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做水迷宫实验的正确姿势
2018-11-19 18:49   来源: 北京吉安得尔科技有限公司  点击次数: 关键词:
RichardG. Morris 于 1981 年和 1984 年连续发表的两篇文献使水迷宫实验名动天下,三十多年来已然成为学习记忆研究中不可或缺的评价实验。前文中小白鼠 BB-8 依次经历了实验的四个阶段,本文我们就认真介绍一下水迷宫实验的攻略。既然是攻略,那实验目的啊实验原理啊什么的就不提了,一句话,为了评价实验鼠的空间方位学习与记忆能力。先八卦一下,这个实验本来是为大鼠设计的,后来因为转基因技术的成熟,小鼠成为实验主角,但与大鼠相比,小鼠真心笨啊!






1. 装备篇
实验的装备说起来很简单,一个水盆,一套图像分析系统,That’s it!

1.1 水盆
虽然名字叫水迷宫,实际上就是一大盆水,与我们熟悉的绕来绕去的迷宫没毛线关系。Morris 在 1981 年用的盆直径 1.3 米,深 60 厘米;而到了 1984 年他老人家又改了主意,用了一个 2.1 米的大盆,可是深度只有 40 厘米。这个头开得不好,所以直到现在对于水盆的大小也没有个一定之规。目前通行的做法是做小鼠和大鼠用不同直径的水盆,小鼠最小有用到直径 0.8 米的,常见的是 1.2 米直径;大鼠最大的一般也不超过 2 米,常见的是 1.6 米直径。至于深度,一般都在 60 厘米。对于实验鼠来说,盆越小任务越简单,越大越难。

说是水盆,还是有点要求的。首先是颜色。因为实验鼠典型的分为黑色与白色,所以早期的水盆会分成白盆和黑盆(别想错了,当然是白盆做黑鼠,黑盆做白鼠,否则鬼知道老鼠游到哪去了),但那样太麻烦,所以目前一般都提供中性颜色(如蓝色,灰色)的水盆,以适应各种颜色的实验鼠。 

其次是给排水。别小看这一盆水,轻轻松松就是一吨,给排水绝对是要考虑的。给水还算方便,水龙头接根管子到盆里就好了。排水一般是在盆底开口接排水管到下水口。所以安装水迷宫的地点要求有上下水口,否则给排水的管路会非常非常长……。对水温控制的要求其实不是刚性的,因为很多时候实验所需水温(20-27℃)和室温是很接近的,把一盆水放过夜就行了。但鉴于我们的祖国幅员辽阔气候各异,所以一般都会要求附带水温控制设备。好在温控的要求并不高,否则就尴尬了。一般来说,偏低的水温一方面会引起实验鼠的厌恶情绪而加快游动以寻找站台,另一方面也会导致实验鼠因失温而降低游动速度。对于温度,小鼠比大鼠更为敏感,所以正如前文 BB-8 所经历的,把出水后的实验鼠放到暖垫上不失为一种有效的恢复体温的策略。 

第三是一个重要的配件,站台。这东西相当于迷宫的出口,整个实验就是考察实验鼠是否记得站台的位置。BB-8 的经历已经告诉我们,这东西有时候要高出水面,有时候要低于水面(通常 0.5-2 cm),还要能变换位置。不过别担心,目前所有市售产品都能轻松满足这个要求。站台的直径比较统一,10-12 cm,实验鼠能站上去就行。当然,从原理上来说,站台直径与水盆直径的比例影响到实验任务的难度,但通常大家更在意水盆的直径。 

既然是攻略,少不得要说说怎么挑,虽然真心没啥可说的。跟挑手机一样,挑个顺眼的就行了。只有一点,对金属盆的要慎重,要确定是不锈钢的,否则做一次实验放两天就生锈,整个人都会觉得不好了…… 

1.2 图像分析系统
讲真,这个是重点。虽然一般一个实验只有 6 分钟,但好多只老鼠加在一起,时间也蛮长的,如果都需要我们一只一只用眼看用手去掐秒表,很快人就颓了,而且也无法绘出实验鼠的轨迹,进而无法精细地评价它的寻找过程。所以一套好用的图像跟踪与分析系统必不可少。什么是好用的?套用邓爷爷的一句名言:不管白猫黑猫,能抓住老鼠就是好猫。一点没错,只要能「抓」住老鼠,就是好的系统,「抓」得越仔细,越好!这方面的评判其实也很容易,去看国际顶级神经科学相关期刊的文章,上面提到的系统都不会差。

那为什么会有可能「抓」得不好呢?首先是因为实际情况可能很复杂,最典型的干扰来自水波晃动导致的影像变化,很多低端产品会把晃动的光点误判为实验鼠而对真实的实验鼠「置之不理」。其次是图像识别的底层技术有差异,高端的产品会识别实验鼠的多(达 4)个部位,这样就不便能描绘实验鼠的运动轨迹,还能实时判断出实验鼠的头部朝向、是否在原地转圈寻找这样的精细指标,而低端产品甚至会只把实验鼠看成一个质点单纯地描绘其运动轨迹,这会导致实验结果过于粗糙从而淹没了客观差异。当然,和所有的好东西一样,一分价钱一分货,最明智的决策永远是根据自己的实际需求进行选择。

2. 步骤篇
一个完整的水迷宫实验包括 提示(Cue Trials), 习得(Responseacquisition trials), 检验与消退(Probe and extinction trials)这样三个阶段,「增强」版水迷宫实验会在消退后进行新(位置)的提示与习得实验。

2.1 提示(Cue Trials)
正如 BB-8 所经历的,小鼠在下水后沿着盆壁游动是很常见的现像,这时使站台高出水面是为了便于实验动物发现站台。这一步就是在告诉实验鼠:别瞎折腾了,上台才是硬道理。使站台高出水面是最常用的方式,也有实验者在盆壁放置醒目的标识来实现这种「告知」功能。这对于实验鼠区别不大,都属于近距标识。对于实验鼠来讲,这一步所需要的技能是最基础的定向游动能力,如果这个能力缺失,会被淘汰出实验。

2.2 习得(Responseacquisition trials)
这一步才是关键,要让实验鼠根据远距标识习得并记忆站台的方位,相当于要让实验鼠自己脑补出地图,无论在哪个位置被放下水,都能快速确认站台方位。很多时候在这一步就已经出现差异,习得的速度与质量已经是一个很好的指标。这一步耗时可能比较长,加上变换实验鼠入水位置,有可能需要反复持续几天。

2.3 检验与消退(Probe andextinction trials)
这一步算是「进阶」,当实验鼠习得站台方位后,撤去站台,检验实验鼠是否仍然记得站台的位置。这时实验鼠的「正确」态度是就算没有站台也在原来的站台位置上停留,即所谓的「空间偏好」。如果不进行新的实验,检验部分进行一个批次就可以了。如果反复进行这一步骤,实验鼠原来的记忆会消退,为下一步的实验做出准备。

2.4 新定位实验
这一步几乎就是重复提示与习得实验,最关键的不同在于变更了站台的位置,这就要求实验鼠根据原有的远距标识生成新的站台方位地图,是对认知可塑性的良好检验。话说这里就能看到大小鼠的差异,大鼠通常会很快通过新的搜索策略在新位置找到站台,而小鼠的表现就差多啦,受前摄记忆的影响非常明显。 

结语:到这里实验的部分就完成啦,其实真做起来还有很多需要注意的细节,而且后面还有比实验辛苦百倍的工作,分析与统计,这里面的道道,你懂的,绝对需要另外一篇长文章才能讲清楚,还是且听下回分解吧!

 

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