動物行為實驗指南｜小鼠操作性行為訓練范式方法總結

操作性行為訓練步驟

操作性條件反射（operant conditioning），也稱工具性條件反射，是由美國科學家斯金納（Burrhus Frederic Skinner）建立的理論。與巴甫洛夫（的經典性條件反射（classical conditioning）中動物被動接受行為強化不同的是，操作性條件反射所建立的行為強化與動物的自愿行為相關，是有高級神經系統參與的行為過程。操作性條件反射被廣泛用于獎勵相關的行為研究當中，以擬合自然情況下動物對獎勵的尋求過程。例如在某些藥物成癮的研究中，動物自我給藥的實現有賴于操作性條件反射，以模擬人類在自然狀態下對成癮藥物的自我尋求和攝入。

目標動物在自制行為學箱體內接受訓練，箱體內部空間尺寸約為20cm*20cm*20cm（長*寬*高），小鼠可在箱體內自由活動。整個行為學箱體由亞克力板和鋁制管材組成，可自由組裝拆卸。箱體內裝有兩個對稱圓片電容式壓力傳感器，感應區與箱體外部的線路板連接以調控其它組件，每個感應區對應同側的伸縮桿裝置。

當小鼠觸碰一側感應區時，試驗（trial）開始，與之對應的一側伸縮桿會在隨機2~2.6s時間延遲后開始進入箱體內部，伸縮桿前方連接有出水管，若小鼠在之后的4s內舔舐出水管，則會獲得5μl水作為獎勵，伸縮桿在出水后于箱體內停留1s收回箱外，同時試驗結束；若小鼠未在之后的4s內舔舐出水管，則伸縮桿會在4s時間結束后立馬收回箱外，同時試驗結束。當伸縮桿完全收回箱外時，小鼠可隨時開始下一次試驗。當小鼠能熟練掌握實驗規則并能順利喝到水，則視為達到訓練目標。

腦聲常談建立了多個《動物模型構建與行為評估》交流群，群內分享各種經典和前沿的行為范式，共同交流解決動物實驗中遇到的棘手問題，避坑少走彎路！有需要的老師可以掃碼添加微信進入討論群！

操作性行為訓練過程整個操作性行為訓練過程為15天，每天訓練30min。每只動物單獨接受訓練，訓練時間在每天的固定時段（14：00-17：00）進行。動物訓練期間保持安靜、弱光環境。每次訓練之前動物處于禁水狀態，禁水時間為16小時。在完成每天的訓練后，動物可自由飲水一定時間。首次禁水之前對動物進行稱重，禁水后每只動物體重需保持在禁水之前的85%左右，以使得每只動物在訓練時維持必要且大致相同的飲水動力。在每只動物開始訓練之前，使用酒精對箱體內部進行擦拭清潔，等到氣味完全消散之后再進行動物訓練實驗，并對訓練全程進行錄像。訓練過程分為三個階段：free licking state（訓練3天），unilateral operant state（訓練8天），bilateral operant state（訓練4天）。三個階段均使用尺寸相同但裝置不同的行為學箱，飲水程序也有所區分。Free licking state（自由飲水階段）：在此階段，雙側出水管均位于箱體內部，動物可自由舔舐某一側出水管，并獲得5μl水，任何一側出水管在出水后2s內將不會再次出水（即不應期為2s）。此訓練階段目的是讓動物適應箱體內部環境并認識到在箱體內部可以通過出水管獲得水獎勵。Unilateral operant state（單側操作性行為訓練階段）：在此階段，行為學箱體一側偏下方裝有一個圓片電容式壓力傳感器并與箱體外部的線路板連接，當動物觸碰到感應區時線路電壓發生變化。線路板控制單側伸縮桿以及出水裝置，其中出水管連接在伸縮桿前方，位于箱體外部。當動物觸碰感應區時，對應單側伸縮桿會在一定時間（前4天：1s，第5-6天：1.5s，第7-8天：隨機2-2.6s）延遲（delay）后開始進入箱體內部，若動物在隨后的4s內舔舐出水管，則會獲得5μl水作為獎勵。伸縮桿在出水后于箱體內停留1s收回箱外，并記作一次成功的試驗；若動物未在隨后的4s內舔舐出水管，則伸縮桿在4s時間結束后立馬收回箱外，并記作一次miss試驗。

需要指出的是，當動物短時間內連續多次觸碰感應區時，僅以第一次觸碰時間為準；伸縮桿從啟動到完全伸入箱體內或完全收回箱體外皆需耗費1s時間；伸縮桿完全收回箱外時，小鼠無法舔舐到出水管。此階段目的是讓動物學習并掌握單側操作性行為實驗的規則。Bilateral operant state（雙側操作性行為訓練階段）：在此階段，行為學箱體一側偏下方裝有兩個圓片電容式壓力傳感器并與箱體外部的線路板連接，線路板控制雙側伸縮桿以及出水裝置。此階段與unilateral operant state第7-8天的實驗規則類似（delay時間均為2~2.6s），除了由單側操作性行為程序裝置改為雙側操作性行為程序裝置之外，其余規則保持不變。此階段的目的是讓動物學習并掌握雙側操作性行為實驗的規則，并將左右兩側位置與對應裝置進行關聯和區分。

動物操作性行為訓練

（A）動物操作性行為示意圖，動物觸碰任意一側圓形電容感應區（橙色區域）后，出水管伸入箱體內部，動物方可通過出水管獲得水獎勵。（B）訓練流程示意圖，訓練過程分為三個階段共15天持續進行，結束后動物達成設定訓練目標。（C）free licking state訓練規則以及裝置示意圖，右側為對應的行為學箱裝置，每一階段使用的行為學箱裝置各不相同。（D）unilateral operant state訓練規則以及裝置示意圖，右側為對應的行為學箱裝置。（E）bilateral operant state訓練規則以及裝置示意圖，右側為對應的行為學箱裝置。

參考文獻：

• 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

• 張濤. 伏隔核核區神經元在糖水偏好操作性反射行為不同階段中的活動特征研究[D].華中科技大學,2022.

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

腦聲小店基于深度科研洞察，專注為動物實驗提供"簡器械·精實驗"解決方案。我們突破高精設備局限，開發手工定制化儀器及配件，通過科研巧思將基礎工具轉化為創新實驗方案。產品涵蓋行為學裝置、操作輔助工具等，使實驗室在保持操作簡效的同時，實現精細化數據采集，助力科研人員以創造性思維發掘簡易儀器的潛在科研價值。