动物学习记忆试验常用方法分析

审评四部八室 王庆利

    随着老龄社会的到来，有关老年病治疗药物的开发成为一个热点，其中老年性痴呆治疗或改善学习记忆的药物就是其中一个例子，该方面的新药申报品种日渐增多。从国内外的研究现状看尚无真正能治疗“痴呆”的药物，目前已上市的或开发过程中的药物主要是改变痴呆的学习记忆功能，其临床定位也主要为改善痴呆患者的学习记忆功能。
    在非临床有效性研究过程中，主要采用行为学试验研究药物对动物学习记忆功能的影响。人和动物的内部心理过程是无法直接观察到的，只能根据可观察到的刺激反应来推测脑内发生的过程，对脑内记忆过程的研究只能从人类或动物学习或执行某项任务后间隔一定时间，测量他们的操作成绩或反应时间来衡量这些过程的编码形式、贮存量、保持时间和它们所依赖的条件等等。学习、记忆实验方法的基础是条件反射，各种各样的方法均由此衍化出来。目前已经建立了大量的学习记忆研究的行为学方法，各有优缺点。现将常用的动物学习、记忆实验方法简述如下。
    一、抑制性（被动）回避
    在记忆研究中，一个最重要的动物模型就是抑制模仿活动或学习习惯。被动回避实验通过动物学会去掉某种特定的行为而逃避某种讨厌的事情。
    1. 跳台实验
    原理：在一个开阔的空间，动物大部分时间都在边缘与角落里活动。在方形空间中心设置一个高的平台，底部铺以铜栅，铜栅通电。当把动物放在平台上时，它几乎立即跳下平台，并向四周进行探索。如果动物跳下平台时受到电击，其正常反应是跳回平台以躲避伤害性刺激。多数动物可能再次或多次跳至铜栅上，受到电击后又迅速跳回平台。
    观察指标：首次跳下平台的潜伏期、一定时间内受电击的次数（错误次数），24小时后受电击的动物数、第一次跳下平台的潜伏期和一定时间内的错误总数。
    优缺点：简便易行，根据试验设备的不同，一次可同时试验多只动物，可实现组间平行操作。既可观察药物对记忆过程的影响，也可观察对学习的影响。有较高的敏感性，尤适合于药物初筛。缺点是动物的回避性反应差异较大，因此需要检测大量的动物。如需减少差异或少用动物，可对动物进行预选或按学习成绩好坏分档次进行试验。
    2. 避暗实验
    原理：利用小鼠或大鼠具有趋暗避明的习性设计的装置，一半是暗室，一半是明室，中间有一小洞相连。暗室底部铺有通电的铜栅。动物进入暗室即受到电击。
    观察指标：首次受电击的潜伏期、24小时后进入暗室的动物数、潜伏期、一定时间内受电击的次数。
    优缺点：简便易行。根据需要设计反应箱的多少，同时训练多个动物，可实现组间平行操作。以潜伏期作为指标，动物间的差异小于跳台法。对记忆过程特别是对记忆再现有较高的敏感性。缺点是动物的回避性反应差异较大，因此需要检测大量的动物。如需减少差异或少用动物，可对动物进行预选或按学习成绩好坏分档次进行试验。
    3. 两室实验
    原理：啮齿类动物在一个开阔的领域，喜欢进入墙壁内的任一凹陷处并藏在那里。将它们放在一个大盒子里，盒子通过一个小口与一个小暗室相连，动物可以迅速发现暗室的入口并进入到暗室中，然后它大部分时间都呆在暗室中。记录动物呆在明室和暗室中的时间，第一次进入到暗室所需的时间（潜伏期），并将动物从一个室进入到另一个室的次数作为一个辅助指标。
    观察指标：动物在大室与小室内的时间。
    优缺点：简便易行，适用于初筛药物。缺点是动物的回避性反应差异较大，因此需要检测大量的动物。
    4. 向上回避实验
    原理：许多种类动物都具有向上性，即将动物放在倾斜的表面时，动物有向高处定向移动的趋势。当把大鼠或小鼠一头朝下放在斜板上，它们一定会转过头，迅速地向上爬。
    观察指标：潜伏期。
    优缺点：向上回避实验为现有的抑制性（被动）回避方法提供了一个有用的补充形式。它最大的优点是可以用于药物或手术导致的感觉—运动协调能力减弱的动物，而其他的抑制性（被动）回避方法对这些动物可能都不适合。
    二、主动回避实验
    主动回避学习是一种基本的行为现象。正如在其他行为学仪器条件下动物通过对厌恶刺激前的条件刺激作出适当的反应，从而学会控制非条件刺激的应用。回避学习的第一步通常是逃避，由此成为终止非条件刺激的一个反应。研究者认为主动回避实验主要反应了动物的非陈述记忆的能力。
    1.跑道回避
    原理：在简单的回避环境条件中，加以有特征的使动物逃避危害的难度。直接的回避环境为一个固定的动物可以穿过的斜坡。动物在规定的时间内到达安全区以后，就可以避免受到电刺激。
    观察指标：动物在第一天训练和第二天测试的两天中到达安全区域所需要的时间，及错误次数（未能到达安全区）。
    优缺点：简单易行，但动物的反应差异性较大，只能用于初筛实验。
    2. 穿梭箱回避实验（双路穿梭箱）
    原理：与跑道回避相比，穿梭箱回避（双路穿梭箱）更加困难。由于在实验期间实验者不必触摸动物，因此穿梭箱更容易自动控制。
    观察指标：动物在第一天训练和第二天测试的两天中到达安全区域所需要的时间，及错误次数（未能到达安全区）。
    优缺点：优点是在实验期间实验者不必触摸动物，因此穿梭箱更容易自动控制，从动物的反应次数也能了解动物处于兴奋或抑制状态。缺点是由于缺乏永久的安全区、缺乏单一的仪器反应，具有变化性的逃避程度及过多的情绪因素。
    3.爬杆法
    该装置由一竖着的木杆和电栅底板组成。电击为非条件刺激，某种信号为条件刺激，动物在电栅底受到电击一定时间内爬杆为逃避反应，给以条件刺激未受到电击前即行爬杆为主动回避反应，此法适用于大鼠或小鼠。
    三、辨识学习
    在以上所述的实验方法中，动物对于刺激条件无法选择，它们只能有一种条件刺激。以下介绍的方法描述了用于辨识不同刺激形式的特殊技术。这些实验既可以称为同时辨识模式，也可以称作连续辨识模式。
    1. T型迷宫实验
    原理：最简单的辨识学习是动物对两个对称刺激的区别，刺激强度不同可以引起对称刺激结果的不同。T型迷宫实验的方式很多。
    观察指标：动物完成实验所需的时间、每次探索和前一次不同臂的比例。
    优缺点：优点是T型迷宫未提供奖惩条件，完全是利用动物探索的天性，因此能最大可能的减少影响实验结果的混杂因素。缺点是啮齿动物有天生的偏侧优势，即动物在T型迷宫中更偏向于一边走（左边或右边），而且这种现象存在种系差异以及性别差异。
    由于动物每次转换探索方向时都需要记住前一次探索过的方向，因此T型迷宫实验能很好的测验动物的工作记忆，从而测定动物的空间记忆能力。和T型迷宫类似的还有Y型迷宫，其实验的设计原理和实验方案和Y型迷宫都十分相似，只是把迷宫的形状由T型换成Y型。
    2. Barnes迷宫实验
    原理：动物利用提供的视觉参考物，有效确定躲避场所的臂所在的部。Barnes迷宫由一个圆形平台构成，在平台的周边，布满了很多穿透平台的小洞。平台的直径、厚度以及洞口宽度根据实验动物不同而不同。洞口数目由实验者习惯而定，一般为10到30个。在其中一个洞的底部放置有一个盒子，作为实验动物的躲避场所；其它洞的底部是空的，试验动物无法进入其中。实验场所和其它迷宫实验场所类似，要求能给实验动物提供视觉参考物。实验方案根据实验者的习惯以及不同的实验要求而定，每次训练后都用70%的酒精进行清洗，并变换正确的洞口，但洞口的空间位置不变，以防止动物通过嗅觉而找到洞口。Barnes迷宫一般采用强光、噪声以及风吹等刺激作为实验动物进入躲避洞口的动机。
    观察指标：测定动物对于目标的空间记忆能力。实验时把实验动物放置在高台的中央，记录实验动物找到正确洞口的时间，以及进入错误洞口的次数以反应动物的空间参考记忆能力。也可以通过记录动物重复进入错误的洞口数来测量动物的工作记忆。
    优点：不需要食物剥夺和足底电击，因此对动物的应激较小。实验对于动物的体力要求很小，能最低限度的减少因年龄因素所致的体力下降对实验结果的影响。实验所需时间较少，整个实验能在7~17 天内完成。能防止动物凭借气味来完成实验。
    3. 放射状迷宫实验
    原理：大鼠利用房间内远侧线索所提供的信息，可以有效地确定放置食物的臂所在部位。放射状臂形迷宫可以用于大鼠空间参照记忆和工作记忆的研究。参照记忆过程中，信息在许多期间/天内都是有用的，并且通常在整个实验期间都是需要的。而工作记忆过程与参照记忆过程不同，它只有一个主要但暂时的信息，由于迷宫内所提供的信息（臂内诱饵）仅对一个实验期间有用，而对后续实验无用，大鼠必须记住在延迟间隔期内（分钟到小时）内的信息。在臂形迷宫中作出正确选择以食物作为奖赏。
    优缺点：适合于测量动物的工作记忆和空间参考记忆，并且其重复测量的稳定性较好。但有些药物（苯丙胺），可以影响下丘脑功能或造成食欲缺乏，影响迷宫中所采用的食欲动机，因此动物就不能很好的完成迷宫实验。
    4. Morris水迷宫实验
    原理：一种小鼠、大鼠能够学会在水箱内游泳并找到藏在水下逃避平台的实验方法。由于没有任何可接近的线索以标志平台的位置，所以动物的有效定位能力需应用水箱外的结构作为线索。迷宫由圆形水池、自动摄像及分析系统两部分组成，图像自动采集和处理系统主要由摄像机、计算机、图像监视器组成，动物入水后启动监测装置，记录动物运动轨迹，试验完毕自动分析报告相关参数。    
    检测指标：实验程序包括：（1）定位航行实验（place navigation），用于测量小鼠对水迷宫学习和记忆的获取能力。实验历时4天，上、下午各训练1次，共计8次。实验观察和记录小鼠寻找并爬上平台的路线图及所需时间，即记录其潜伏期和游泳速度。（2）空间搜索实验（spatial probe test），用于测量学会寻找平台后，对平台空间位置记忆的保持能力。定位航行实验结束后，撤去平台，从同一个入水点放入水中，测其第一次到达原平台位置的时间、穿越原平台的次数。
    优缺点：Morris水迷宫是目前世界公认的较为客观的学习记忆功能评价方法。利用Morris水迷宫检测空间记忆学习能力。水迷宫与放射臂状迷宫相比较的主要优越性在于①在水迷宫中，动物训练所需的时间较短（1周），而臂形迷宫则需要几周的训练时间；②迷宫内的线索，例如气味可以被消除掉；③大的剂量-效应研究可以在一周内进行；④可以利用计算机建立图像自动采集和分析系统，这就能根据所采集的数据，制成相应的直方图和运行轨迹图，便于研究者对实验结果作进一步分析和讨论，用来研究有关大鼠运动或动机问题；⑤动物在实验中可以不禁食。从理论上讲，水迷宫实验是一个厌恶驱动的实验而臂形迷宫实验是食欲驱动的实验。
    四、结语
    目前对于学习记忆的研究进展十分迅速，各种学习记忆的理论不断涌现。按照这些理论而设计的动物模型也不断出现。而各种先进实验技术如神经电生理技术的LTP、ERP和脑成像技术的fMRI都被应用于学习记忆的研究中，给学习记忆的研究开辟了一条新的途径。因此，如何把传统的行为学研究方法和最新的研究技术相结合，为学习记忆的研究提供更广阔的思路是今后进行学习记忆的行为学研究的发展方向。