原三娜 羅曉敏 張 帆 邵 楓 王瑋文

(1中國科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院心理研究所,北京 100101)(2中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039) (3北京大學(xué)心理系,北京 100871)

1 前言

注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)(Attentional set-shifting,AST)是一種擬人類威斯康辛卡片分類測試(Wisconsin card sorting test,WSCT)模型,可用于檢測嚙齒類動(dòng)物前額葉介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性(Brown &Bowman,2002)。認(rèn)知靈活性是指個(gè)體能夠覺察環(huán)境變化,并能根據(jù)環(huán)境變化的要求調(diào)整行動(dòng)策略以完成目的行為的過程,是個(gè)體適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境變化的認(rèn)知基礎(chǔ)。多種精神疾病,如抑郁癥(Lyche,Jonassen,Stiles,Ulleberg,Landr?,2011),精神分裂癥(Hilti et al.,2009; Millan et al.,2012)患者都伴隨不同程度和不同特征的認(rèn)知靈活性損傷。固著性認(rèn)知和情感偏誤還被認(rèn)為是造成抑郁癥和焦慮癥的重要病因?qū)W因素之一(Beck,2008)。近年來,AST模型越來越多的應(yīng)用于認(rèn)知靈活性及其損害所導(dǎo)致的精神疾病認(rèn)知障礙的神經(jīng)機(jī)理研究(Bissonette &Powell,2012; Bondi,Jett,& Morilak,2010; Durstewitz,Vittoz,Floresco,& Seamans,2010; Floresco,Block,& Tse,2008; Millan et al.,2012)。目前不同AST研究采用的檢測程序和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種系存在差異,研究結(jié)果也不一致(Birrell & Brown,2000; Bissonette &Powell,2012; Cain,Wasserman,Waterhouse,&McGaughy,2011; Colacicco,Welzl,Lipp,& Wurbel,2002)。上述因素對檢測結(jié)果的影響以及影響程度目前并不清楚,開展系統(tǒng)研究有利于比較和整合已有研究發(fā)現(xiàn),并為模型的合理選擇提供行為學(xué)依據(jù)。

AST測試的基本過程是訓(xùn)練動(dòng)物在不同維度(如嗅覺、視覺、觸覺等)的幾對刺激中辨別與獎(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián)的正性刺激線索,并建立與之相應(yīng)的策略尋找獎(jiǎng)賞物。同時(shí)隨著獎(jiǎng)賞物和線索關(guān)系的轉(zhuǎn)變調(diào)整已習(xí)得的策略或建立新的策略(Birrell & Brown,2000)。經(jīng)典的AST檢測模型采用七階段鑒別學(xué)習(xí)模式,根據(jù)檢測程序依次包括：簡單辨別(Simple Discrimination,SD)、復(fù)雜辨別(Compound Discrimination,CD)、第一次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 1,RL1)、內(nèi)維度轉(zhuǎn)換(Intra-Dimensional shift,IDS)、第二次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 2,RL2)、外維度轉(zhuǎn)換(Extra-Dimensional shift,EDS)和第三次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 3,RL3)七個(gè)階段(Brown &Bowman,2002)。由于每個(gè)動(dòng)物的AST測試過程較長(2～3小時(shí)/只)且只能人工實(shí)時(shí)觀察和記錄動(dòng)物的行為表現(xiàn),因此研究者在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都必須保持高度注意力,測試具有相當(dāng)?shù)碾y度。隨后,Fox(Fox,Barense,& Baxter,2003)和Liston (Liston et al.,2006)提出了簡化的五階段 AST檢測模式,檢測程序依次包括：SD、CD、IDS、RL和EDS五個(gè)階段。可見,這兩種 AST檢測程序都包含基本關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)能力(規(guī)則形成和分類能力,如SD和CD),已習(xí)得問題解決策略的調(diào)整和轉(zhuǎn)換能力(如IDS和RL),以及隨著環(huán)境關(guān)系變化抑制舊策略和跨維度建立新的應(yīng)對策略的能力(如 EDS)五種認(rèn)知反應(yīng),但不同檢測階段間的順序關(guān)系和逆反學(xué)習(xí)次數(shù)存在差異?？紤]到在AST中除了SD,其它認(rèn)知成分都包含前期“經(jīng)驗(yàn)”的影響及調(diào)整過程,可以推測前期“經(jīng)驗(yàn)”參數(shù),例如經(jīng)驗(yàn)類型和經(jīng)歷次數(shù),可能影響個(gè)體隨后的適應(yīng)性調(diào)節(jié)過程。目前使用的七階段和五階段AST檢測程序存在上述差異,它們是否會(huì)對動(dòng)物認(rèn)知表現(xiàn)產(chǎn)生影響及其影響程度目前還不清楚。一般來說,AST測試不同階段的認(rèn)知反應(yīng)存在一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系,即簡單和低水平學(xué)習(xí)任務(wù)需要的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率通常會(huì)低于復(fù)雜和高水平學(xué)習(xí)任務(wù)。以五階段AST為例,動(dòng)物在AST高難度任務(wù)階段(如RL和EDS)的達(dá)標(biāo)次數(shù)和錯(cuò)誤率通常高于低難度任務(wù)階段(如SD、CD和IDS)。這種差異是重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù),表明前期任務(wù)使得動(dòng)物建立了注意定勢,從而導(dǎo)致隨后的認(rèn)知轉(zhuǎn)換困難。本研究將通過比較在兩種檢測程序中上述認(rèn)知反應(yīng)間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一致性評價(jià)不同檢測過程對認(rèn)知表現(xiàn)的影響及影響程度。

在AST中RL和EDS是評價(jià)認(rèn)知靈活性的核心指標(biāo)(Lapiz-Bluhm et al.,2008)。人類、靈長目和嚙齒類動(dòng)物的比較研究發(fā)現(xiàn),認(rèn)知靈活性依賴于前額葉及其相關(guān)神經(jīng)通路的功能(Robbins & Arnsten,2009)。前額葉的結(jié)構(gòu)和功能受遺傳因素和環(huán)境因素的影響。例如人類WSCT中的錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)和錯(cuò)誤率(反映認(rèn)知固著性的主要指標(biāo))具有 37%～46%中等程度的遺傳基礎(chǔ)(Anokhin,Heath,& Ralano,2003)。藥物、應(yīng)激或腦區(qū)損毀等不同處置差異性影響嚙齒類動(dòng)物 AST各階段的認(rèn)知表現(xiàn) (Bondi,Rodriguez,Gould,Frazer& Morilak,2008; Chen,Baxter,& Rodefer,2004; McAlonan & Brown,2003)。目前嚙齒類動(dòng)物研究絕大多數(shù)采用SD (Bondi et al.,2008)和Hooded Lister (Allison & Shoaib,2013; Tait,Marston,Shahid,& Brown,2009)大鼠,也有采用Long Evans (Cain et al.,2011; Chen et al.,2004;Newman & McGaughy,2011)或Wistar-Kyoto (WKY)(Lapiz-Bluhm et al.,2008)大鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。由于研究采用的實(shí)驗(yàn)程序也不一致,種系差異是否影響大鼠AST結(jié)果目前尚不清楚。SD和Wistar種系大鼠是目前最廣泛使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。已知這兩類大鼠在某些行為和認(rèn)知功能方面存在差異。例如Wistar大鼠對于放置在測試箱中的新穎物體的探索行為多于SD大鼠(Andrews,Jansen,Linders,Princen,&Broekkamp,1995)。在Morris水迷宮測試中,SD和Wistar大鼠海馬依賴的空間學(xué)習(xí)能力也存在差異(Van der Borght,Wallinga,Luiten,Eggen,Van der Zee,2005)。本研究將比較它們在前額葉介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性方面是否存在差異。

總的來說,注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)特異性檢測前額葉及其相關(guān)神經(jīng)通路功能,是研究認(rèn)知靈活性及其障礙神經(jīng)基礎(chǔ)的重要模型。本研究首次系統(tǒng)比較了大鼠種系和檢測程序差異對注意定勢任務(wù)的影響,為相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)程序的選擇提供依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 動(dòng)物

成年雄性 Wistar和 SD 大鼠(2～3月齡,體重200～250g)購自軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。所有動(dòng)物采用不銹鋼隔柵籠單籠飼養(yǎng),保持環(huán)境溫度22±1°C,濕度 50±5%,12/12h 晝夜周期(7:00 a.m.開始照明)。實(shí)驗(yàn)前大鼠適應(yīng)環(huán)境7天,每天接受2～3 min撫摸以避免操作性應(yīng)激。實(shí)驗(yàn)期間除了AST測試外動(dòng)物自由攝食飲水。實(shí)驗(yàn)程序獲得中國科學(xué)院心理研究所倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn),并符合國家動(dòng)物管理和使用規(guī)則。

表1 七階段AST 測試程序

2.2 實(shí)驗(yàn)一：七階段AST檢測方法

七階段 AST檢測裝置和方法與我們以往的研究類似(王瓊,羅曉敏,邵楓,王瑋文,2012)。長方形的測試箱由不透明的白色有機(jī)玻璃制成(長×寬×高為 70 cm × 40 cm × 35 cm)。白色有機(jī)玻璃分隔板將測試箱的 1/3封閉,作為起始區(qū),另一部分為測試區(qū)。隔板可上下垂直拉起。測試箱另一端用透明有機(jī)玻璃隔板將測試區(qū)后1/3區(qū)域平分為兩個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)均置有可固定陶土罐的底座。每次任務(wù)前大鼠處于起始區(qū),拉起隔板使大鼠進(jìn)入測試區(qū)尋找陶土罐(高6 cm; 直徑7 cm)中的獎(jiǎng)賞物(蜂蜜脆果圈,家樂氏公司,美國)。陶土罐中裝有填充物。獎(jiǎng)賞物埋在填充物表面下2 cm。

實(shí)驗(yàn)一采用成年雄性Wistar大鼠(

n

= 13)和SD大鼠(

n

= 14)。經(jīng)1周適應(yīng)期后,進(jìn)行AST行為測定。從測試前 7天開始限制動(dòng)物攝食(10～15g/天),將體重逐步降低至限食前體重的 80%～85%左右,自由飲水。從限食第5 天開始,每只大鼠均進(jìn)行如下3個(gè)階段測試。測試在單獨(dú)的房間內(nèi)進(jìn)行。每次實(shí)驗(yàn)前提前1 h將大鼠放入測試房中進(jìn)行適應(yīng)。

第一天為適應(yīng)期

：首先將陶土罐放入飼養(yǎng)籠,訓(xùn)練動(dòng)物從裝滿墊料填充物的陶土罐中挖掘食物,直至動(dòng)物連續(xù)3次在5 min內(nèi)找到掩埋的食物。隨后將大鼠移入 AST測試裝置中,使其適應(yīng)測試環(huán)境并從檢測區(qū)兩側(cè)放置的陶土罐中挖掘獎(jiǎng)賞物,直至動(dòng)物連續(xù)3次每次在5 min內(nèi)找到掩埋的食物。

第二天為訓(xùn)練期:

大鼠在檢測箱中分別進(jìn)行單一氣味/介質(zhì)簡單辨別學(xué)習(xí)。氣味辨別任務(wù)使用檸檬和紫檀兩種氣味,填充物辨別任務(wù)選擇吹塑紙片和牛皮紙片兩種填充物。選擇其中一種氣味/填充物作為正性線索與獎(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián),即始終將獎(jiǎng)賞物放在正性線索標(biāo)記的陶土罐中,每次測試陶土罐的位置隨機(jī)放置在測試區(qū)的左側(cè)或右側(cè)。正確反應(yīng)為大鼠只挖掘正性線索標(biāo)記的陶土罐獲得獎(jiǎng)賞物且不挖掘負(fù)性線索標(biāo)記的陶土罐。以連續(xù)6次正確反應(yīng)作為完成訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。

第三天為測試期：

包含7個(gè)連續(xù)的,難度不斷增加的任務(wù)階段：簡單辨別(Simple Discrimination,SD),復(fù)雜辨別(Compound Discrimination,CD),第一次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 1,RL1),內(nèi)維度轉(zhuǎn)換(Intra-Dimensional shifting,IDS),第二次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 2,RL2),外維度轉(zhuǎn)換(Extra-Dimensional shifting,EDS)和第三次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 3,RL3)。各階段任務(wù)依次進(jìn)行。每一階段直到動(dòng)物達(dá)到連續(xù)6次正確反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),然后轉(zhuǎn)至下一階段任務(wù)。每個(gè)階段所記錄的指標(biāo)為：達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)、錯(cuò)誤率(錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)與達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)之比)和潛伏期(每次測試時(shí)拉起隔板大鼠進(jìn)入測試區(qū)到出現(xiàn)挖掘行為的時(shí)間)。

整個(gè)測試程序如表1示例。第一階段為SD階段,兩個(gè)陶土罐分別以丁香和肉豆蔻氣味標(biāo)記,以墊料為填充物。其中一種氣味(如丁香)作為正性線索,獎(jiǎng)賞物始終放在此陶土罐中。大鼠學(xué)習(xí)根據(jù)正性線索尋找獎(jiǎng)賞物直到達(dá)到連續(xù)6次正確反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。第二階段為CD階段,引入非相關(guān)維度線索(兩種新的填充物)并與兩種氣味的陶土罐隨機(jī)配對呈現(xiàn),但其正性線索(氣味)與SD任務(wù)相同。第三階段為 RL1階段,使用與 CD中相同的氣味和填充物,氣味仍為相關(guān)維度,但先前的正性氣味線索變?yōu)樨?fù)性線索,而先前的負(fù)性氣味線索變?yōu)檎跃€索; 第四階段為IDS階段,氣味仍舊為相關(guān)刺激維度,填充物為非相關(guān)刺激維度,但此任務(wù)中同時(shí)更換兩種新的氣味(肉桂和迷迭香)及兩種新的填充物(木珠和塑料珠)。以其中一種氣味(如迷迭香)作為正性線索,其他與CD任務(wù)相同。第五階段為RL2階段,與RL1任務(wù)類似,原來在IDS任務(wù)中為正性線索的氣味此階段換為負(fù)性線索,原來的負(fù)性線索換為正性線索。第六階段為 EDS階段,更換新的填充物(白紙條和褶皺紙條)及氣味(香茅和百里香)。同時(shí)此任務(wù)中填充物由不相關(guān)刺激維度變?yōu)橄嚓P(guān)刺激維度,其中一種填充物(如褶皺紙條)為正性線索,而氣味變?yōu)榉窍嚓P(guān)刺激維度。第七階段為 RL3階段,與RL1和RL2 類似,只是EDS任務(wù)中正性線索和負(fù)性線索互換。為了避免位置和線索偏好,在測試過程中隨機(jī)選擇相關(guān)維度的配對刺激物中的一個(gè)作為正性線索。同時(shí)每次任務(wù)中陶土罐的位置隨機(jī)放置在測試區(qū)的左側(cè)或右側(cè)。

2.3 實(shí)驗(yàn)二：五階段AST檢測方法

五階段 AST檢測裝置同實(shí)驗(yàn)一,檢測方法參考(Fox et al.,2003)和 Lison (Liston et al.,2006)的研究,由實(shí)驗(yàn)一的程序簡化而成(如表 2示例)。五階段與七階段 AST程序的主要差別在于測試過程不包含RL1和RL3階段,僅包含五個(gè)連續(xù)的,難度不斷增加的任務(wù)階段,即SD,CD,IDS,RL和EDS。實(shí)驗(yàn)二采用成年雄性Wistar大鼠(

n

= 7)和SD大鼠(

n

= 9),實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)一相同,以進(jìn)一步比較兩種 AST檢測程序結(jié)構(gòu)效度的一致性,以及認(rèn)知功能種系差異的穩(wěn)定性。

表2 五階段AST測試程序

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS 13.0軟件完成。AST測試中各階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)、錯(cuò)誤率及潛伏期指標(biāo)均采用兩因素(種系×任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析,LSD事后檢驗(yàn)分析組間差異。

p

< 0.05為統(tǒng)計(jì)學(xué)有顯著差異。

3 結(jié)果

3.1 七階段AST認(rèn)知表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)效度和種系差異

3.1.1 達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)

兩個(gè)種系大鼠在測試不同階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)的結(jié)果如圖 1所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示存在顯著的種系主效應(yīng)(

F

(1,25) = 8.66

p

= 0.007)和測試任務(wù)階段主效應(yīng)(

F

(6,182) = 12.22

p <

0.001),交互作用（F(6,175) =0.58

p

= 0.745）不顯著。

圖1 Wistar和SD大鼠在七階段AST各任務(wù)階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)種系主效應(yīng)分析顯示 Wistar大鼠的整體認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于SD大鼠。事后檢驗(yàn)進(jìn)一步表明種系差異主要來自于 RL2和 RL3階段,在這兩個(gè)任務(wù)階段Wistar大鼠的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)與SD大鼠相比有明顯的降低趨勢(RL2：

F

(1,25) = 4.12

p

=0.053; RL3：

F

(1,25) = 3.87

p

= 0.06)。單因素方差分析顯示兩個(gè)種系大鼠各任務(wù)階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)存在顯著差異(SD:

F

(6,91) = 5.90

p

<0.001; Wistar:

F

(6,84) = 8.19

p

< 0.001)。LSD 事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Wistar和SD大鼠在RL1,RL2,EDS和RL3階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)與相應(yīng)的SD和CD階段相比明顯增加(

p

值均小于0.05),以及在RL1階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)也明顯高于IDS階段(

p

< 0.05)。此外,Wistar大鼠的RL2和RL3階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)明顯低于RL1階段(

p

< 0.05)。

3.1.2 錯(cuò)誤率

兩個(gè)種系大鼠在測試各任務(wù)階段的錯(cuò)誤率結(jié)果如圖2所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示有顯著的種系主效應(yīng)(

F

(1,25) =12.85,

p

= 0.001)和測試任務(wù)階段主效應(yīng)(

F

(6,182) =19.59,

p

< 0.001),交互作用不顯著,

F

(6,175) = 0.37,

p

= 0.905。錯(cuò)誤率種系主效應(yīng)分析顯示 Wistar大鼠的認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于SD大鼠。事后檢驗(yàn)進(jìn)一步表明認(rèn)知功能種系差異主要來自于 RL3階段,在此任務(wù)階段Wistar大鼠的錯(cuò)誤率明顯低于SD大鼠(

F

(1,25) = 7.30,

p

= 0.012)。單因素方差分析顯示兩個(gè)種系大鼠各任務(wù)階段的錯(cuò)誤率存在顯著差異(SD:

F

(6,91) = 9.18,

p

<0.001; Wistar:

F

(6,84) = 10.49,

p

< 0.001)。事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Wistar和SD大鼠在RL1,RL2,EDS和RL3階段的錯(cuò)誤率與相應(yīng)SD,CD和IDS階段相比明顯增加(

p

值均小于 0.05)。此外,兩個(gè)種系大鼠 RL2階段以及Wistar大鼠RL3階段的錯(cuò)誤率明顯低于相應(yīng)的RL1階段(

p

< 0.05)。

圖2 Wistar和SD大鼠在七階段AST各任務(wù)階段的錯(cuò)誤率(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

3.1.3 潛伏期

兩個(gè)種系大鼠在測試不同階段潛伏期的結(jié)果如圖3所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示種系和測試任務(wù)階段均存在顯著的種系主效應(yīng)(

F

(1,25) = 15.10,

p

< 0.001)和測試任務(wù)階段主效應(yīng)(

F

(6,182) = 6.97,

p

= 0.002),但交互作用不顯著,

F

(6,175) = 2.5,

p

= 0.093。

圖3 SD和Wistar大鼠在七階段AST各任務(wù)階段的潛伏期(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

潛伏期種系主效應(yīng)分析顯示 Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠。事后檢驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)上述差異主要來自于SD階段,在此任務(wù)階段Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠(

F

(1,25) = 15.05

p

=0.001)。同時(shí)在CD,RL2和RL3階段Wistar大鼠的潛伏期與 SD大鼠相比也有明顯增加的趨勢(CD：

F

(1,25) = 3.73,

p

= 0.065; RL2：

F

(1,25) = 3.76,

p

=0.064; RL3：

F

(1,25) = 3.88,

p

= 0.06)。單因素方差分析顯示W(wǎng)istar而非SD種系大鼠各任務(wù)階段潛伏期有顯著差異(SD:

F

(6,91) = 1.07,

p

= 0.107; Wistar:

F

(6,84) = 2.29,

p

= 0.043)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Wistar大鼠SD階段的潛伏期明顯高于RL1,RL2和EDS階段(

p

< 0.05)。

3.2 五階段AST認(rèn)知表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)效度和種系差異

3.2.1 達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)

兩個(gè)種系大鼠在測試不同階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)的結(jié)果如圖 4所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示存在顯著的種系主效應(yīng)(

F

(1,14) = 4.52,

p

= 0.041)和測試任務(wù)階段主效應(yīng)(

F

(4,75) = 12.37,

p <

0.001),但交互作用不顯著,

F

(4,70) = 3.44,

p

= 0.085。

圖4 SD和Wistar 大鼠在五階段AST各階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)種系主效應(yīng)分析顯示 Wistar大鼠的認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于SD大鼠。進(jìn)一步事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)種系差異主要來自于RL階段,在此任務(wù)階段Wistar大鼠的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)明顯低于SD大鼠,

F

(1,14) =8.19,

p

= 0.013。單因素方差分析顯示兩個(gè)種系大鼠各任務(wù)階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)有顯著差異(SD:

F

(4,40) = 11.13,

p

<0.001); Wistar: (

F

(4,30) = 4.51,

p

= 0.036)。事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)種系大鼠RL階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)與相應(yīng)的SD,CD和IDS階段相比明顯增加(Wistar:

p

<0.05; SD:

p

< 0.01)。此外,SD大鼠EDS階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)明顯高于CD階段 (

p

< 0.05)。

3.2.2 錯(cuò)誤率

兩個(gè)種系大鼠在五階段 AST不同任務(wù)階段的錯(cuò)誤率結(jié)果如圖5所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示存在顯著的種系主效應(yīng)(

F

(1,14) = 5.07,

p

= 0.042)和測試任務(wù)階段主效應(yīng)(

F

(4,75) = 5.39,

p =

0.001),交互作用不顯著,

F

(4,70) = 1.57,

p

= 0.195。

圖5 SD和Wistar 大鼠在五階段AST各階段的錯(cuò)誤率(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

錯(cuò)誤率種系主效應(yīng)分析顯示 Wistar大鼠的認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于SD大鼠。進(jìn)一步事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)種系差異主要來自于RL階段,在此任務(wù)階段Wistar大鼠的錯(cuò)誤率明顯低于SD大鼠,

F

(1,14) = 5.73,

p

= 0.035。單因素方差分析顯示兩個(gè)種系大鼠各任務(wù)階段的錯(cuò)誤率有顯著差異(SD:

F

(4,40) = 5.29,

p

=0.002;

F

(4,30) = 3.46,

p

= 0.034)。事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)種系大鼠在 RL階段的錯(cuò)誤率與相應(yīng) SD和 CD階段相比明顯增加(

p

< 0.05),同時(shí)EDS階段的錯(cuò)誤率也明顯高于相應(yīng)SD階段(

p

< 0.05)。此外,SD大鼠RL階段的錯(cuò)誤率明顯高于相應(yīng)的IDS階段(

p

<0.05)。

3.2.3 潛伏期

兩個(gè)種系大鼠在測試不同階段潛伏期的結(jié)果如圖6所示。兩因素(種系×測試任務(wù)階段)重復(fù)測量方差分析顯示種系主效應(yīng)不顯著,

F

(1,14) = 2.955,

p

= 0.108; 測試任務(wù)階段主效應(yīng)顯著,

F

(4,75) =4.951,

p

= 0.002; 交互作用顯著,

F

(4,70) = 3.687,

p

=0.01。進(jìn)一步分析顯示在SD階段Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠,

F

(1,25) = 5.58

p

= 0.033。同時(shí)在CD階段Wistar大鼠的潛伏期與SD大鼠相比也有增加的趨勢(CD：

F

(1,25) = 3.68,

p

= 0.076)。單因素方差分析顯示W(wǎng)istar而非SD種系大鼠各任務(wù)階段潛伏期有顯著差異(SD:

F

(6,91) = 1.495,

p

= 0.225; Wistar:

F

(6,84) = 3.629,

p

= 0.014)。LSD事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Wistar大鼠SD階段的潛伏期明顯高于CD (

p

< 0.05),IDS (

p

< 0.01),RL (

p

< 0.01)和EDS (

p

< 0.01)階段。

圖6 SD和Wistar大鼠在五階段AST各任務(wù)階段的潛伏期(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

4 討論

本研究考察了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種系和檢測程序差異對 AST認(rèn)知表現(xiàn)及不同認(rèn)知成分間反應(yīng)模式的影響。結(jié)果表明大鼠的前額葉認(rèn)知轉(zhuǎn)換能力存在種系差異,主要表現(xiàn)為在兩種 AST檢測程序中 Wistar大鼠的整體認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于 SD大鼠,尤其在逆反學(xué)習(xí)階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)或錯(cuò)誤率顯著低于SD大鼠,表現(xiàn)出更高的策略轉(zhuǎn)換靈活性; 另一方面所考察種系和檢測程序差異不影響不同認(rèn)知成分間的反應(yīng)模式,即在逆反學(xué)習(xí)和/或外維度認(rèn)知定勢轉(zhuǎn)移復(fù)雜學(xué)習(xí)階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率顯著高于簡單鑒別和復(fù)雜鑒別等基本學(xué)習(xí)階段。這些結(jié)果表明不同種系大鼠和檢測程序的 AST都可以反映不同認(rèn)知成分間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

4.1 不同檢測程序?qū)ST認(rèn)知結(jié)構(gòu)的影響

在AST測試中RL和EDS是認(rèn)知靈活性評價(jià)的核心指標(biāo),分別表征對已習(xí)得問題解決策略的調(diào)整和轉(zhuǎn)換能力,以及隨著環(huán)境關(guān)系變化抑制舊策略和跨維度建立新的應(yīng)對策略的能力(Lapiz-Bluhm et al.,2008)。顯然這兩種認(rèn)知轉(zhuǎn)換過程分別基于前期策略定勢和注意維度定勢建立的基礎(chǔ)上。因而通常與SD,CD或IDS階段相比RL或EDS階段達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率更高。如果前期“定勢”未能建立,將不表現(xiàn)出不同認(rèn)知成分間的上述反應(yīng)模式。例如研究發(fā)現(xiàn)小鼠建立“策略或維度定勢”更加困難,通常需要重復(fù)的前期學(xué)習(xí)訓(xùn)練才能夠誘發(fā),例如重復(fù)的內(nèi)維度轉(zhuǎn)換訓(xùn)練才能夠建立策略定勢和注意維度定勢(表現(xiàn)為更多的逆反學(xué)習(xí)和外維度轉(zhuǎn)移達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率) (Bissonette & Powell,2012)。另外,定勢的建立及其穩(wěn)定程度受前期“學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)”參數(shù),如經(jīng)驗(yàn)類型和經(jīng)歷次數(shù)等的影響,一般來說多次的重復(fù)訓(xùn)練可以增強(qiáng)定勢。而目前使用的五階段和七階段 AST檢測程序中策略轉(zhuǎn)換和注意定勢轉(zhuǎn)換之前動(dòng)物經(jīng)歷的任務(wù)類型和訓(xùn)練次數(shù)存在差異,這是否會(huì)對定勢形成和轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生影響呢？本研究結(jié)果顯示在復(fù)雜和簡化版本的 AST檢測程序中SD和Wistar大鼠不同階段認(rèn)知反應(yīng)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系具有較好的一致性,提示所考察動(dòng)物種系和檢測程序都可以使得大鼠建立注意定勢,從而構(gòu)成評價(jià)認(rèn)知轉(zhuǎn)換能力的必要前提。采用SD,Lister和Long Evans等種系大鼠,一些研究報(bào)道藥物、應(yīng)激和腦區(qū)損毀等處理影響AST不同認(rèn)知功能(Bondi,et al.,2008; Chen et al.,2004; McAlonan & Brown,2003)。盡管缺乏與本研究的直接關(guān)聯(lián),上述研究中對照組動(dòng)物的結(jié)果也發(fā)現(xiàn) AST不同認(rèn)知成分間具有類似的相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)關(guān)系。神經(jīng)解剖和藥物學(xué)研究證實(shí)不同類型的學(xué)習(xí)分別由不同腦區(qū)和神經(jīng)通路介導(dǎo)。例如內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)特異性介導(dǎo) EDS階段學(xué)習(xí)(Burnham et al.,2010; Floresco et al,2008),眶額葉皮質(zhì)及其皮層下腦區(qū)背外側(cè)紋狀體完整神經(jīng)通路特異性介導(dǎo) RL階段學(xué)習(xí)(McAlonan & Brown,2003)。SD和CD階段的簡單關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)主要由皮層下腦區(qū)紋狀體和基底神經(jīng)結(jié)參與介導(dǎo)(Robbins &Arnsten,2009)。嚙齒類動(dòng)物類似的神經(jīng)發(fā)育結(jié)構(gòu)特征可能是導(dǎo)致認(rèn)知結(jié)構(gòu)模式具有相對穩(wěn)定性的生理基礎(chǔ)。

4.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種系差異對AST的影響

本研究采用兩種檢測程序都發(fā)現(xiàn)SD和Wistar大鼠在AST測試中的認(rèn)知表現(xiàn)存在差異,Wistar大鼠的總體認(rèn)知表現(xiàn),尤其是逆反學(xué)習(xí)階段的成績明顯優(yōu)于SD大鼠。以往研究報(bào)道這兩個(gè)種系大鼠的認(rèn)知功能存在差異。例如,在Morris水迷宮測試中SD大鼠在限定時(shí)間內(nèi)找到站臺(tái)所需的水平游動(dòng)距離顯著大于Wistar大鼠(Harker & Whishaw,2002;Van der Borght et al.,2005),提示二者海馬依賴的空間認(rèn)知能力存在差異。本研究結(jié)果表明它們在前額葉介導(dǎo)的習(xí)得策略調(diào)整和轉(zhuǎn)換能力上也存在明顯差異。另外,七階段檢測程序包括3次逆反學(xué)習(xí)訓(xùn)練。本研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)種系大鼠,尤其是Wistar大鼠在第二次和第三次逆反學(xué)習(xí)的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和達(dá)標(biāo)錯(cuò)誤反應(yīng)率較第一次逆反學(xué)習(xí)均明顯而穩(wěn)定的降低,也提示W(wǎng)istar大鼠表現(xiàn)出更好地對重復(fù)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的遷移效應(yīng)。與此一致,采用類似檢測程序Bondi等也發(fā)現(xiàn)SD大鼠在第一次逆反學(xué)習(xí)階段的表現(xiàn)與隨后的兩次相比較差(Bondi et al.,2010)。

造成上述認(rèn)知靈活性種系差異的原因目前尚不清楚,相關(guān)研究提示這兩個(gè)種系大鼠行為和前額葉功能差異的潛在影響。首先,Andrews等發(fā)現(xiàn)在新穎物體探索測試中 Wistar大鼠對于放置在測試箱中的新穎物體的接觸時(shí)間明顯長于 SD大鼠(Andrews et al.,1995),提示W(wǎng)istar大鼠對新穎物體更強(qiáng)的探索能力?？紤]到在 AST測試不同階段大鼠不斷接觸到新的介質(zhì)或氣味刺激,因此對新穎刺激較強(qiáng)的探索能力有利于大鼠的學(xué)習(xí)過程,這可能部分解釋了Wistar大鼠在AST中更好的整體認(rèn)知表現(xiàn)。其次,在AST測試中大鼠需要學(xué)會(huì)在不同維度(如嗅覺、視覺、觸覺等)的幾對刺激中辨別與獎(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián)的正性刺激線索,并建立與之相應(yīng)的策略尋找獎(jiǎng)賞物。在多信號(hào)系統(tǒng)中確定與獎(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián)的正性刺激線索受選擇性注意過程影響。本研究數(shù)據(jù)表明 SD和 Wistar大鼠的潛伏期存在明顯差異。Wistar大鼠的潛伏期表現(xiàn)出明顯的階段性特點(diǎn),在第一個(gè)階段—SD階段的潛伏期最長,隨著檢測進(jìn)行平均潛伏期穩(wěn)定而快速減少,后檢測的 RL1,RL2和EDS階段的潛伏期明顯低于SD階段,提示W(wǎng)istar大鼠對測試環(huán)境和其他與獎(jiǎng)賞獲得不相關(guān)的探索行為減少,而與任務(wù)相關(guān)的目的性行為明顯增加。與此不同,SD大鼠則未能觀察到上述階段性目的行為學(xué)習(xí)變化過程,提示二者的目標(biāo)選擇性注意過程可能存在差異。另一方面,SD大鼠在AST各階段的潛伏期與Wistar大鼠相比更短(尤其在SD階段有顯著差異),而其認(rèn)知表現(xiàn)相對較差(尤其在RL階段有顯著差異),二者行動(dòng)速度和認(rèn)知成績相反的表現(xiàn)提示SD大鼠較差的認(rèn)知表現(xiàn)并非是由于缺乏獎(jiǎng)賞獲得動(dòng)機(jī)造成的。第三,已有研究證實(shí)逆反學(xué)習(xí)過程需要眶額葉皮質(zhì)參與(Durstewitz et al.,2010; Rogers,Andrews,Grasby,Brooks,& Robbins,2000),眶額葉結(jié)構(gòu)或功能異常特異性損害逆反學(xué)習(xí)能力(Lapiz-Bluhm,et al.,2008; McAlonan &Brown,2003)。SD和Wistar大鼠在眶額葉皮質(zhì)參與的沖動(dòng)行為(Brimberg,Flaisher-Grinberg,Schilman,& Joel,2007)和刺激條件下的皮層反應(yīng)(Fuzik et al.,2013) 存在差異。在AST測試中,尤其是逆反學(xué)習(xí)階段SD和Wistar大鼠的前額葉皮質(zhì)激活是否存在差異還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)。

4.3 小結(jié)

本研究結(jié)果表明Wistar大鼠和SD大鼠前額葉認(rèn)知靈活性存在種系差異,但不同認(rèn)知成分間的反應(yīng)模式不受種系和檢測程序差異的影響,具有穩(wěn)定的表面效度,均可作為研究認(rèn)知轉(zhuǎn)換靈活性及其障礙神經(jīng)分子機(jī)理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。另一方?考慮到AST是一項(xiàng)耗時(shí)和耗力的測試任務(wù),采用Wistar種系大鼠的五階段 AST測試更具操作便利性。上述發(fā)現(xiàn)為相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)程序的選擇提供了行為學(xué)依據(jù),擴(kuò)展了對AST模型的認(rèn)識(shí)。

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