动物行为学的研究方法

动物行为学的研究方法

第一节概述

行为是基因与环境相互作用的结果。基因的变化（如转基因，基因敲除或下调等）最终表现为与基因相关的行为变化；环境的变化（如声、光、电的刺激和药物的处理）不仅其本身可直接影响动物的行为，而且可通过对相关基因的影响而改变动物的行为。学习和记忆更是这种相关基因与环境相互作用的行为表现的一种形式。学习是一个获得外界环境信息（对动物而言）或有关世界知识（对人类而言）的过程；记忆则是对这种信息或知识进行加工（encoding）、储存（storage）和再现（retrieval）的过程。人类的记忆复杂，包括对事件与物体的明晰记忆（explicit memory）或描述性记忆（declarative memory）和与学习无关（如适应性和敏感性）或有关（如操作技术和习惯养成）的模糊记忆（implicit memory）或非描述性记忆（nondeclarative memory）。而动物记忆相对较为简单，包括短期记忆（shortterm memory）和长期记忆(long-term memory)；前者一般持续几分钟到几小时，后者则持续24小时到数天.数周甚至更长时间。与此相对应得是工作记忆(working memory)和参考记忆(reference memory)。工作记忆是将获得的信息进行加工并储存较短的时间，因而代表短期记忆；参考记忆是指对在整个实验过程中（测试的任何一天）均有用的信息进行加工储存的过程，因而代表长期记忆。

记忆的脑机制非常复杂，迄今仍不清楚。早在20世纪40年代末，著名神经外科医生Wilder Penfield 第一个获得证据表明，记忆的加工可能是在人脑的某些特殊部位进行。他从上千例的病人观察到，电刺激病人的脑颞叶皮层（temporal lobes）会产生一连串对早期经验的回忆，病人称之为“经验反应”（experiential response）。几年后一次偶然的机会，为了给一个患癫痫长达10年的病人施行脑手术治疗，Penfield将病人双侧的海马·杏仁核和部分颞叶皮层切除。术后发现，病人的癫痫症状大为改善。但出乎意料的是，病人的记忆同时受到破坏性的损害。虽然病人保留了几秒到几分钟的短期记忆，且对手术前的事件有非常好的“长期记忆”，但是，他却不能将短期记忆转化为长期记忆。对人·地点或物体等信息的保持不超过一分钟。而且，他的空间定位能力也大大受到削弱，甚至花了长达一年时间才学会走一条围绕一栋新房的路而不至迷路。事实上，所有因手术或疾病使内侧颞叶的边缘结构受到广泛损害的病人都具有类似的记忆缺陷。这些结果说明，大脑边缘系统在记忆调节中发挥重要作用。

此后近半个世纪的研究表明，脑内至少存在5个不同的结构系统相对特异性地参与学习记忆的调节，包括海马、杏仁核、皮层（尤其是鼻周皮层，perirhinal cortex）、小脑和背侧纹状体。针对这些脑结构建立了相应的具有一定特异性地学习记忆的行为测定方法。海马是空间记忆的最重要的调节脑区，同时也参与情绪记忆的调节。毁损海马回导致空间记忆的完全缺失，情绪记忆也会减弱，但不会完全消失。这是因为情绪记忆主要由杏仁核调节。测定杏仁核依赖的记忆主要用条件恐惧（fear conditioning）法；而测定海马依赖的记忆方法则很多，包括各种迷宫和抑制性回避(inhibitory avoidance)实验等。鼻周皮层是调节视觉物体记忆（visual object memory）的特异性闹区，常用物体认知模型（object recognition）检测。小脑是调节与骨骼肌反应有关的经典反射的特异性脑结构，眨眼反应（eyeblink conditioning）模型对小脑依赖的记忆有很高的特异性。纹状体对刺激-反应习惯（stimulus-response habit）的学习记忆过程其重要作用，主要调节与药物滥用有关的学习记忆。测定纹状体记忆的方法很少，目前主要用赢-留放射臂迷宫（win-stay radial arm maze）法。纹状体毁损会导致动物在这一模型上的记忆操作障碍，而毁损海马或杏仁核对这种记忆没有明显影响。说明赢-留放射臂迷宫法对纹状体记忆具有特异性。

尽管记忆的发生机制仍不清楚，但越来越多的证据表明，环磷酸腺苷-蛋白激酶A（cyclic

AMP-protein kinaseA,Camp-PKA）信号系统对记忆起着重要的调节作用。激活与刺激性G 蛋白（Gs）相偶联的受体会刺激腺苷酸化酶的活性，因而使cAMP形成增多，并激活PKA.PKA 使cAMP反应单元结合蛋白（cAMP-responsive-element-binding protein, CREB）磷酸化并激活，从而促进与记忆相关的基因表达，最终使记忆增强。此外，分裂素激活蛋白激酶/细胞外信号调节激酶（mitogen activated protein kinase,MAPK/extracellular signal-regulated kinase,ERK）信号通路也以类似的磷酸化方式调节CREB的活性，进而调节记忆。因此，除了用脑部结构毁损的方法从解剖上去除某一特定的脑内结构对记忆的调节功能以外，凡是能影响上述信号通路功能的药物（如NMDA受体拮抗剂MK-801和MEK抑制剂U0126减弱记忆；4-型磷酸二脂酶（type-4phosphodiesterase,PDE4）抑制剂则增强记忆）或有关的处理（如转基因或基因敲除或下调）均可影响学习记忆过程。

学习记忆研究是当今生物医学界最为热门的领域之一。这方面的发展可谓日新月异。新的或经改良的研究方法和手段层出不穷。因此，本章不可能把所有有关学习记忆的研究方法逐一进行描述，只是选择一些有代表性的常用方法加以介绍。此外，所用仪器设备也不只局限于本章所介绍的内容。在同一实验中，不同实验室所用仪器设备会有所不同，但实验结果应该一致。

第二节迷宫

一、Morris水迷宫

本实验由美国科学家Richard GM Morris 于1981年建立。最初用于研究脑内结构对学习和记忆的调节作用，后来逐步发展成为目前最为常用的评价动物学习与记忆的模型。这一实验的基础是，啮齿类动物在水中有强烈的逃避水环境的动机，并以最快、最直接的途径逃离水环境。学会逃避水环境的过程体现动物的学习能力；根据周围环境进行空间定位，有目的地游往水中安全的地方（平台），体现动物的空间记忆能力。

（一）实验设备

实验用大鼠或小鼠进行。大鼠水迷宫实验设备由上海欣软信息科技有限公司制作，包括一个灰色或黑色圆形水池（直径200cm，高100cm；小鼠规格尺寸减半）、一个平台（直径10cm）、一台跟踪摄像机以及摄像机相联的计算机（图25-1）。池内盛水，深50cm，水温为摄氏22~24℃。平台置于水面下2cm（小鼠为1cm）。在水中加入奶粉或牛奶将水搅浑以免让动物看清水下平台。摄像机位于水池中央上方200cm，可记录动物的位置、游泳距离和时间（从而可计算出游泳速度）以及游泳路径等。房间周围墙壁上贴上色彩鲜明、形状不同的图画用为迷宫外暗示（extra-maze cues）。

（二）实验方法分获得性训练、探查和对位训练3个过程。

1．获得性训练（Acquisition phase）理论上将水池分为4个象限，平台置于其中一个象限区的中央。

（1）将动物（大鼠或小鼠）头朝池壁放入水中，放入位置随机取东、西、南、北四个起始位置之一。记录动物找到水下平台的时间（s）。在前几次训练中，如果这个时间超过60s，则引导动物到平台。让动物在平台上停留10s.

（2）将动物移开、擦干。必要时将动物（尤其是大鼠）放在150W的白炽灯下烤5min，放回笼内。每只动物每天训练4次，两次训练之间间隔15~20min,连续训练5d。2．探查训练(probe trial 1) 最后一次获得性训练结束后的第二天，将平台撤除，开始60s 的探查训练。将动物由原先平台象限的对侧放入水中。记录动物在目标象限（原先放置平台的象限）所花的时间和进入该象限的次数，以此作为空间记忆的检测指标。

3．对位训练（reveral phase）测定动物的工作记忆（working memory）。探查训练结束后的第二天，开始维持4天的对位训练。将平台放在原先平台所在象限的对侧象限，方法与获得性训练相同。每天训练4次。每次记录找到平台的时间和游泳距离以及游泳速度。