸。

测试区域有两个陶瓷杯，直径为2.5英寸，高1.5英寸。陶瓷杯中装满有气味的沙子，这些沙子是由110克无味的干净操场沙箱沙子与1克气味剂（包括可可、罗勒、孜然或咖啡）混合而成。水果圈麦片碎片被用作强化物。

Fig1 PVC管端盖（高6厘米，直径5.5厘米）作为气味杯，并使用一块带有两个圆孔（直径5.5厘米）的有机玻璃板（10 × 22 厘米）作为气味杯的固定装置

实验步骤：

训练前的动物处理

实验对象应单独饲养，保持12小时光照和12小时黑暗的循环，并且在训练前3至5天进行接触，使其熟悉与人类的接触。应在训练前至少三天开始对实验对象进行食物限制，以激励它们完成任务。每天应给实验对象15至20克食物，保证自由饮水，并通过每天监测体重，将其体重维持在自由进食体重的80%至90%。在开始训练前，清洁整个装置，以消除任何不必要的刺激对实验对象表现的影响。测试应在隔音且光线充足的测试区域进行。

挖掘训练：

每个实验对象将在4天内进行8次训练试验以完成挖掘训练，然后再进行辨别测试。

第1次训练：将气味杯完全装满强化物（不装沙子）。将实验对象放入起始区域，让其自由食用强化物30分钟。

第2次训练：将气味杯完全装满强化物，并在每个杯中倒入少量无味沙子，不超过杯子的一半。将实验对象放入起始区域，让其自由食用强化物30分钟。

第3次训练：在气味杯中装入强化物和无味沙子的均匀混合物，露出多个强化物。将实验对象放入起始区域，让其自由食用强化物30分钟。

第4次训练：在气味杯中装入强化物与无味沙子比例为1:3的混合物，露出1至2个强化物。将实验对象放入起始区域，让其自由食用强化物30分钟。如果10分钟后实验对象仍未开始挖掘强化物，研究人员应每次露出一个强化物来帮助它，直到实验对象学会为止。

第5次训练：在气味杯中装入强化物与无味沙子比例为1:3的混合物，不露出强化物。将实验对象放入起始区域，让其自由食用强化物30分钟。必要时研究人员应给予帮助。

第6次训练：在每个气味杯的无味沙子中，分别在深、中、浅的位置放置三个强化物。将实验对象放入起始区域，让其从每个杯中取出三个强化物，必要时给予帮助。将实验对象转移到暂养装置中15至30秒。按照本次训练的描述重置气味杯，并重复该过程，共进行4次试验。

第7次训练：在每个杯中无味沙子的一半深度处放置一个强化物。将实验对象放入起始区域，让其取出两个强化物。取出实验对象并将其放入暂养装置中30秒。按照本次训练的描述重置气味杯，并重复该过程，共进行4次试验。

第8次训练：按照第7次训练的描述填充杯子。将实验对象放入实验箱起始区域，给其30秒时间取出两个强化物。当两个强化物都被取出或30秒过去后，取出实验对象并将其放入暂养装置中。按照本次训练的描述重置气味杯，并按照测试阶段将使用的试验次数重复该过程。

可能需要额外的训练课程来让实验对象熟悉给定的气味。

辨别测试：

选择一对气味，并确定将放置强化物的气味（正确辨别）。在其中一个杯子中，将一个强化物放置在有气味沙子的一半深度处。将实验对象放入起始区域，使其面向后方，且与每个杯子的距离相等。如果动物辨别正确，让其取出并食用强化物，然后将其移至暂养装置中30秒。如果实验对象选择错误或在30秒内未选择任何一种气味，则立即将其取出并放入暂养装置中30秒。

使用随机试验结构重复此过程，改变气味杯的位置，同一侧连续试验不超过三次，以减少偏差。一旦实验对象达到预先确定的标准，例如连续三天每天准确率超过80%，就将其进入下一个辨别/反转阶段，并按上述过程重复进行。

数据分析：

• 选择正确/错误

• 开始挖掘的潜伏期

• 实验对象超时的试验次数

主要分析是使用每种气味的累积正确比例来计算每种气味配对的准确率，即通过将正确辨别的次数相加，再除以每次辨别试验的总次数。

例：

Fig2 假手术组（蓝色）与前额叶损伤组（红色）大鼠在多个测试阶段中的典型表现

在损伤前的辨别学习阶段，两组大鼠表现无差异。然而，在损伤后继续进行相同的辨别任务时，假手术组大鼠的累计正确率达到了93%，而损伤组大鼠的累计正确率仅为65%。当任务改为辨别反转（即原先的正确气味变为错误，反之亦然）时，损伤组大鼠的表现下降至低于随机水平。

同样地，在新的气味辨别任务中，前额叶损伤的大鼠也表现出学习困难，始终未能掌握新的气味配对关系，其表现也维持在低于随机水平的状态。

总结：

与许多其他操作性范式相比，挖掘任务可以相当快速地进行。该测试的这一特性可用于将其纳入任何现有的用于创伤性脑损伤、中风或其他脑损伤的测试组合中。对于那些无法使用大量操作性实验箱来研究此类决策过程的研究人员来说，它提供了一种选择。

挖掘任务在评估先前学习、反转和新的学习获取方面很有用，最重要的是，在评估非海马体区域的缺陷，尤其是脑损伤后的额叶功能方面非常有效。

挖掘任务可以测量受伤动物与完整动物之间的大规模差异，并且可能有助于评估创伤性脑损伤后认知功能的治疗方法。

挖掘任务无法评估由于额叶脑损伤而可能干扰动物决策能力的缺陷，例如冲动性。创伤性脑损伤后急性期或恢复期间的细胞变化可能会影响任务的结果。

文献引用：

• Daren H.Kaisera and Larry Means (2006). Value transfer across odor stimuli using probability of reinforcement in the rat. Behavioural Processes, 73(2), 164-169. DOI: 10.1016/j.beproc.2006.05.003

• Kris M. Martens, Cole Vonder Haar, Blake A. Hutsell, and Michael R. Hoane (2012). A Discrimination Task Used as a Novel Method of Testing Decision-Making Behavior following Traumatic Brain Injury. Journal of Neurotrauma, 29(15), 2505–2512. DOI: 10.1089/neu.2012.2388

• Kris M. Martens, Cole Vonder Haar, Blake A. Hutsell, and Michael R. Hoane (2013). The Dig Task: A Simple Scent Discrimination Reveals Deficits Following Frontal Brain Damage. J. Vis. Exp. 71, e50033. DOI: 10.3791/50033