基于享乐奖励与无线光遗传调控的自由活动小鼠视觉心理物理学范式

《Journal of Neuroscience Methods》：Unrestrained and hedonically motivated mouse psychophysics compatible with wireless optogenetic modulation

　　

摘要专业翻译 头部固定和饮水剥夺常用于小鼠心理物理学实验，但可引发应激反应。研究人员开发的实验装置使自由活动小鼠能够在享乐奖励驱动下完成视觉心理物理学任务。研究发现，该范式的任务学习速度与准确率与头部固定方法相当。自由活动小鼠在享乐奖励下表现出强烈的任务参与度。该方法支持在感知决策过程中进行无线光遗传调控。

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一、研究背景与问题

系统神经科学的核心目标之一是揭示神经活动与行为之间的因果联系。在视觉系统研究中，小鼠因遗传工具的可及性而逐渐成为主要模式动物，这些工具能够实现神经元结构的标记、活性的操控以及单细胞分辨率的监测。然而，要在小鼠上获取高质量的感知数据，需要精细的心理物理学行为范式。传统上，小鼠视觉心理物理学实验多依赖头部固定和饮水剥夺，以维持动物的任务参与度和刺激呈现的稳定性。但这种方法存在显著弊端：头部固定本身是一种急性束缚应激源，而饮水剥夺若持续数周乃至数月，则会造成慢性应激，进而影响动物的生理状态和行为表现，甚至可能干扰神经数据的解读。因此，开发一种既能提供精确刺激控制和高试验通量、又能最大限度降低动物应激的行为学范式，成为该领域亟待解决的方法学问题。

二、研究目的与总体方案

为解决上述问题，研究人员对Burgess等人（2017）及国际脑实验室（International Brain Laboratory）推广的开源两选强迫选择（two-alternative forced-choice, 2AFC）方向盘范式进行了三项关键改造。第一，以享乐性液体奖励替代饮水剥夺作为行为强化手段；第二，设计了一套引导小鼠进入狭窄通道的简易装置，使小鼠在自由活动状态下仍能自然地将头部定位于空间上受限的区域，以稳定观看刺激、操作方向盘并获取奖励，同时保留了动物随时脱离任务的自主权；第三，利用这种高度刻板的头部定位，实现了对植入式LED的无线能量传输，从而在感知决策过程中对初级视觉皮层（primary visual cortex, V1）特定中间神经元亚型进行经颅光遗传调控。研究采用2AFC对比度检测任务，系统评估了任务习得速度、准确率、动物间差异以及光遗传调控对心理物理学表现的影响。

三、主要关键技术方法

研究人员使用了多种转基因小鼠品系，包括SOM-Ai40D、Pvalb-Ai40D和SOM-Ai32，分别实现在生长抑素阳性（somatostatin-expressing, SOM+）或小清蛋白阳性（parvalbumin-expressing, Pvalb+）中间神经元中表达抑制性光敏蛋白Archaerhodopsin-3或兴奋性光敏蛋白Channelrhodopsin-2。行为装置方面，研究基于三块LCD屏幕构成的全景显示系统，配合方向盘和旋转编码器记录选择行为。无线光遗传系统采用电磁感应原理，由发射线圈产生交变磁场，为植入的接收线圈和微LED供电，实现经颅 illumination。所有小鼠在行为测试前均接受手术植入LED照明器，实验遵循加拿大动物保护委员会指南并获得达尔豪斯大学实验动物委员会批准。

四、研究结果

任务学习：代表性小鼠的准确率从初期约45%逐步提升至第27天的约90%。全部12只小鼠均表现出类似的学习轨迹，平均需要22.4天（约3758次试验）达到75%的准确率标准，且无小鼠因未达标而被剔除。试验速率随训练天数增加而提高，且任务学习与试验速率之间存在显著正相关（r=0.623, p=2.66×10^-94），表明小鼠在熟悉任务结构后，会以更高的准确率和速度追求享乐奖励。训练完成后的心理物理学函数呈经典S形曲线，其形态参数（中点、失误率、宽度）与头部固定方法报道的结果相当。

任务参与度：尽管小鼠在装置内自由活动，但行为数据显示其任务参与度极高。在总计142694次试验中，约62%的试验中动物在闭环阶段超过90%的时间保持与方向盘的接触，约56%的试验中接触时间达到95%-100%。试验时长分布呈严重左偏，中位数为0.657秒，仅5.56%的试验超过10秒。这表明小鼠在获得自由活动权限后，仍能保持快速、持续的任务投入。

光遗传调控：激活左侧半球SOM+中间神经元导致对侧刺激的检测表现下降，具体表现为对右侧刺激的失误率显著增加，而对左侧刺激的失误率和选择偏向影响较小。该效应在5天分组的连续数据分析中表现稳定。此外，离体测量显示，光通过颅骨的透射率随波长变化：长波长透射差异最小，中波长居中，短波长差异最大且变异性最高。混合模型方差分析确认了颅骨减薄和波长的显著主效应。

五、讨论与结论

该研究成功开发了一种适用于自由活动小鼠的2AFC对比度检测范式，通过享乐奖励和精巧的装置设计，在无需头部固定和饮水剥夺的条件下，实现了与头部固定方法相当的任务习得速度、准确率和动物间变异性。无线光遗传调控的结果与既往使用头部固定和颅骨钻孔直接照射皮层的研究一致，验证了该非侵入性方法在功能调控上的有效性。该范式不仅降低了实验动物的应激水平，简化了实验流程，还为无法进行电生理或成像记录的研究提供了更符合动物福利的行为学工具。研究结论表明，自由活动、享乐奖励驱动的心理物理学范式与无线光遗传技术相结合，为研究感知决策的神经机制提供了一种更具伦理优势且可行的实验途径。