操作性行为系统——斯金纳箱的任务模式及优势解密

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！

一、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。

图片源自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。

二 、解析斯金纳箱优势

01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。

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。

03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！