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解密:操作性行为系统——斯金纳箱

2020.08.29

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Lafayette斯金纳箱

今天和大家聊聊斯金纳箱的任务模式及优势。斯金纳箱一般包含触屏,压杆,鼻触,提示灯,奖赏等配件。那如何让实验动物在斯金纳箱内获得美味的食物,完成学习呢?解密走起!

解密斯金纳箱任务模式





斯金纳箱的任务模式大部分建立在动物对奖赏渴望的心理因素上。进行任务前一周左右,先将动物进行饥饿处理,使动物体重控制在原有的85%-90%之间,以保证动物有动机去主动学习,完成任务。任务模式分为不同阶段,可由浅入深,逐步让动物学习。

第一阶段:让动物学会如何获得奖赏。在动机的驱使下,动物会本能的不停探索箱子内部。程序可以设置为感应到动物嘴巴靠近奖赏口时,机器自动给予一定时间或者体积的奖励。
一般三天之内,动物就可以熟练获得奖励(以规定时间内动物达成一定奖赏次数为标准)。

下一阶段:增加更多操作性行为,例如压杆,触屏等,使相应行为与奖赏联系起来。例如实验可以设计为屏幕随机出现一个图形。基于动物探索的本能,当重复之前的行为得不到奖赏后,动物会进一步探索,相较之前的箱体环境,图形属于新鲜元素,当动物触摸图形,以奖赏作为反馈激励动物学习。


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片源自

http://www.tjmu.edu.cn/info/1049/4344.htm


实验任务一般会在规定时间内,设置一定的trail次数,每次trail之间会设置随机时间间隔(ITI,inter-trial interval),减少动物随机行为对数据的干扰。依据不同实验需求,可改变奖赏概率,任务难度等。像Operant Progressive-Ratio Test是逐步将需要付出的行为依比率增加,例如鼻触次数,压杆次数等。为激励动物做出行为,可将奖赏也按照相应比率增加。


同时,实验任务中可以引入“delay”,以检测动物的记忆保持能力。5选择序列反应时任务范式中(5-CSRT ,5-Choice Serial Reaction Time)动物通过对5孔观察,在规定时间对点亮的孔做出正确的笔触响应,便可得到食物或者饮水奖励。因此,可以设置不同的测试次数,奖赏时间,提示时间,delay时间等,应用于不同的研究方向。

(视频来源参考文献)

解析斯金纳箱优势






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相较于常见的行为学系统,斯金纳箱实验数据的评估方式更加丰富,训练方式种类多,更有利于研究多个脑区之间的投射关系。除了依据实验范式得到行为的判断指标之外,通过全程的软件数据记录,可以分析动物任务表现中的注意力,动机等多种指标。

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02



斯金纳箱满足多样化实验场景。Lafayette斯金纳箱采用图形编程软件,可绘制逻辑关系图,易学易懂,可根据实验设计高效编程,常用实验范例可以直接购买使用,可记录实验事件数据,Raw Data可多次回溯分析,便于追踪处理数据。模块化搭配可根据实验需求选择需要的配置,不同实验动物模型可以定制适合的箱体。

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依据软件化操作和智能控制,斯金纳箱任务范式时间敏感性高,扩展功能丰富可以结合光遗传,光纤记录,电生理等实验技术


以光遗传为例,光遗传学是一项整合了光学、遗传学、电生理等多学科的生物工程技术,其主要原理是采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到特定类型的细胞中,进行特殊离子通道或GPCR表达。光感离子通道在不同波长的光刺激下,会对离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性兴奋或者抑制的目的。


光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点,克服了传统手段(激动剂,抑制剂,电刺激等)许多缺点,能对神经元进行非侵入式精准定位调控。通过斯金纳箱系统与光遗传设备结合,可以控制设备在动物触发某项行为时,精准给予光刺激(ms级别的反馈速度),有效利用光遗传的高时空分辨率的特点,保证实验可控,精确。可以说,光遗传是斯金纳箱的最佳拍档之一!了解更多光遗传学,请点击这里

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下一篇,我们将进行斯金纳箱应用光遗传的文献解读分享。了解更多产品详情,可咨询400 886 1127。

参考文献:

Da Song et al. The lateralization of left hippocampal CA3 during the retrieval of spatial working memory. Nature Comminucations(2020)

Xinyan Li et al. Serotonin receptor 2c-expressing cells in the ventral CA1 control attention via innervation of the Edinger–Westphal nucleus. Nature neuroscience(2018)

Bergstrom et al. Dorsolateral Striatum Engagement Interferes with Early Discrimination Learning. Cell Reports (2018)

Houze Zhu et al. Impairments of spatial memory in Alzheimer’s disease model via degeneration of hippocampal cholinergic synapses. Nature Comminucations(2017)

Al-Onaizi MA et al. Regulation of Cognitive Processing by Hippocampal Cholinergic Tone. Cereb Cortex( 2016)


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