脑声小店基于深度科研洞察，专注为动物实验提供"简器械·精实验"解决方案。我们突破高精设备局限，开发手工定制化仪器及配件，通过科研巧思将基础工具转化为创新实验方案。产品涵盖行为学装置、操作辅助工具等，使实验室在保持操作简效的同时，实现精细化数据采集，助力科研人员以创造性思维发掘简易仪器的潜在科研价值。

行为学箱本体规格为38cmｘ18cmｘ20cm的长方体空间，箱壁由4块厚度为4mm的亚克力板构成，除一块长箱壁为透明以外均为黑色。箱底由21根直径2mm的铝合金棒并排而成，两根铝合金棒之间留有足够空间以防止小鼠粪便堆积。透明箱壁外10cm处放置一块17英寸LCD显示器，平均亮度40cd／m2，刷新率60Hz。行为学箱架高以保证箱底和屏幕下边缘处于同一高度。箱内由两块9cmｘ2mmｘ18cm的黑色亚克力板隔为三室。中央为起始室（起始室），左右为选择室（选择室）。在每室中央位置的透明壁上距箱底2.5cm高处均开有直径2cm的圆孔，两个选择室的圆孔中各固定一根用于供水的鼠用灌胃针，起始室的圆孔用以使小鼠将鼻尖伸入来触发单次实验，圆孔上方箱壁设置有LED作为引导小鼠触发的线索。每个圆孔两侧装有红外LED激光对射开关用来识别小鼠在每次实验中的起始触发和奖赏获取触发行为。每组开关由一个发射器（白色）和接收器（黑色）组成，并于相连接的电线一起用3D打印树脂模具固定于透明箱壁内侧。红外LED光路与箱壁圆孔圆心高度齐平。在红外LED光路未受阻挡时，接收器一端输出高电平，反之输出低电平。该设备通过左右两块电路板控制两个微型蠕动泵（直流电驱动，额定电压24V），当小鼠触发任务奖赏时，I/O设备输出高电平到电路板，电路板输出24V电压驱动蠕动泵经硅胶软管向左右选择室之一供水。

行为学箱结构示意简图

小鼠简化爱荷华博弈决策实验

饮水限制阶段：

由于本实验向小鼠提供的奖赏是饮水，因此行为学训练开始前48小时，移除小鼠饮水，使小鼠在实验开始前进入干渴状态，为小鼠完成实验提供动力。实验过程中，饮水原则上只能通过任务奖赏获得。在实验期间，小鼠食物供给维持正常。每天，均进行小鼠体重的测量记录，以监控其健康情况。实验中的饮水奖赏控制在（全部完成的情况下）1 ml／天左右，此水量能基本维持小鼠体重恒定。若小鼠体重在实验过程中下降到饮水限制前的80％以下，将给予小鼠适量的补充饮水。

自由探索（free drinking）阶段：

饮水限制48小时后，小鼠将被置于行为学箱中进行自由探索。行为学箱经由基于Matlab的脚本设置为不需小鼠在起始室触发。饮水奖赏于左右选择室严格交替供给。行为学箱前的屏幕始终为灰屏。此阶段的目的在于使小鼠了解在两侧选择室可以通过靠近灌胃针获得饮水，并促使小鼠保持在行为学箱内的活动，同时尽量避免小鼠形成对其中一侧选择室的偏好。该阶段实验每天进行1组（session），每组包含100次实验（trial）。大多数小鼠可以在2-3天内达到30分钟内完成1组的目标。3天后，自由探索阶段结束。

触发-单侧饮水（center to left／center to right）阶段：

在小鼠学会从两侧选择室获取饮水之后，将行为学箱驱动脚本设置为需要小鼠于起始室触发每次实验，并从其中一侧选择室获取饮水奖赏。能够获取饮水奖赏的选择室每天之内保持固定，且与前一天相反（按照左-右-左-右的顺序）。行为学箱前的屏幕始终为灰屏。起始室的LED将在小鼠触发实验后熄灭，获取饮水奖赏后亮起。此阶段，当日无饮水奖赏的选择室将被一块黑色亚克力板完全隔断，小鼠将只能在其他两个室内活动。对于每次实验，触发后设置有20秒的应答时间。若在此时间内小鼠未前往选择室获取奖赏，该次实验记为超时（miss），不计入总实验数，并对小鼠播放0.5秒的8000Hz白噪音作为惩罚。此阶段的目的在于使小鼠学会在起始室中触发单次实验之后再前往选择室获取饮水奖赏，通过隔断一侧选择室以降低学习难度，每天更换隔断侧以尽量避免小鼠在此阶段形成对其中一侧选择室的偏好。本阶段每天进行1组，每组包含100次有效实验。正常小鼠一般能够在4-6天（center to left和center to right各2-3次）之内达到30分钟内完成1组的目标。若小鼠在6天后未能完成此阶段目标，将被剔除出本实验。

偏好检测阶段：

在小鼠学会从起始室触发单次实验之后，去除行为学箱中的隔板，并将行为学箱驱动脚本设置为小鼠可以在每次实验触发之后完全自由地选择一侧选择室获取饮水奖励。每个选择室的奖赏几率均为100％，单次给水量为10？l。行为学箱前的屏幕将在小鼠触发实验和获取饮水奖赏时，于屏幕底边中央展示不同黑色图案，以便于实验者随后通过行为学录像对小鼠的行为进行手动标记。所展示图案面积较小，以避免扰乱小鼠进行任务。起始室的LED将在小鼠触发实验后熄灭，获取饮水奖赏后亮起。每次实验的应答时间缩短为15秒，超时后本次实验作废，并对小鼠播放白噪音作为惩罚。每次实验后，程序将自动计算并记录小鼠对两侧选择室的偏好指数（preference index＝ttotal／tright，tright为小鼠选择右侧选择室的实验数，ttotal为总实验数）。本阶段每天进行1组，每组包含100次有效实验，并在小鼠的偏好指数连续3天保持相对稳定后结束，一般需要5天左右。

IGT阶段：

获取小鼠对左右选择室的起始偏好之后，通过行为学箱驱动脚本，将小鼠偏好的一侧选择室（定义为博弈室，gambling chamber）奖赏几率设置为0．1，给水量设置为30?l，另一侧选择室（定义为安全室，safe chamber）奖赏几率设置为0．8，给水量10?l。行为学箱前的屏幕将在屏幕底边中央即时显示小面积黑色图案以区别小鼠触发实验，触发奖赏以及触发后无奖赏（空奖赏）三种情境。起始室的LED将在小鼠触发实验后熄灭，获取饮水奖赏后亮起。每个实验的应答时间上限为10秒，超时后当次实验不计入总实验数，并播放白噪声作为惩罚。本阶段每天进行10组，每组包含10次有效实验。程序将自动计算并记录单组内小鼠对博弈室及安全室的偏好指数。小鼠一般能够在5~7天之内学会使获饮水奖赏量期望最高的策略，即将饮水选择局限在安全室。7天后，IGT阶段结束。

反转（reversal）IGT阶段：

对于部分在IGT阶段表现优秀的小鼠，额外增加反转IGT阶段，即将IGT阶段博弈室和安全室的设置颠倒过来，并在之后每一到两天再颠倒一次，迫使小鼠需要经常重新计算饮水奖赏获取的期望，形成新的任务策略，以确定小鼠的确是通过对奖赏期望的估计来调整自己的决策行为的。本阶段的其他设置均和IGT阶段相同，大约持续2周。

本实验过程中，每只小鼠始终保持在同一个行为学箱当中完成任务。在实验当中，经常进行行为学箱的清洁，以避免遗留的粪便、尿液或气味对小鼠完成任务造成影响。

注射250nl的AAV9-CamKII-GCamP6f-mCheiry至mPFC注射位点（A／P：＋1.9mm，m／L：＋0.3mm，D／V：-1.7mm），注射速度为20nl／min。注射完成后等待5~10分钟以使病毒溶液充分扩散，确定无漏液后，退出注射针，缝合头皮，切断麻醉气体，将小鼠置于恒温环境下的鼠笼中，并保持对小鼠恢复情况的观察。手术后，大约等待2-3周以使GCamP6病毒广泛表达，即可进行钙信号采集。

钙信号采集

采集钙信号之前，首先将微型显微镜的CMOS芯片通过配套数据传输线连接到数据采集控制器上。在微型显微镜物镜端螺纹上缠绕适量生料带，以增强微型显微镜与固定基座之间的连接紧密程度，并保护螺纹不受磨损。在数据传输线上的适当位置用足够长的线固定一个氦气球，以减轻显微镜对小鼠头部的压力。取下小鼠头上微型显微镜固定基座的保护盖，小心地将微型显微镜旋入固定基座，同时通过数据采集控制器配套软件打开显微镜上的LED，开启视频流传输以监控视野中的荧光信号，直到将微型显微镜旋至最佳成像位置后，记录该位置，旋紧固定基座上的螺丝，并采集少量帧数的荧光图像作为后续记录时的参照。将小鼠小心放入行为学箱起始室，待小鼠适应并开始进行任务后，开始采集钙信号。钙信号采样率为10Hz，所采集的直接数据为分辨率400ｘ400 pixels的16 bit灰度．tif格式图片。每釆集6分钟左右（约3600帧）需要暂停采集，以存储之前所采集的数据。每只小鼠每次采集大约需要1-2小时。

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行为学数据处理

小鼠简化IGT实验中，通过基于Matlab环境的行为学箱驱动脚本同步记录各次实验编号，相对时间，小鼠触发后应答时间（response time），小鼠对选择室的选择以及偏好，小鼠累计获取饮水量等。对于每只小鼠，作者使用偏好检测阶段的最后三天偏好指数的平均值作为小鼠对两侧选择室的起始偏好指数。偏好指数取值范围在［0，1］，0代表完全偏好于博弈室，1代表完全偏好于安全室。在IGT阶段，将小鼠在该阶段完成的所有完整实验组看作连续过程，未完成的实验组将被舍弃。在对同组小鼠的行为学数据，如偏好指数和应答时间进行统计学分析时，所有小鼠的数据统一以实验完成最快（实验组数最少）的小鼠的实验组数为基准纳入统计。

参考文献：

  • 中缝背核不同类型神经元在奖赏相关行为中活性的研究[D]. 李毅.北京协和医学院,2016

  • Brevers D, Bechara A, Cleeremans A, Noël X. Iowa Gambling Task (IGT): twenty years after - gambling disorder and IGT. Front Psychol. 2013 Sep 30;4:665.

  • 马骁. 小鼠内侧前额叶皮层神经元在价值决策行为中的编码机制[D].中国科学技术大学,2024.