李 舸，劉曉霖，陳 銳，劉書華，李韻峰，關(guān)雅倫，李雪嬌，裴 中，黃 韌，張 鈺*

(1.廣東省實(shí)驗(yàn)動物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省實(shí)驗(yàn)動物監(jiān)測所，廣州 510663； 2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)科，廣州 510080)

研究報告

非人靈長類評價學(xué)習(xí)記憶功能的影響因素探討

李 舸1，劉曉霖1，陳 銳1，劉書華1，李韻峰1，關(guān)雅倫1，李雪嬌1，裴 中2，黃 韌1，張 鈺1*

(1.廣東省實(shí)驗(yàn)動物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省實(shí)驗(yàn)動物監(jiān)測所，廣州 510663； 2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)科，廣州 510080)

目的基于威斯康辛通用測試儀的延遲應(yīng)答測試是評價非人靈長類學(xué)習(xí)記憶能力的常用方法，該實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過程中受到很多因素影響，如何設(shè)定規(guī)范的訓(xùn)練和評價參數(shù)，對正確評價猴的學(xué)習(xí)記憶能力具有重要的參考意義和價值。方法本研究選取8～9歲雄性食蟹猴作為實(shí)驗(yàn)研究對象，利用改良的威斯康辛通用測試儀檢測，通過食蟹猴獲取食物的正確率來評價訓(xùn)練次數(shù)，評價頻率，間隔評價時間，延遲時間和陷阱食盒數(shù)量等實(shí)驗(yàn)因素對結(jié)果的影響。結(jié)果當(dāng)減少訓(xùn)練階段的訓(xùn)練次數(shù)(小于10次)時，食蟹猴獲取食物的正確率不穩(wěn)定且呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢；在獲得足夠訓(xùn)練的前提下，評價頻率對食蟹猴獲取食物的正確率影響較?。怀Ｒ?guī)訓(xùn)練后3個月進(jìn)行評價，食蟹猴仍然能夠獲得65%的獲取食物正確率；增加延遲時間后，會導(dǎo)致部分食蟹猴獲取食物的正確率顯著降低；此外，當(dāng)增加到3個以上陷阱食盒時，導(dǎo)致食蟹猴獲取食物正確率普遍低于65%以下。結(jié)論合理的設(shè)置訓(xùn)練和評價階段的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對非人靈長類學(xué)習(xí)記憶功能的評價具有重要的影響和意義。

非人靈長類；學(xué)習(xí)記憶；訓(xùn)練；評價

非人靈長類動物學(xué)習(xí)記憶測試是評價動物學(xué)習(xí)和記憶能力的重要方法之一，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)生物學(xué)、神經(jīng)疾病研究、神經(jīng)相關(guān)治療藥物評價等。其中，基于上世紀(jì)30年代Harlow發(fā)明的威斯康辛通用測試儀(Wisconsin general testing apparatus，WGTA)的延遲應(yīng)答測試被認(rèn)為是評價非人靈長類學(xué)習(xí)記憶能力的常用方法，一直沿用至今[1]。在實(shí)驗(yàn)過程中，在測試儀器內(nèi)設(shè)立多個陷阱食盒，并在其中一個陷阱食盒中放置獎勵性食物，在一定時間內(nèi)阻隔動物觀察陷阱食盒后，考察動物獲取獎勵食物的正確率，進(jìn)而評價動物的學(xué)習(xí)記憶能力。

該測試包括訓(xùn)練和測試兩個階段，其中，訓(xùn)練階段主要是通過反復(fù)引導(dǎo)動物學(xué)習(xí)熟悉測試過程，降低非人靈長類動物個體的學(xué)習(xí)記憶能力差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，一般訓(xùn)練階段設(shè)立2個陷阱食盒，通過設(shè)定一定延遲時間阻隔動物觀察陷阱食盒，然后讓動物自由選擇，如果選擇了具有食物獎勵的應(yīng)答位置，則被認(rèn)為是正確應(yīng)答，計(jì)算動物在該延遲時間下的正確應(yīng)答率，從而評價其學(xué)習(xí)能力[2]。而測試階段則通過設(shè)定合理的延遲時間或者增加陷阱食盒數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對動物學(xué)習(xí)記憶能力的綜合評價[3]。因此，本文將主要針對訓(xùn)練和評價階段測試參數(shù)設(shè)置開展研究，規(guī)范非人靈長類實(shí)驗(yàn)動物學(xué)習(xí)記憶評價實(shí)驗(yàn)操作。

1 材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)動物

普通級8～9歲雄性食蟹猴14只，購買自廣東春盛生物科技發(fā)展有限公司[SCXK (粵) 2014-0027]。食蟹猴飼養(yǎng)于廣東省實(shí)驗(yàn)動物監(jiān)測所普通級動物實(shí)驗(yàn)室 [12 h/12 h晝夜周期，濕度40%～70%，溫度(21±2)℃] [SYXK (粵) 2016-0122]，動物每天飼喂2次，其中1次飼喂水果。本研究所涉及的動物實(shí)驗(yàn)獲得廣東省實(shí)驗(yàn)動物監(jiān)測所(AAALAC認(rèn)證機(jī)構(gòu))實(shí)驗(yàn)動物使用與管理委員會(IACUC)批準(zhǔn)(IACUC2016006)，并符合中華人民共和國《實(shí)驗(yàn)動物管理?xiàng)l例》。

1.2儀器

猴學(xué)習(xí)記憶學(xué)習(xí)評價設(shè)備為在參考WGTA行為學(xué)測試籠具基礎(chǔ)改裝而成(圖1)。猴籠前放置多個陷阱食盒，食盒深度2 cm，在食盒與猴籠之間有一可以自由升降的不透明隔板，食盒與實(shí)驗(yàn)員之間有一單向可視觀察窗。實(shí)驗(yàn)開始時，實(shí)驗(yàn)員打開食物傳遞窗，根據(jù)每只食蟹猴對食物的喜好，在其面前將食物隨機(jī)放在其中一個食盒內(nèi)，蓋上盒蓋并迅速放下隔板，開始計(jì)時，在設(shè)定的延遲時間到達(dá)之后，升起隔板，讓食蟹猴可以看見被蓋上的食盒，食蟹猴可以選擇一個食盒打開并從中獲得食物，實(shí)驗(yàn)員記錄該次測試中食蟹猴是否正確選擇含有食物的食盒。

注：① 猴籠；② 食盒；③ 隔板；④ 觀察窗；⑤ 食物傳遞窗。圖1 猴學(xué)習(xí)記憶評價裝置Note. ① Monkey cage; ② Stimulus trays; ③ Partition; ④ Window for observation; ⑤ Window for food delivery.Fig.1 The testing apparatus for evaluation of learning and memory ability of nonhuman primates

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力訓(xùn)練和評價方法

每只食蟹猴必須由同一個實(shí)驗(yàn)員負(fù)責(zé)進(jìn)行訓(xùn)練，以減少動物的應(yīng)激反應(yīng)。每只食蟹猴每天完成一個訓(xùn)練周期，每個訓(xùn)練周期由5個不同的延遲時間(A～E)組成，包括，A=N × 0=0 s，B=N × 1=1 N s，C=N × 2=2 N s，D=N × 3=3 N s，E=N × 4=4 N s，N為設(shè)定的基礎(chǔ)值，以基礎(chǔ)值設(shè)定為1為例，表示隔板在動物與食盒之間的延遲時間為0 s、1 s、2 s、3 s、4 s。每個延遲時間均進(jìn)行5次訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，因此，每個訓(xùn)練周期共計(jì)進(jìn)行25次訓(xùn)練。當(dāng)天一個訓(xùn)練周期結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)該食蟹猴在該訓(xùn)練周期25次訓(xùn)練中選擇正確食盒的平均正確率，訓(xùn)練階段選擇食盒的平均正確率=訓(xùn)練階段每天選擇食盒的平均正確率之和/評價持續(xù)天數(shù)[4， 5]。

訓(xùn)練階段完成后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)入學(xué)習(xí)記憶評價階段。評價階段的基礎(chǔ)值N根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇，一般要求≥訓(xùn)練階段的最高N值。與訓(xùn)練階段相似，評價階段每只食蟹猴每天完成一個訓(xùn)練周期，持續(xù)評價數(shù)天，或者增加陷阱盒用同樣方法評價。

注：與訓(xùn)練階段比較，*P< 0.05，**P< 0.01。圖2 A組食蟹猴訓(xùn)練階段與評價階段的正確率比較Note. Compared with the training stage,*P< 0.05,**P< 0.01.Fig.2 Comparison of the correct rates between the training and evaluation stages of cynomolgus macaques in Group A

1.3.2 訓(xùn)練次數(shù)對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力評價的影響

訓(xùn)練階段14只雄性食蟹猴被分為2組，其中A組8只動物(動物編號：M232，M236，M237，M231，M235，M238，M230，M239)每天均完成一個訓(xùn)練周期，連續(xù)訓(xùn)練20 d，儀器內(nèi)設(shè)置2個陷阱食盒，從基礎(chǔ)值N=1(延遲時間為0 s，1 s，2 s，3 s，4 s)開始訓(xùn)練，當(dāng)正確率達(dá)到65%以上，以基礎(chǔ)值N為2進(jìn)行訓(xùn)練，以此類推，直至基礎(chǔ)值N設(shè)定為4，并維持該基礎(chǔ)值直至20 d訓(xùn)練結(jié)束。訓(xùn)練結(jié)束后2個月，以基礎(chǔ)值N=4進(jìn)行評價，連續(xù)評價10 d，每天完成一個評價周期，對比訓(xùn)練與評價階段的正確率差異。

B組6只動物(動物編號：M267，M269，M268，M270，M271，M233)每天均完成一個訓(xùn)練周期，連續(xù)少于或等于10 d，儀器內(nèi)設(shè)置2個陷阱食盒，只以基礎(chǔ)值N=1(延遲時間為0 s，1 s，2 s，3 s，4 s)進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后2個月，以基礎(chǔ)值N=4進(jìn)行評價，連續(xù)評價10 d，每天完成一個評價周期，對比評價訓(xùn)練與評價階段的正確率差異。

1.3.3 評價頻率對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力評價的影響

A組2只食蟹猴(M230，M239)分別在間隔1周和間隔2周后，以基礎(chǔ)值N=4開展評價，探討不同時間間隔對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力的影響。

1.3.4 長時間間隔后對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力評價的影響

A組2只食蟹猴(M230，M239)在訓(xùn)練結(jié)束后間隔3個月，以基礎(chǔ)值N=4開展評價，探討長時間遺忘對評價記憶能力的影響。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1訓(xùn)練次數(shù)對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶評價的影響

A組8只食蟹猴在訓(xùn)練20次后均能在基礎(chǔ)值N設(shè)定為4時(延遲時間0 s，4 s，8 s，12 s，16 s)，選擇具有食物獎勵的陷阱食盒的正確率達(dá)到65%以上(圖2)。間隔2個月后，以基礎(chǔ)值N為4開展評價發(fā)現(xiàn)，除編號為M231的食蟹猴外，其余食蟹猴在評價階段的平均正確率與訓(xùn)練階段相比均出現(xiàn)上升趨勢，其中編號為M236和M237的食蟹猴正確率顯著升高(P< 0.01)(圖2)。

B組6只食蟹猴訓(xùn)練次數(shù)小于10次，并且訓(xùn)練階段基礎(chǔ)值N僅采用1(延遲時間0 s，1 s，2 s，3 s，4 s)，間隔2個月后，以基礎(chǔ)值N為4開展評價發(fā)現(xiàn)，除編號為M269的食蟹猴平均正確率基本與訓(xùn)練階段保持一致外，其它5只食蟹猴的平均正確率都出現(xiàn)顯著降低(P< 0.05)(圖3)，此外，編號為M233的食蟹猴已無法完成記憶評價試驗(yàn)。

2.2評價頻率對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力試驗(yàn)的影響

編號為M230和M239的食蟹猴分別采用每天評價一次，每周評價一次以及每兩周評價一次的評價頻率開展學(xué)習(xí)記憶能力評價，結(jié)果表明，分別選用3種評價頻率開展評價，2只食蟹猴的正確率均能保持在65%以上，但編號為M239的食蟹猴延長評價頻率開展評價導(dǎo)致正確率出現(xiàn)顯著降低(P< 0.05)(圖4)。

2.3食蟹猴訓(xùn)練后對學(xué)習(xí)記憶遺忘的影響

編號為M230和M239的食蟹猴，間隔3個月通過增加基礎(chǔ)值N或增加陷阱盒對學(xué)習(xí)記憶能力進(jìn)行評價。結(jié)果表明，間隔3個月，當(dāng)以基礎(chǔ)值N為4(延遲時間為0 s，4 s，8 s，12 s，16 s)進(jìn)行記憶評價時，2只食蟹猴獲取獎勵性食物的平均正確率仍然維持在65%以上，而以基礎(chǔ)值N為10(延遲時間為0 s，10 s，20 s，30 s，40 s)進(jìn)行評價時，編號為M230的食蟹猴還能維持較好的平均正確率，但編號為M239的食蟹猴平均正確率顯著下降(P< 0.01)(圖5)。而在增加陷阱食盒的測試中，無論是增加到3個還是4個，2只食蟹猴的平均正確率都達(dá)不到65%(圖6)。

注：A:訓(xùn)練階段；B：間隔3個月N=4；C：間隔3個月N=10。與訓(xùn)練階段比較，**P< 0.01。圖5 增加基礎(chǔ)值N對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力評價的影響Note. A：The training stage;B:3-month interval，N=4;C:3-month interval,N=10.Compared with the training stage,**P< 0.01.Fig.5 Effect of increase of N value on evaluation of learning and memory ability of the cynomolgus macaques

注：A:3個陷阱食盒；B：4個陷阱食盒。圖6 增加陷阱食盒對食蟹猴學(xué)習(xí)記憶能力評價的影響Note:A:3 trays;B:4 trays.Fig.6 Effect of increase of quantity of stimulus trays on the evaluation of learning and memory ability of cynomolgus macaques

3 討論

當(dāng)動物在做出某一正確行為后并獲得獎勵，大腦向負(fù)責(zé)決策的區(qū)域發(fā)送“獎賞”信號，從而促進(jìn)動物的認(rèn)知能力提升，形成良性循環(huán)，這被稱作“獎賞效應(yīng)”[6]。大腦的這一特點(diǎn)也為在動物上開展學(xué)習(xí)記憶能力評價成為可能[7]。由于非人靈長類實(shí)驗(yàn)動物個體在學(xué)習(xí)記憶能力上差異較大，因此，相比于使用在嚙齒類上進(jìn)行的各類標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)習(xí)記憶功能評價實(shí)驗(yàn)，利用非人靈長類開展學(xué)習(xí)記憶評價過程更為復(fù)雜且難度較大。

威斯康辛通用測試儀是進(jìn)行非人靈長類動物學(xué)習(xí)記憶測試的金標(biāo)準(zhǔn)，訓(xùn)練是有效降低不同動物個體差異影響評價結(jié)果的重要手段，該階段主要是使動物熟悉和適應(yīng)測試環(huán)境和設(shè)備，使不同的動物通過訓(xùn)練后能夠達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，降低動物個體差異對評價測試的影響，考察動物的學(xué)習(xí)能力[8]。因此，合理的訓(xùn)練不僅能夠減少動物個體差異對實(shí)驗(yàn)的影響，同時，能夠有效地控制實(shí)驗(yàn)周期降低實(shí)驗(yàn)成本。因此，在本研究中，我們首先考察了訓(xùn)練次數(shù)對動物學(xué)習(xí)記憶評價的影響，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)訓(xùn)練階段的訓(xùn)練天數(shù)超過10 d時，即能夠使動物在間隔2個月后進(jìn)行的評價中達(dá)到較好正確率，當(dāng)訓(xùn)練階段訓(xùn)練天數(shù)低于10 d時，即使所有動物在訓(xùn)練階段能夠達(dá)到預(yù)設(shè)的65%以上的正確率，但動物在評價階段的正確率均出現(xiàn)不同程度的下降，甚至有的動物根本無法完成評價，這表明較少的訓(xùn)練天數(shù)對最終的評價結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，10 d訓(xùn)練可能是保證動物能夠完成學(xué)習(xí)記憶能力評價的最低要求。

評價階段主要是對動物記憶能力的考察，我們發(fā)現(xiàn)，評價頻率對整個實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小，但是選擇合理基礎(chǔ)值N設(shè)置延遲時間是獲得客觀穩(wěn)定的評價結(jié)果的關(guān)鍵因素，理論上在評價階段N值可以隨意設(shè)置，而在近年來的一些研究中，我們也發(fā)現(xiàn)不同的研究對于N值的選取存在較大差異[9-11]。在研究中我們發(fā)現(xiàn)，不同的食蟹猴在訓(xùn)練階段達(dá)到規(guī)定的正確率后，間隔3個月進(jìn)入評價階段，在選擇與訓(xùn)練階段相同基礎(chǔ)值N(延遲時間相同)下，食蟹猴選擇食盒的正確率并未受到影響，但當(dāng)評價階段基礎(chǔ)值N增加(延遲時間增加)到10時，不同的食蟹猴選擇食盒的正確率呈現(xiàn)出較大差異，因此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合理的基礎(chǔ)值N對于評價結(jié)果至關(guān)重要。

在非人靈長類動物學(xué)習(xí)記憶能力評價中，目前大多數(shù)測試仍然是通過改變評價階段的延遲時間獲得評價結(jié)果，在本研究中，我們進(jìn)一步探討了訓(xùn)練與評價之間的間隔時間以及食盒數(shù)量設(shè)置對影響非人靈長類動物學(xué)習(xí)記憶評價的影響。在保證足夠的訓(xùn)練，并且在評價階段設(shè)置與訓(xùn)練階段相同的延遲時間的前提下，我們發(fā)現(xiàn)，將訓(xùn)練與評價之間的間隔時間增加到3個月時，仍然能夠?qū)游镞x擇食盒的正確率維持在65%以上，但是，當(dāng)我們在評價階段將陷阱食盒數(shù)量增加后，卻明顯地降低了所有動物選擇食盒的正確率，這種普遍性地降低可能主要是由于動物本身的學(xué)習(xí)記憶能力相關(guān)，并非動物個體差異造成，因此，增加陷阱食盒的方式可能并不適用于動物的學(xué)習(xí)記憶功能評價。

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Investigationofinfluencingfactorsontheevaluationoflearningandmemoryinnonhumanprimates

LI Ge1， LIU Xiao-lin1， CHEN Rui1， LIU Shu-hua1， LI Yun-feng1， GUAN Ya-lun1， LI Xue-jiao1， PEI Zhong2， HUANG Ren1， ZHANG Yu1 *

(1.Key Laboratory of Laboratory Animals in Guangdong Province, Institute of Laboratory Animal Monitoring in Guangdong Province, Guangzhou 510663, China； 2.Department of Neurology, The First Hospital Affiliated to SunYat-sen University, Guangzhou 510080)

ObjectiveThe delayed-response task based on the Wisconsin General Testing Apparatus (WGTA) is commonly used to evaluate the ability of learning and memory in nonhuman primates. Because the task may be influenced by a number of factors, how to set and standardize the parameters during the training and evaluation stage is of great significance and value for obtaining appropriate results of learning and memory ability.MethodsIn this study, 8～9 years old male cynomolgus macaques (Macacafascicularis) were tested with the modified WGTA. We evaluated the influence of experimental factors such as the times of training, frequency of evaluation, interval time of evaluation, delayed time and number of stimulus trays on the results of learning and memory ability in the macaques by investigating the correct rates of food acquiring.ResultsThe correct rate of food acquiring of the cynomolgus macaques was unstable and significantly decreased when the times of training was less than 10 during the training stage. The frequency of evaluation had less effect on the correct rate on the basis of enough training. The correct rate of food acquiring was still above 65% with a 3-month interval after training. However, the increase of delayed time led to significant decrease of the correct rate in some macaques. In addtion, more than 3 stimulus trays also resulted in a low correct rate in general less than 65%.ConclusionsReasonable designing of the experimental parameters during the training and evaluation stage is important for determining the learning and memory ability in nonhuman primates.

Nonhuman primates; Learning and memory; Training; Evaluation

R-33

A

1671-7856(2017) 09-0024-06

10.3969.j.issn.1671-7856. 2017.09.005

2017-06-29

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2014B040404053，2015A020212027)。

李舸(1983-)，男，博士，研究方向：神經(jīng)退行性疾病動物模型及機(jī)制研究。E-mail: gonanlee@gdlami.com

張鈺(1970-)，女，研究員，研究方向：神經(jīng)退行性疾病動物模型及機(jī)制研究。E-mail: zhy@gdlami.com