一种用于检测啮齿类动物多认知功能及记录神经元活动的全自动化且高度多功能的系统

本实验的总体目标是训练大鼠执行一系列任务，从而研究多种脑功能。首先使大鼠适应行为实验箱，然后训练大鼠按压杠杆以获取食物颗粒作为奖励。

接下来，训练大鼠通过将头部伸入鼻触孔来揭示隐藏的杠杆。最后一步是训练大鼠识别感觉线索，然后按压由该线索指示的正确杠杆。最终，大鼠学会完成旨在获取奖励的整套任务序列。

我们开发了一套完全自动化的系统，用于右侧行为测试和神经元活动记录。利用该系统，可研究多种脑功能。该系统的独特之处在于一个定制的声学透明腔室，非常适合听觉任务训练。

该系统的另一个特点是可轻松添加不同的操作装置，使其具有很强的灵活性，能够实施多种听觉、视觉和视听行为任务。该系统由三个主要部分组成：双层隔音室、多通道电生理记录系统和完全自动化的行为测试系统。一个定制设计的歌剧院腔室位于隔音室内。

该实验舱由三个声学透明的侧壁和一个可调节的操作面板组成，用于监测和记录行为。一台摄像机安装在实验舱上方。一个接口盒在实验舱与计算机之间双向传输信号。

听觉提示由经过校准的可编程音频发生器生成，并通过位于视觉提示操作面板上的三个扬声器传递；刺激光源和两个三重刺激显示装置分别位于中侧面板上。中间面板底部安装有一个带三种颜色LED灯的鼻触装置。鼻触单元内部装有红外探测器，用于记录鼻触动作及持续停留。

在操作箱的两侧各安装有一对可移动和可伸缩的第二阶段反应杠杆。食物奖赏由两个颗粒分配器提供，颗粒被投放至颗粒接收器中。在箱体底部设有四对红外光束，用于检测动物的位置，并根据动物的位置控制相关设备。

最后，将头戴式记录装置的电缆连接至换向器，以记录神经元活动。实验方案通过 Med PC IV 软件平台中创建的程序实现完全自动化。行为学数据被保存并转换为 Microsoft Excel 文件，随后导入 MATLAB 进行分析。

训练前，限制动物的食物摄入，直至其体重降至基础值的90%。为准备适应性环境，将杠杆收回，用橡胶塞堵住鼻触孔，并在每个食丸 receptacle 中放入约20粒食丸。随后将未经训练的动物放入实验箱中进行适应。

大鼠很快会开始探索食杯并食用食丸。当两个食杯均为空时，使用软件向每个托盘中分配一颗食丸。通过此操作，大鼠将学会将食物与食杯关联起来。

通过将食丸随机分配到每个食杯中，迫使大鼠移动至箱体的两侧。通常一个阶段就足以建立食杯关联。在新的阶段中，将两个杠杆均伸出至箱内，并保持食杯为空。随后将一只已适应的大鼠放入箱内。

当动物进入杠杆附近时，给予一粒食丸。当大鼠对杠杆表现出兴趣时，例如嗅闻、触碰或攀爬，也应给予奖励。意外按压杠杆也应触发一次奖励。

为了促进动物按压杠杆并促使其探索两个杠杆，允许动物连续按压每个杠杆有限的次数，当达到该次数限制时，收回杠杆。随后伸出两个杠杆以重复此操作。逐渐减少按压次数限制，直至每次按压杠杆时杠杆即刻收回。

通常进行一到两次训练即可建立杠杆与食物奖励的关联。在新的训练阶段开始前，收回杠杆。

移除鼻触孔上的橡胶塞，并在鼻触装置中放入数个食物颗粒。将动物重新放入实验箱内，并随机推出两个杠杆中的一个。

当大鼠嗅探食丸孔以获取食丸时，看到伸出的杠杆后，大鼠会靠近并推动杠杆以获得食丸。杠杆被按下且奖励释放后，收回杠杆以促使大鼠探索鼻触装置。大鼠通常需要一次30分钟的训练即可学会该任务序列：鼻触、探孔、推杆、获得奖励。

在另一个新的实验阶段中，将动物放入实验舱以开始 Q 训练。当动物完成一次鼻触事件后，播放一个独特的听觉提示。伸出左右两侧杠杆。

每次呈现听觉提示后，仅当大鼠按压由该听觉提示所指示的杠杆时才给予奖励，动物将逐渐学会将特定的听觉提示与对应的杠杆关联起来。此时，动物应能够完成预定的完整训练序列：鼻触、提示、按压杠杆、给予奖励或不给予奖励。

让大鼠练习新学习的任务，直至达到稳定的表现水平。每次训练时长限制为30分钟。该系统可用于执行双选择音高辨别任务，以检测大鼠的频率辨别阈值。

在训练大鼠根据听觉提示快速按压正确杠杆后，可获得听觉学习曲线。每条彩色线条代表单个动物的辨别频率变化，黑线代表平均学习曲线。

平均而言，大约需要七次训练即可达到 75% 的命中率标准。该任务中的动物行为还可通过多个指标进行定量表征，包括对听觉提示起始的反应时间、试次间间隔以及行为表现的时间动态特征。此外，该系统还可用于研究多种认知脑功能。

上方的图注按单次试验的顺序描述每个操作步骤。下方的图注指明了可结合电生理学进行研究的认知行为功能。也可通过记录这些认知行为功能的神经基础进行研究。

该图显示了在大鼠执行二选一音高辨别任务时，记录到的位于大鼠核团 ssus 区域的一个神经元。尽管本图展示的是腹侧被盖区记录到的神经元，但在尝试该实验操作时，需特别注意大鼠个体之间在行为特征和认知能力方面的差异，训练程序和参数应根据个体情况进行调整，以获得最佳训练效果。虽然我们开发该系统主要用于听觉系统的研究，但其他研究人员也可轻松将其改造用于视觉系统，以及动机、注意力、决策和奖赏等多种认知脑功能的研究。