斯金纳实验箱skinner box

斯金纳箱实验设计

前言 

操作条件反射行为是神经科学中使用的一种行为任务，通过评估行为灵活性来研究执行功能。执行功能是指认知过程，包括规则生成、行为选择和策略评估，主要受额叶皮质区域的调控(Lie等人，2006年)。这种过程对正常的认知功能至关重要，在多种神经和精神疾病中可能会受到损害，如精神分裂症、抑郁症、中风和神经退行性疾病(如Snyder，2013)。操作条件反射允许研究行为灵活性-动物行为对环境变化的适应性变化-通过训练动物对特定刺激(光提示)执行特定动作(按下杠杆)，然后评估它们主动抑制Zui初学习的反应策略以获得新的竞争性反应的能力。这种类型的行为任务通常用于认知的神经生物学研究(例如Bissonette等人，2008年)，允许分别评估行为灵活性的不同方面，即策略转移和反转学习。这类任务对前额叶和皮层下回路的中断、对精神或神经疾病建模的神经发育和神经操作以及对这些模型的治疗干预效果都很敏感(Brady and Floresco，2015，Enomoto et al，2011)。操作条件反射是由BF Skinner在20世纪30年代初创建的(Krebs，1983)。从那时起，已经引入了许多修改，包括它的自动化。使用自动操作条件化室，可以使用简化的程序评估啮齿动物的策略转移和反转学习，并提高数据收集速度和吞吐量。

仪器设备

该装置由一个装有(至少)两个可伸缩操纵杆、两个刺激灯和一个食物颗粒分配器（或饮水）组成。操纵杆放置在分配器的两侧，每个操纵杆上方有一个刺激灯。通过软件自动控制刺激呈现、杠杆操作和数据采集。提示灯的位置、动物选择的操纵杆、动物是否做出正确、错误或没有反应(遗漏)，以及做出选择的潜伏期，都可以自动记录下来。

实验方案

操作条件反射行为的目的是通过评估策略转变和/或逆转学习来评估对照组和疾病模型/干预组中啮齿动物的执行功能/行为灵活性。根据要进行的具体行为评估，操作条件反射有几个版本的协议可供使用。下面是评估行为灵活性不同方面的协议示例。这些协议的更详细版本可以在Brady&Floresco，2015中找到。
操作条件反射的前期训练动物可以单独饲养，也可以成群饲养，具体取决于实验需要。在需要限制食物的实验中，应该使用单独的住房，例如允许更好地控制食物摄入量。在没有处理（Handing）或食物限制的情况下，在测试设施适应了几天后，动物应该每天接受大约5分钟的处理，并在开始行为测试之前至少进行3天的处理。动物的体重应该在处理的第一天，也就是开始限制食物的时候记录下来。在3天的处理过程中，动物的每日进食量应该逐渐减少，使它们的目标体重达到初始体重的85-90%。在每次搬运结束时，应该将10-20粒奖励弹丸放入动物的笼子里，以使它们适应将在任务中使用的增援。每只动物都应始终在同一操作室和一天中大致相同的时间接受测试。使用操作条件反射评估执行功能/行为灵活性
训练

可能需要大约10-20天。a)训练按下加长的杠杆。将动物放入行为箱内，为每个杠杆压力机提供一次食物奖励。每天进行30分钟的训练，直到动物达到Zui低反应标准(例如，两个杠杆连续两天，每次训练50-60次)。
b)训练按下可伸缩杠杆。如a)所示，使动物熟悉杠杆的伸缩。替代杠杆延伸，即有45次左杠杆试验和45次右杠杆试验，但同一杠杆的连续试验不超过两次。伸出选定的杠杆。如果动物在10秒内按下操纵杆，提供一次奖励。如果在10秒内没有响应，则收回操纵杆并记录遗漏。在整个过程中，每隔20秒开始一次试验。继续进行可伸缩杠杆训练，直到动物连续两天达到至少5个或更少遗漏的标准。对于使用急性操作(例如，药物测试)的研究，使用固定的天数来确保所有的大鼠都获得类似的杠杆操作。
c)评估单侧偏好在Zui后一次伸缩杠杆训练后立即进行单侧偏好测试。在这一阶段的训练中，不要照亮刺激灯。执行7个试验，每个试验由2-8个子试验组成，间隔20秒。在每个分项试验中，将两个杠杆伸出10秒，或直到杠杆按下响应。强化每个试验的第一个分项试验的反应，并记录为“初始反应”；在同一试验的后续分项试验中不强化相同水平的反应。在每个试验的初始响应之后，强化相对杠杆上的第一个响应，然后终止该试验。在一次试验中，允许在同一操纵杆上进行Zui多六次后续反应，之后进行强制分试-只延伸相反的操纵杆，直到有反应为止。因此，在每个试验(包含Zui多8个子试验)中，要求一只动物在每个杠杆上至少做出一次反应。将每只动物的偏爱定义为大多数初始反应发生的那一侧(至少4/7试验)。如果一只动物在整个过程中对一个杠杆的反应不成比例(定义为大于2：1的比例)，则将那一侧记录为动物的偏好。在单侧偏好测试后的第二天开始测试。
测试
一般流程动物可以通过三个序列中的一个进行测试，每个序列都涉及两个不同的任务。连续几天进行每个序列；第一天在一个任务(“设定”-Zui初的辨别学习)中测试动物，第二天进行第二个任务(“转换”或“翻转”)的测试。
转换设置转换：提示到响应1. 提示任务(此序列中的设置任务)-用于在照明的刺激光(提示)下方的操纵杆上做出反应的强化。1）每次试验开始时都要收回两个操纵杆。2）左或右侧刺激光照亮3秒，然后将两个操纵杆伸出10秒，或直到有反应。3）仅强化信号杆上的正确响应。在任一杠杆上有反应时，收回杠杆。4）在整个过程中，每隔20秒开始一次试验。在相同的刺激光照射下，连续试验不应超过两次。5）继续试验，直到动物达到标准(例如，连续10次正确反应)并至少完成30次试验，或者直到完成150-200次试验而没有达到标准。6）如果第一天没有达到标准，在第二天再对动物进行提示任务，但去掉至少完成30次试验的要求。如果第二天没有达到标准，按照同样的程序在第三天对动物进行测试。3天内将达不到标准的动物移走。2. 响应任务(此序列中的任务转换)-在与其单侧偏好相反的操纵杆上进行响应的强化，与刺激光(提示)照明无关。1）每次实验开始时都要收回两个操纵杆。2）左或右侧刺激光照亮3秒，然后将两个操纵杆伸出10秒，或直到有反应。3）只在正确的位置杠杆上强化反应-与动物的单侧偏好相反。在任一拉杆上有响应时，收回拉杆。4）在整个过程中，每隔20秒开始一次试验。在相同的刺激光照射下，连续试验不应超过两次。5）继续试验，直到动物达到标准(例如，连续10个正确的反应)，或者直到完成150个没有达到标准的试验。6）如果第一天没有达到标准，在第二天再次测试动物的反应任务。如果第二天没有达到标准，按照同样的程序在第三天对动物进行测试。对于在3天内没有达到标准的动物，将试验的Zui高分数分配给代表所经历的试验次数的标准(即，在3天内进行450次试验，每次150次)。
定格转换：响应到提示该序列得益于将视觉线索添加到预训练中。1. 响应任务(此序列中的设置任务)-在与其侧面偏好相反的操纵杆上进行响应的强化，与刺激光(提示)照明无关。1）按照上面响应任务(2)中的详细说明进行测试。2）让动物在这项任务中至少完成30次试验。2. 提示任务(此序列中的移位任务)-用于在照明的刺激光(提示)下方的操纵杆上做出反应的强化。1）按照上述提示任务(1)中的详细说明进行测试。不需要完成至少30个试验。

反转学习：反转反应1. 响应任务(此序列中的设置任务)-在与其侧面偏好相反的操纵杆上进行响应的强化，与刺激光(提示)照明无关。1）继续上面响应任务中详细说明的测试。2）让动物在这项任务中至少完成30次试验。2. 反转反应任务(反转任务)-在与第一个任务相反的杠杆上进行反应的强化，即对应于其原始侧边偏好的杠杆。1）继续进行上面响应任务中详细说明的测试，除了加强的杠杆位置现在等于动物原来的侧边偏好之外。
行为测量1. 以设定任务和轮班任务(准确性度量)为标准的试验-完成10个连续试验(包括这10个试验)所需的试验次数。遗漏的数量应该被剔除-例如，如果一只老鼠需要100次试验才能达到标准，而有10次遗漏，那么实际的标准试验是90次。2. 集合任务和轮班任务(度度量)上的标准误差-标准之前的错误数量；可能比试验对标准更敏感，不受漏检率增加的影响。3. 集合换班顺序中的持久性或倒退换班错误-当动物在换班任务中反应不正确时，通过遵循前一天集合任务中正确的规则来计数错误。分成持之以恒的或倒退的：1）将轮班时段分成16个连续完成试验的区块(不包括省略的试验)。在每个块内，识别移位错误。在每个16个区块中Zui多有8个可能的错误。2）将识别出的错误计分为持续性错误，直到在一个块内出现的错误少于6个。3）从下一块开始，一直到任务结束，将错误评分为倒退。4）如果动物在轮班任务中接受了超过一天的测试，继续给错误评分，就像区块是连续的一样。4. 从不强化的集合换班序列中的换班错误-当动物在换班任务上的反应不正确时，计数错误，该反应在集合或换班任务中都不正确。5. 持之以恒和倒退的反转错误。分成持之以恒的或倒退的：1）将逆转过程分成16个连续完成的试验块。统计每个块中的错误(Zui多16个错误)。2）将错误评分为持续性错误，直到一个块内的错误少于10个。3）从下一块开始，一直到任务结束，将错误评分为倒退。4）如果动物在反转任务中接受了超过一天的测试，继续给错误评分，就像区块是连续的一样。6. 朝向分心和远离分心反转错误。1）朝向分心器：刺激光在不正确的按下的操纵杆上方照亮。2）远离分心器：刺激光在正确的、未按下的操纵杆上方照明。7. 被忽略的试验次数-提供动物动机水平的广泛测量。8. 响应延迟-杠杆伸展和响应之间经过的时间；提供运动功能和/或处理速度的粗略测量。

研究动态

在伸缩式杠杆训练期间，可以采用预先暴露在刺激灯中来降低灯的新颖性。预先将老鼠暴露在灯光下，使得对线索的反应转移变得更加困难，并依赖于内侧前额叶皮质。如果不采用这种预训练程序，额叶前部失活将不会损害这种类型的转变(Floresco等人，2008年；Placek等人，2013年)。例如，还可以通过添加额外的杠杆来增加这些任务的难度。

数据分析

使用操作条件箱获得的数据可以通过绘制上述任何行为测量来可视化：在设定任务和换班任务上对标准的试验或对标准的误差；恒定或倒退的换班错误；从未加强的换班错误；持久性和倒退的反转错误；朝向分心和远离分心的反转错误；省略的试验；或反应潜伏期。使用这些的图表来比较控制组和疾病组或治疗组之间的行为灵活性，可以很容易地可视化对执行功能的影响。行为灵活性受损的动物(例如，由于前额叶失活)可能需要更长的时间才能达到标准，并犯下更多的错误。

优势和局限性

操作条件反射的主要优势是可以进行与认知功能相关的多种行为评估。操作调节室的这种自动化版本极大地提高了数据收集和吞吐量的速度。一个可能的缺点是训练时间过长。请记住，涉及食品限制的实验可能需要机构监管机构的具体批准，然后才能开始任何程序。

要点

操作条件反应被用来测试作为执行功能指标的行为灵活性。

这项测试评估了动物主动抑制Zui初学会的反应策略以获得新的竞争性反应的能力。

为了收集有关行为灵活性的不同方面的数据，不同的群体已经采用了这项测试。

具有神经性精神疾病模型的动物可能表现出行为灵活性受损。

迷宫已被用来研究认知机制以及疾病和治疗对执行功能的影响

参考文献