一种研究大鼠风险抉择的行为训练装置以及方法与流程

本发明涉及神经科学的行为电生理学研究领域，尤其涉及一种研究大鼠风险抉择的行为训练装置以及方法。

背景技术：

人们在日常生活中时常面临着各种决策，当面对的选项带有概率性的风险因素时，人们的心理抉择过程更加复杂。一些患有精神疾病的患者如药物滥用者、赌博成瘾者往往在风险抉择中做出不利于己身的选择。神经科学正致力于研究大脑如何控制个体的风险抉择行为，目前在以啮齿动物大鼠为对象的风险抉择研究中，由于缺乏对风险抉择行为的考究和对大鼠生活习性的观察，国际上一直没有一个完美的行为模型来规范地研究风险抉择。

目前国外研究者大多数采用杠杆按压式的风险抉择模型，这类模型工作原理是大鼠在用鼻子探过中间的孔洞后，按压左右两侧弹出的某一侧的杠杆来获取奖励，其中一侧杠杆代表安全的确定的小奖励，另一侧杠杆则代表风险的低概率的大奖励。这类模型的行为训练方法大致分为三步，第一步是让大鼠学会探中间的探鼻孔与返回头在奖励处饮水，第二步是让大鼠学会探鼻后再按压杠杆来获取奖励，第三步是让大鼠学会识别杠杆方位与奖励大小和概率的关联性并作出自主选择。该类模型所使用的行为训练方法没有充分考虑大鼠自身的习性特点以及训练装置的局限性，存在着训练方法复杂、周期长、效率低下、干扰因素多等缺点，动物在训练过程中难以稳定地、专心地自我沉浸式思考并作出自由选择，训练结果往往不能达到神经科学研究行为电生理所需的基本要求。在国内，对风险抉择行为训练模型及训练方法的设计仍然凤毛麟角，本项目研究团队之前设计了风险抉择四联体训练箱（专利号cn207284712u）及对应的行为训练方法（专利号cn106889022a），该装置的工作原理是让大鼠在回形跑道中奔跑，在每一条边奔跑时都需要在内外两个代表风险或安全的通道中做出判断并选择通过其一，然后才能在边的尽头获得与之前的选择相关联的奖励，其相应的行为训练方法分为七步，包括装置准备、动物准备、适应、偏好纠正、赋值、记忆巩固、自由选择，该方法经过长期动物训练试验发现仍然存在着不足之处：训练周期略长、训练方法略复杂、动物习惯化、训练效率低等等。为此，我们升级了训练装置，并针对该装置设计了相匹配的训练方法，经长期试验发现本发明所述的行为训练方法能够大大提升行为训练效率、缩短训练周期，基本解决了以上不足之处。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了改进现有风险抉择训练模型的缺陷，提供一种研究大鼠风险抉择的行为训练装置以及方法，使得大鼠的风险抉择行为训练更加高效、周期更短、更符合研究目的、外界干扰更小，使得训练完成的大鼠能够满足神经科学研究行为电生理所需的要求。

为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

本发明公开了一种研究大鼠风险抉择的行为训练装置，包括训练箱，所述训练箱呈中空顶部开口的方形结构，其内腔由前向后通过窄道挡板和矮门槛分隔为探鼻区、选择区和奖励区，所述探鼻区前壁上设有探鼻孔，所述两块所述窄道挡板的一端与所述训练箱的两侧内壁连接，另一端之间设有间隙；所述矮门槛呈板状结构，其两端分别与所述训练箱的两侧内壁相连，所述矮门槛与所述奖励区的中部之间设有用于将奖励区分隔为两个狭长通道的通道隔板，所述狭长通道的底部末端设有饮水点。

还包括检测及控制电路，所述检测及控制电路包括电源、红外检测、发光led、模拟电路板和数据采集卡，所述红外检测包括设置于所述探鼻孔两侧、矮门槛上方和饮水点上方的红外收发器，所述发光led包括设置于所述矮门槛前壁上的led灯，所述电源与所述模拟电路板相连，所述红外收发器和发光led与模拟电路板连接，模拟电路板与数据采集卡相互通信，数据采集卡连接至计算机。

所述饮水点呈圆形结构，其中部设有出水口，所述出水口通过软管与给水系统相连，所述给水系统包括储水瓶、二分管和电磁水阀，所述储水瓶底部与所述二分管的总管相连，所述二分管的两个支管通过软管分别与所述饮水点上的出水口相连，两个所述电磁水阀分别设置于两个支管上；所述电磁水阀与所述模拟电路板相连。

所述训练箱的上方设有摄像设备，所述摄像设备的视频录像信息经有线传输至所述计算机。

所述训练箱由硬质pvc塑料板制成。

本发明公开了一种研究大鼠风险抉择的行为训练方法，包括如下步骤，

步骤一，实验动物准备与训练装置预热；

步骤二，场景适应训练；

步骤三，选项混合训练；

步骤四，自由选择训练。

在步骤一中，所述实验动物准备包括实验员对大鼠handle处理、实验前控水但保留足够多干粮、每天称量体重、实验后五至十分钟自由饮水；所述训练装置预热包括实验前检查训练装置，测试运行程序。

所述步骤二是将大鼠从笼中取出，放入训练箱起始位置，由大鼠自由探索，并保持室内灯光微弱，当大鼠在训练箱的一侧探鼻孔完成探鼻动作，大鼠回头后选择跨过任意一侧的led灯亮的矮门槛并来到通道尽头的饮水点，获得100%概率的定量小奖励时，视为完成一次试验。

所述步骤三包含单safe信号适应和九循环，所述单safe信号适应是大鼠在探鼻区的探鼻孔处探鼻，启动一次试验，当选择跨过一个led灯亮的safe选项的矮门槛时，在饮水点给予定量小奖励，当选择跨过无led灯的error选项的矮门槛时,在饮水点无奖励，最终正确率在80%以上时视为训练完成；所述九循环是连续九次单safe信号试验和连续九次单risk信号试验循环交替，所述单次risk信号试验是大鼠在探鼻区的探鼻孔处探鼻，启动一次试验，当选择跨过外侧两个亮的led灯的risk选项的矮门槛时，在饮水点以33%伪随机概率给予定量大奖励，九循环期间当选择safe信号或risk信号的正确率稳定在80%以上时视为训练完成。

所述步骤四是当大鼠探鼻后启动一次试验，此时计算机设置两侧矮门槛随机一侧亮中间一个发光led灯，代表safe选项；而另一侧矮门槛亮外侧两个发光led灯，代表risk选项；大鼠根据自身状态及先前经验选择进入其中一个通道，若选择safe选项，则在奖励区100%获得定量小奖励，若选择risk选项，则有33%的概率在奖励区获得定量大奖励；当大鼠选择safe选项或risk选项的频率连续三天趋于稳定时，视为训练目的达成。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的训练装置大大提升了大鼠的风险抉择行为训练效率，使得总训练周期减少至10天，避免了技巧学习误差，减少了习惯化偏好，减少了外界因素的干扰，学会任务的大鼠的比率显著上升，并且能够自动化地实现多次连续训练、数据收集、视频监测功能；

2.本发明训练方法更加高效，使得总训练周期减少至16天；

3.本发明训练方法利用了大鼠爱奔跑及视觉观察的习性特点，使大鼠能深刻理解训练的目的，使得最终训练成功的大鼠比率几乎达到100%；

4.本发明训练方法结合自动化的训练装置，减少了外界因素的干扰，降低了系统误差、人为误差；

5.本发明训练方法结合自动化的训练装置实现了自动数据收集，减少了人力劳动。

附图说明

图1为本发明的训练方法流程示意图；

图2为本发明的训练装置示意图。

图中，1-探鼻孔；2-窄道挡板；3-门槛；4-通道隔板；5-饮水点；6-红外收发器；7-led灯；8-电磁水阀；9-电磁水阀；10-二分管；11-储水瓶；12-检测及控制电路；13-摄像镜头；14-计算机；100-训练箱；110-探鼻区；120-选择区；130-奖励区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

参见图1-2。

实施例：如图2所示，本实施例公开了一种研究大鼠风险抉择的行为训练装置，训练箱100由一个30*30*140cm的无盖长方体箱体组成，箱体材质是硬质pvc塑料板，内部由窄道挡板2、两个通道矮门槛3将箱体按长边方向大致划分为3个区域：探鼻区110、选择区120和奖励区130，探鼻区110的前壁上挖出了一个直径2.5cm半圆形的探鼻孔1，大鼠正好能够将鼻子伸入孔内，探鼻孔1中部安装了一对红外收发器，窄道挡板2由10*30cm和20*30cm板材和箱体内壁，在长边墙壁左右对称各分布一个，使得探鼻区110前往选择区120的通道变窄至10cm；选择区120内部保持视野开阔，通过两个对接的高为8cm的矮门槛3与奖励区130分隔，每个矮门槛3中部水平等距地装置了三个发光led灯7，每个矮门槛的上方1cm处放置了一对红外收发器；奖励区130由中部一块40*30*30cm通道隔板4将该区域分成两个对称的狭长通道，通道隔板4夹在两个矮门槛3中部，每个通道的尽头设置了一个直径3cm的饮水点5，其中部的出水孔与给水系统相连。每个通道的饮水点5的前上方各安装了一对红外收发器。

所述检测及控制电路12是由红外检测电路、发光led控制电路、电磁水阀控制电路、数据采集卡组成，5对红外收发器各放置在探鼻孔1中部、矮门槛3上方、饮水点5上方，每个矮门槛3各安装3个发光led，总线连接到模拟电路的电路板上，并与数据采集卡相连，数据采集卡连接到计算机。

所述给水系统由储水瓶11及二分管10、电磁水阀8，9组成，总管被二分管分成两股分别连接到两个电磁水阀8，9，再分别连接到箱体饮水点5的出水孔处，电磁水阀8,9控制线连接到模拟电路板。

所述摄像设备14放置在箱体正上方2m处，能完全看到箱体内部空间及led亮灭情况，通过有线连接到计算机14，能实时录制720p视频及音频，且具有红外夜视功能。

实施例：如图1所示，本实施例公开了一种大鼠风险抉择的行为训练方法，其主要包含训练大鼠风险抉择行为的一系列流程，大致分为四个步骤：

步骤一：实验动物准备与训练装置预热。

实验动物准备：实验前一周对大鼠进行handle处理，如图1-1所示。实验员佩戴手套、穿实验服，将大鼠从笼中取出，置于手心或手臂上，顺毛发抚摸大鼠头部、颈部、背部，安抚亲近大鼠，使大鼠处于实验员手中时不再出现紧张感、逃避感，不再出现惊吓性尿便失禁，handle过程中注意不可以拖拽大鼠尾巴及四肢，不可以倒置大鼠身体，不可以伤害、惊吓大鼠。通过此handle过程使实验动物熟悉实验员，以排除动物紧张、恐惧等情绪对实验产生的影响。实验前三天根据实验要求对实验动物进行控水，实施方式是撤掉笼架上的饮水瓶，但保留足够多的干粮，每天需要称量大鼠的体重，保证控水后每天的体重不低于控水前的85%，在不损伤实验动物正常生理机能的情况下使动物产生任务动机。每次训练结束四小时后给予五至十分钟自由饮水时间，自由饮水结束后继续控水。

训练装置预热：每天实验前需要测试运行程序，仔细检查训练装置能否正常运行。如图2所示，训练装置包括训练箱100、检测及控制电路12、声音反馈系统、饮水点及给水系统、监控和记录系统13；（1）训练箱100内腔通过窄道挡板2和矮门槛3分隔为探鼻区110、选择区120和两个奖励区130；（2）所述训练箱100各区装载检测及控制电路，通过红外检测、发光led确定实验动物位置，触发事件并指示选项结果。分别位于探鼻区110探鼻孔1两侧，设置红外检测6，以实验动物探鼻、红外检测感应作为实验开始的标志；选择区矮门槛3上方，设置led灯7，建立实验动物对指示信号与相应选择结果的联系，指示信号以亮灯数目为别区分安全与风险选项；以及奖励区饮水点5上方；（3）训练箱100设置声音反馈系统，根据实验动物选择情况作出声音反馈，比如以向上的较高频音调为正确选择反馈，向下的较低频音调为错误选择反馈；（4）奖励区130设饮水点5及饮水系统，饮水点5出水分为两种情况，一种为安全选项的100%概率定量小奖励，一种为风险选项的低于100%概率定量大奖励。奖励量与风险选项概率均可依据实验需求设计。（5）训练箱上方设置摄像设备13，与检测及控制电路12所传数据一起保存与所连接计算机14中，计算机收集实验数据。

步骤二：场景适应训练

如图1-2所示，场景适应训练需要训练三天。实验员先清理训练箱体，启动计算机程序，将大鼠从笼中取出，放入训练箱100起始位置，由动物自由探索并在探鼻区110触发任务。场景适应训练过程中需要保持室内灯光微弱，拉上窗帘。大鼠完成场景适应训练试验的表现：大鼠在箱体的一侧探鼻孔1完成探鼻动作，此时两侧矮门槛3各亮中间一个发光led灯7，大鼠回头后选择跨过任意一个矮门槛3并来到通道尽头的饮水点5，获得100%概率的定量小奖励。每只大鼠每天进行至少20次试验。

步骤三：选项混合训练

选项混合训练包括单safe信号适应、safe信号和risk信号九次试验循环训练（以下简称九循环）两个阶段，前者训练三天，后者训练七天。

如图1-3所示，单safe信号适应：大鼠在探鼻区110探鼻孔1处探鼻，启动一次试验，此时两侧矮门槛3随机一个门槛上亮中间一个发光led灯7代表该矮门槛3后通道为safe选项，而另一侧矮门槛3无led发光代表门槛后通道为error选项，当大鼠跨过safe选项矮门槛3并进入奖励区130时，响起正确选择提示音，大鼠可在该处饮水点获得定量小奖励。若大鼠选择error选项，则响起错误选择提示音，无奖励发放。大鼠操作过程中身体会阻断训练箱体安装的红外收发器，计算机会自动记录相应选择情况，包括safe信号分配，选择的选项，操作时间，停留时间，离开时间以及奖励发放大小。大鼠做出选择后所有信号消失，到达奖励区确认了奖励后则该次试验结束，计算机程序自动设置训练进入下一次试验准备阶段，需大鼠返回探鼻区110，在探鼻孔1处再次探鼻以触发下一试验。任务中safe选项分配在哪一侧矮门槛3完全随机，不受前后任务影响。每日试验需累计达到七十二次以上，选择safe信号的正确率稳定在80%以上时可视为训练完成。试验中大鼠出现方位偏好需要作出纠正，纠正程序可由计算机自动设置。

方位偏好的判定是当大鼠连续十次以上选择进入同一方向的奖励区130时，视为出现方位偏好。修正方法是调整程序参数，强制使单safe信号一直出现在大鼠偏好方向的相反方向。修正次数视实验动物情况而定。当转入单safe信号随机分配模式而大鼠不再固着于选择单一方向时，视为修正完成。

如图1-4和1-5所示，九循环：训练由连续九次单safe信号试验和连续九次单risk信号试验循环交替组成。单risk信号试验类似于单safe信号适应，不同之处在于当大鼠探鼻后，随机一个矮门槛上亮外侧两个发光led代表该门槛后通道为risk选项，且另一侧矮门槛无led信号代表error选项，当大鼠跨过risk选项矮门槛并进入奖励区时，响起另一种正确选择提示音，大鼠有33%的概率可在该处饮水点获得定量大奖励，奖励值为小奖励的三倍，同时也有67%的概率得不到奖励。当大鼠选择error选项时，响起错误选项提示音，且无奖励发放。单risk信号训练提示音遵循向上的较高频和向下的较低频规律，但不同于单safe信号训练提示音。九循环训练期间单risk信号试验的概率为伪随机概率，即每三次连续risk试验中必然有一次能得到定量大奖励。九循环训练期间的训练数据记录、前后任务交替、位置偏好修正、训练强度均与单safe信号适应期间相同。且连续九次的单safe信号试验后会紧接着连续九次单risk信号试验，每日试验需累计达到七十二次以上，选择safe信号或risk信号的正确率稳定在80%以上时可视为训练完成。

步骤四：自由选择训练

如图1-6所示，自由选择训练旨在大鼠学会判断safe选项和risk选项后，能根据自身状态及先前经验做出符合自身需求的选择。自由选择训练至少三天。当大鼠探鼻后启动一次试验，此时两侧矮门槛随机一侧的门槛亮中间一个发光led，代表safe选项，而另一侧门槛亮外侧两个发光led，代表risk选项。大鼠回头后可以根据信号灯数量判断哪个通道是safe通道哪个通道是risk通道，然后根据自身状态及先前经验选择进入其中一个通道，若选择safe选项，则在奖励区100%获得定量小奖励，若选择risk选项，则有33%的概率在奖励区获得定量大奖励，其概率同样遵循伪随机。计算机会自动记录相应选择情况，包括safe信号分配，选择的选项，操作时间，停留时间，离开时间以及奖励发放大小。当大鼠选择safe选项或risk选项的频率连续三天趋于稳定时，视为训练目的达成。

工作过程：在训练过程中，大鼠需要将鼻子伸入探鼻孔1中，这时探鼻孔1两侧的红外收发器6被打断，计算机14控制两个矮门槛3随机一侧门槛的外侧两个led灯7发光，另一侧门槛的中部一个led灯7发光，大鼠探鼻完返回头后需要根据门槛上的led灯7数量判断哪个门槛后的通道是风险通道，哪个通道是安全通道，当大鼠通过选择区120选择跨过其中一个门槛时，门槛上方的红外收发器6被打断，计算机14控制所有led灯7熄灭，并记录大鼠的抉择信息。大鼠跨过矮门槛3后进入奖励区130通道，当来到饮水点5时，会打断饮水点5前上方的红外收发器6，计算机14控制相应饮水点5的电磁水阀8，9释放出相应的水量，给予大鼠水分作为奖励。大鼠饮用完奖励后需返回头跨过矮门槛3、经过选择区120、来到探鼻区110，再如之前一样重复循环进行训练。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。