一种用于感觉运动整合与认知控制实验的大鼠全自动条件化方案

以下实验的总体目标是建立一种用于啮齿类动物操作性条件反射的自动化行为学框架，以检测复杂的认知任务。该行为学任务采用五孔鼻触式设计，通常用于五选择序列反应时间任务研究。受试动物需在短暂的延迟期后，将鼻部保持在固定孔内，直至“开始”信号出现。

在注视阶段期间，通过听觉指令队列引导受试者选择未来的运动目标以获得奖励。使用听觉队列可实现不同任务阶段之间明确的转换，并允许研究行为的多个方面，以及工作记忆、决策和运动规划的神经机制。与现有方法（如迷宫导航实验）相比，该技术的主要优势在于，在任务的关键时期，可能因受试者运动轨迹的系统性变化而产生混淆的明显运动行为被最小化。

尽管该方法可用于研究运动控制，但也能够用于探究其他高级认知过程，例如感知、注意力以及记忆形成。本实验操作将由我实验室的本科生 Dylan Miller 进行演示。以下研究在操作条件箱中进行，箱体一侧设有五孔鼻触墙，相对一侧设有食物递送槽。

中央的鼻触孔被视为固定孔，位于固定孔两侧、每侧各两个的其余四个孔则被视为运动目标孔。每个孔均配备了一个三色LED和一套红外光束发射-检测系统，用于检测动物进入和退出固定孔的动作。一个可编程音调发生器以毫秒级精度产生单一频率音调，并连接至安装在操作箱内部的扬声器。

声音发生器和鼻触孔通过行为追踪系统进行控制。在适应期使用专用软件，每天对动物进行操作，使其逐渐熟悉操作条件反射箱和食斗，并在三天内逐步限制其食物摄入量，使其体重达到原始体重的85%至90%。第一步是让受试动物熟悉鼻触孔、食物递送口，以及闪烁孔与奖励之间的关联。

为此，需在两种目标中随机选择其一，并播放“go”提示音（一种白色听觉噪声），同时目标孔内的LED灯闪烁。将软件设置为当受试者访问目标孔时给予奖励。若在30秒内未发生访问，则将该次试验设为超时，并启动下一次试验以辅助目标选择。

通过终止试验并伴随五秒的黑屏来惩罚对错误孔洞的探查。接着，选择一个新的孔洞并开始下一次试验，直至达到预期的表现水平。训练受试者将头部探入固定孔洞内。

开始试验时，注视孔内会闪烁一个黄色LED。当受试者进入注视孔后，立即播放“开始”提示音并启动新试验。一旦受试者学会进入注视孔，即训练其将鼻部保持在孔内一段设定的时间。

为此，需等待受试者访问注视孔并结束试验。如果受试者在500毫秒内回撤，则通过七秒的黑屏期惩罚过早回撤行为。否则，播放“开始”提示音，并通过递送食物颗粒奖励正确访问。

下一步是引入听觉指令序列，即一个单频听觉音调，以脉冲形式呈现，每次三个脉冲，脉冲持续时间为150毫秒，脉冲间间隔为100毫秒。此外，将延迟期的长度增加至平均1.5秒。在每次试验中，从1.3至1.8秒之间的均匀分布中随机选择一个延迟期长度。

在受试者进入注视孔后立即播放指令提示音。为每个目标分配两个指令提示音。但在本阶段，每个目标仅使用其中一个关联的提示音，直到受试者对该任务更加熟悉为止。

让受试者利用听觉和视觉线索选择目标孔，直至达到期望的性能水平。为了训练受试者仅使用听觉线索，关闭目标孔内的闪烁LED灯，使受试者只能依赖听觉指令线索。当达到期望的性能水平后，将另外两种线索引入随机呈现的指令线索序列中，并重复训练步骤。

确保在每个阶段结束时，受试者在至少连续三个训练阶段中的行为表现均保持在75%以上，方可进入下一阶段。一旦达到最终阶段，需让受试者继续执行该方案一周，以确保其表现维持在理想水平。成功率为正确访问目标次数占总试验次数的百分比。

应在训练的每个阶段测量成功率。不同类型的错误包括：过早回撤，即由于受试者过早从注视孔撤回而导致试验超时的比例（任务错误）；受试者访问未构建的目标时导致试验失败的比例，以及任务错误；受试者在试验开始后未访问任何目标的比例。

每次试验中，测量反应时间，即从“开始”提示出现到受试者从注视孔移开之间的时间间隔。同时测量到达目标的时间，即从受试者离开注视孔到进入目标孔之间的持续时间。此示例展示了单个受试者在14次记录会话中的成功率。

错误类型主要为过早撤回，而出现委托错误和遗漏错误的频率较低。该直方图显示了不同试验中反应时间的分布情况。此处展示了不同试验中到达目标时间的分布。

当受试者掌握任务后，将其植入一个32通道的微电极阵列。在前肢区域，显示的样本轨迹与22个同时记录的神经元的点阵图对齐。行为事件的标记叠加在轨迹上方。

在尝试该操作过程中，重要的是每次训练前需检查Perus，并在之后监测受试者的表现。行为评分的显著下降可能是设备故障所致。该技术应能为认知神经科学领域的研究人员探索目标导向行为的自上而下调控机制提供途径。