大鼠注意定勢轉移任務模型的深入研究：種系和檢測程序的影響*

2014-02-05 06:16:14原三娜羅曉敏王瑋文

心理學報 2014年12期

原三娜羅曉敏張帆邵楓王瑋文

(1中國科學院心理健康重點實驗室,中國科學院心理研究所,北京 100101)(2中國科學院大學,北京 100039) (3北京大學心理系,北京 100871)

1 前言

注意定勢轉移任務(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物前額葉介導的認知靈活性(Brown &Bowman,2002)。認知靈活性是指個體能夠覺察環(huán)境變化,并能根據環(huán)境變化的要求調整行動策略以完成目的行為的過程,是個體適應動態(tài)環(huán)境變化的認知基礎。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知靈活性損傷。固著性認知和情感偏誤還被認為是造成抑郁癥和焦慮癥的重要病因學因素之一(Beck,2008)。近年來,AST模型越來越多的應用于認知靈活性及其損害所導致的精神疾病認知障礙的神經機理研究(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驗動物種系存在差異,研究結果也不一致(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,并為模型的合理選擇提供行為學依據。

AST測試的基本過程是訓練動物在不同維度(如嗅覺、視覺、觸覺等)的幾對刺激中辨別與獎賞物相關聯的正性刺激線索,并建立與之相應的策略尋找獎賞物。同時隨著獎賞物和線索關系的轉變調整已習得的策略或建立新的策略(Birrell & Brown,2000)。經典的AST檢測模型采用七階段鑒別學習模式,根據檢測程序依次包括：簡單辨別(Simple Discrimination,SD)、復雜辨別(Compound Discrimination,CD)、第一次逆反學習(Reversal Learning 1,RL1)、內維度轉換(Intra-Dimensional shift,IDS)、第二次逆反學習(Reversal Learning 2,RL2)、外維度轉換(Extra-Dimensional shift,EDS)和第三次逆反學習(Reversal Learning 3,RL3)七個階段(Brown &Bowman,2002)。由于每個動物的AST測試過程較長(2～3小時/只)且只能人工實時觀察和記錄動物的行為表現,因此研究者在整個實驗過程中都必須保持高度注意力,測試具有相當的難度。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五個階段?？梢?這兩種 AST檢測程序都包含基本關聯學習能力(規(guī)則形成和分類能力,如SD和CD),已習得問題解決策略的調整和轉換能力(如IDS和RL),以及隨著環(huán)境關系變化抑制舊策略和跨維度建立新的應對策略的能力(如 EDS)五種認知反應,但不同檢測階段間的順序關系和逆反學習次數存在差異。考慮到在AST中除了SD,其它認知成分都包含前期“經驗”的影響及調整過程,可以推測前期“經驗”參數,例如經驗類型和經歷次數,可能影響個體隨后的適應性調節(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,它們是否會對動物認知表現產生影響及其影響程度目前還不清楚。一般來說,AST測試不同階段的認知反應存在一定的結構關系,即簡單和低水平學習任務需要的達標訓練次數和錯誤率通常會低于復雜和高水平學習任務。以五階段AST為例,動物在AST高難度任務階段(如RL和EDS)的達標次數和錯誤率通常高于低難度任務階段(如SD、CD和IDS)。這種差異是重要的實驗證據,表明前期任務使得動物建立了注意定勢,從而導致隨后的認知轉換困難。本研究將通過比較在兩種檢測程序中上述認知反應間結構關系的一致性評價不同檢測過程對認知表現的影響及影響程度。

在AST中RL和EDS是評價認知靈活性的核心指標(Lapiz-Bluhm et al.,2008)。人類、靈長目和嚙齒類動物的比較研究發(fā)現,認知靈活性依賴于前額葉及其相關神經通路的功能(Robbins & Arnsten,2009)。前額葉的結構和功能受遺傳因素和環(huán)境因素的影響。例如人類WSCT中的錯誤反應次數和錯誤率(反映認知固著性的主要指標)具有 37%～46%中等程度的遺傳基礎(Anokhin,Heath,& Ralano,2003)。藥物、應激或腦區(qū)損毀等不同處置差異性影響嚙齒類動物 AST各階段的認知表現 (Bondi,Rodriguez,Gould,Frazer& Morilak,2008; Chen,Baxter,& Rodefer,2004; McAlonan & Brown,2003)。目前嚙齒類動物研究絕大多數采用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)大鼠作為實驗動物。由于研究采用的實驗程序也不一致,種系差異是否影響大鼠AST結果目前尚不清楚。SD和Wistar種系大鼠是目前最廣泛使用的實驗動物。已知這兩類大鼠在某些行為和認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習能力也存在差異(Van der Borght,Wallinga,Luiten,Eggen,Van der Zee,2005)。本研究將比較它們在前額葉介導的認知靈活性方面是否存在差異。

總的來說,注意定勢轉移任務特異性檢測前額葉及其相關神經通路功能,是研究認知靈活性及其障礙神經基礎的重要模型。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的影響,為相關研究實驗動物和實驗程序的選擇提供依據。

2 材料和方法

2.1 動物

成年雄性 Wistar和 SD 大鼠(2～3月齡,體重200～250g)購自軍事醫(yī)學科學院實驗動物中心。所有動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)。實驗前大鼠適應環(huán)境7天,每天接受2～3 min撫摸以避免操作性應激。實驗期間除了AST測試外動物自由攝食飲水。實驗程序獲得中國科學院心理研究所倫理審查委員會批準,并符合國家動物管理和使用規(guī)則。

表1 七階段AST 測試程序

2.2 實驗一：七階段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玻璃制成(長×寬×高為 70 cm × 40 cm × 35 cm)。白色有機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玻璃隔板將測試區(qū)后1/3區(qū)域平分為兩個區(qū)域,每個區(qū)域內均置有可固定陶土罐的底座。每次任務前大鼠處于起始區(qū),拉起隔板使大鼠進入測試區(qū)尋找陶土罐(高6 cm; 直徑7 cm)中的獎賞物(蜂蜜脆果圈,家樂氏公司,美國)。陶土罐中裝有填充物。獎賞物埋在填充物表面下2 cm。

實驗一采用成年雄性Wistar大鼠(

= 13)和SD大鼠(

= 14)。經1周適應期后,進行AST行為測定。從測試前 7天開始限制動物攝食(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,每只大鼠均進行如下3個階段測試。測試在單獨的房間內進行。每次實驗前提前1 h將大鼠放入測試房中進行適應。

第一天為適應期

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

第二天為訓練期:

大鼠在檢測箱中分別進行單一氣味/介質簡單辨別學習。氣味辨別任務使用檸檬和紫檀兩種氣味,填充物辨別任務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賞物相關聯,即始終將獎賞物放在正性線索標記的陶土罐中,每次測試陶土罐的位置隨機放置在測試區(qū)的左側或右側。正確反應為大鼠只挖掘正性線索標記的陶土罐獲得獎賞物且不挖掘負性線索標記的陶土罐。以連續(xù)6次正確反應作為完成訓練標準。

第三天為測試期：

包含7個連續(xù)的,難度不斷增加的任務階段：簡單辨別(Simple Discrimination,SD),復雜辨別(Compound Discrimination,CD),第一次逆反學習(Reversal learning 1,RL1),內維度轉換(Intra-Dimensional shifting,IDS),第二次逆反學習(Reversal learning 2,RL2),外維度轉換(Extra-Dimensional shifting,EDS)和第三次逆反學習(Reversal learning 3,RL3)。各階段任務依次進行。每一階段直到動物達到連續(xù)6次正確反應的標準,然后轉至下一階段任務。每個階段所記錄的指標為：達標訓練次數、錯誤率(錯誤反應次數與達標訓練次數之比)和潛伏期(每次測試時拉起隔板大鼠進入測試區(qū)到出現挖掘行為的時間)。

整個測試程序如表1示例。第一階段為SD階段,兩個陶土罐分別以丁香和肉豆蔻氣味標記,以墊料為填充物。其中一種氣味(如丁香)作為正性線索,獎賞物始終放在此陶土罐中。大鼠學習根據正性線索尋找獎賞物直到達到連續(xù)6次正確反應的標準。第二階段為CD階段,引入非相關維度線索(兩種新的填充物)并與兩種氣味的陶土罐隨機配對呈現,但其正性線索(氣味)與SD任務相同。第三階段為 RL1階段,使用與 CD中相同的氣味和填充物,氣味仍為相關維度,但先前的正性氣味線索變?yōu)樨撔跃€索,而先前的負性氣味線索變?yōu)檎跃€索; 第四階段為IDS階段,氣味仍舊為相關刺激維度,填充物為非相關刺激維度,但此任務中同時更換兩種新的氣味(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任務相同。第五階段為RL2階段,與RL1任務類似,原來在IDS任務中為正性線索的氣味此階段換為負性線索,原來的負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)。同時此任務中填充物由不相關刺激維度變?yōu)橄嚓P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刺激維度。第七階段為 RL3階段,與RL1和RL2 類似,只是EDS任務中正性線索和負性線索互換。為了避免位置和線索偏好,在測試過程中隨機選擇相關維度的配對刺激物中的一個作為正性線索。同時每次任務中陶土罐的位置隨機放置在測試區(qū)的左側或右側。

2.3 實驗二：五階段AST檢測方法

五階段 AST檢測裝置同實驗一,檢測方法參考(Fox et al.,2003)和 Lison (Liston et al.,2006)的研究,由實驗一的程序簡化而成(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,僅包含五個連續(xù)的,難度不斷增加的任務階段,即SD,CD,IDS,RL和EDS。實驗二采用成年雄性Wistar大鼠(

= 7)和SD大鼠(

= 9),實驗過程與實驗一相同,以進一步比較兩種 AST檢測程序結構效度的一致性,以及認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)計分析

所有數據均以均數±標準誤表示。統(tǒng)計分析應用SPSS 13.0軟件完成。AST測試中各階段達標訓練次數、錯誤率及潛伏期指標均采用兩因素(種系×任務階段)重復測量方差分析,LSD事后檢驗分析組間差異。

< 0.05為統(tǒng)計學有顯著差異。

3 結果

3.1 七階段AST認知表現的結構效度和種系差異

3.1.1 達標訓練次數

兩個種系大鼠在測試不同階段達標訓練次數的結果如圖 1所示。兩因素(種系×測試任務階段)重復測量方差分析顯示存在顯著的種系主效應(

(1,25) = 8.66

= 0.007)和測試任務階段主效應(

(6,182) = 12.22

p <

0.001),交互作用（F(6,175) =0.58

= 0.745）不顯著。

圖1 Wistar和SD大鼠在七階段AST各任務階段的達標訓練次數(均值±標準誤)

達標訓練次數種系主效應分析顯示 Wistar大鼠的整體認知表現優(yōu)于SD大鼠。事后檢驗進一步表明種系差異主要來自于 RL2和 RL3階段,在這兩個任務階段Wistar大鼠的達標訓練次數與SD大鼠相比有明顯的降低趨勢(RL2：

(1,25) = 4.12

=0.053; RL3：

(1,25) = 3.87

= 0.06)。單因素方差分析顯示兩個種系大鼠各任務階段達標訓練次數存在顯著差異(SD:

(6,91) = 5.90

<0.001; Wistar:

(6,84) = 8.19

< 0.001)。LSD 事后檢驗發(fā)現Wistar和SD大鼠在RL1,RL2,EDS和RL3階段的達標訓練次數與相應的SD和CD階段相比明顯增加(

值均小于0.05),以及在RL1階段的達標訓練次數也明顯高于IDS階段(

< 0.05)。此外,Wistar大鼠的RL2和RL3階段的達標訓練次數明顯低于RL1階段(

< 0.05)。

3.1.2 錯誤率

兩個種系大鼠在測試各任務階段的錯誤率結果如圖2所示。兩因素(種系×測試任務階段)重復測量方差分析顯示有顯著的種系主效應(

(1,25) =12.85,

= 0.001)和測試任務階段主效應(

(6,182) =19.59,

< 0.001),交互作用不顯著,

(6,175) = 0.37,

= 0.905。錯誤率種系主效應分析顯示 Wistar大鼠的認知表現優(yōu)于SD大鼠。事后檢驗進一步表明認知功能種系差異主要來自于 RL3階段,在此任務階段Wistar大鼠的錯誤率明顯低于SD大鼠(

(1,25) = 7.30,

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

(6,91) = 9.18,

<0.001; Wistar:

(6,84) = 10.49,

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

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

< 0.05)。

圖2 Wistar和SD大鼠在七階段AST各任務階段的錯誤率(均值±標準誤)

3.1.3 潛伏期

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

(1,25) = 15.10,

< 0.001)和測試任務階段主效應(

(6,182) = 6.97,

= 0.002),但交互作用不顯著,

(6,175) = 2.5,

= 0.093。

圖3 SD和Wistar大鼠在七階段AST各任務階段的潛伏期(均值±標準誤)

潛伏期種系主效應分析顯示 Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠。事后檢驗進一步發(fā)現上述差異主要來自于SD階段,在此任務階段Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠(

(1,25) = 15.05

=0.001)。同時在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：

(1,25) = 3.73,

= 0.065; RL2：

(1,25) = 3.76,

=0.064; RL3：

(1,25) = 3.88,

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

(6,91) = 1.07,

= 0.107; Wistar:

(6,84) = 2.29,

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

< 0.05)。

3.2 五階段AST認知表現的結構效度和種系差異

3.2.1 達標訓練次數

兩個種系大鼠在測試不同階段達標訓練次數的結果如圖 4所示。兩因素(種系×測試任務階段)重復測量方差分析顯示存在顯著的種系主效應(

(1,14) = 4.52,

= 0.041)和測試任務階段主效應(

(4,75) = 12.37,

p <

0.001),但交互作用不顯著,

(4,70) = 3.44,

= 0.085。

圖4 SD和Wistar 大鼠在五階段AST各階段的達標訓練次數(均值±標準誤)

達標訓練次數種系主效應分析顯示 Wistar大鼠的認知表現優(yōu)于SD大鼠。進一步事后檢驗發(fā)現種系差異主要來自于RL階段,在此任務階段Wistar大鼠的達標訓練次數明顯低于SD大鼠,

(1,14) =8.19,

= 0.013。單因素方差分析顯示兩個種系大鼠各任務階段達標訓練次數有顯著差異(SD:

(4,40) = 11.13,

<0.001); Wistar: (

(4,30) = 4.51,

= 0.036)。事后檢驗發(fā)現兩個種系大鼠RL階段達標訓練次數與相應的SD,CD和IDS階段相比明顯增加(Wistar:

<0.05; SD:

< 0.01)。此外,SD大鼠EDS階段的達標訓練次數明顯高于CD階段 (

< 0.05)。

3.2.2 錯誤率

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

(1,14) = 5.07,

= 0.042)和測試任務階段主效應(

(4,75) = 5.39,

p =

0.001),交互作用不顯著,

(4,70) = 1.57,

= 0.195。

圖5 SD和Wistar 大鼠在五階段AST各階段的錯誤率(均值±標準誤)

錯誤率種系主效應分析顯示 Wistar大鼠的認知表現優(yōu)于SD大鼠。進一步事后檢驗發(fā)現種系差異主要來自于RL階段,在此任務階段Wistar大鼠的錯誤率明顯低于SD大鼠,

(1,14) = 5.73,

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

(4,40) = 5.29,

=0.002;

(4,30) = 3.46,

= 0.034)。事后檢驗發(fā)現兩個種系大鼠在 RL階段的錯誤率與相應 SD和 CD階段相比明顯增加(

< 0.05),同時EDS階段的錯誤率也明顯高于相應SD階段(

< 0.05)。此外,SD大鼠RL階段的錯誤率明顯高于相應的IDS階段(

<0.05)。

3.2.3 潛伏期

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

(1,14) = 2.955,

= 0.108; 測試任務階段主效應顯著,

(4,75) =4.951,

= 0.002; 交互作用顯著,

(4,70) = 3.687,

=0.01。進一步分析顯示在SD階段Wistar大鼠的潛伏期明顯高于SD大鼠,

(1,25) = 5.58

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

(1,25) = 3.68,

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

(6,91) = 1.495,

= 0.225; Wistar:

(6,84) = 3.629,

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

< 0.05),IDS (

< 0.01),RL (

< 0.01)和EDS (

< 0.01)階段。

圖6 SD和Wistar大鼠在五階段AST各任務階段的潛伏期(均值±標準誤)

4 討論

本研究考察了實驗動物種系和檢測程序差異對 AST認知表現及不同認知成分間反應模式的影響。結果表明大鼠的前額葉認知轉換能力存在種系差異,主要表現為在兩種 AST檢測程序中 Wistar大鼠的整體認知表現優(yōu)于 SD大鼠,尤其在逆反學習階段的達標訓練次數或錯誤率顯著低于SD大鼠,表現出更高的策略轉換靈活性; 另一方面所考察種系和檢測程序差異不影響不同認知成分間的反應模式,即在逆反學習和/或外維度認知定勢轉移復雜學習階段的達標訓練次數和錯誤率顯著高于簡單鑒別和復雜鑒別等基本學習階段。這些結果表明不同種系大鼠和檢測程序的 AST都可以反映不同認知成分間的結構關系。

4.1 不同檢測程序對AST認知結構的影響

在AST測試中RL和EDS是認知靈活性評價的核心指標,分別表征對已習得問題解決策略的調整和轉換能力,以及隨著環(huán)境關系變化抑制舊策略和跨維度建立新的應對策略的能力(Lapiz-Bluhm et al.,2008)。顯然這兩種認知轉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上。因而通常與SD,CD或IDS階段相比RL或EDS階段達標訓練次數和錯誤率更高。如果前期“定勢”未能建立,將不表現出不同認知成分間的上述反應模式。例如研究發(fā)現小鼠建立“策略或維度定勢”更加困難,通常需要重復的前期學習訓練才能夠誘發(fā),例如重復的內維度轉換訓練才能夠建立策略定勢和注意維度定勢(表現為更多的逆反學習和外維度轉移達標訓練次數和錯誤率) (Bissonette & Powell,2012)。另外,定勢的建立及其穩(wěn)定程度受前期“學習經驗”參數,如經驗類型和經歷次數等的影響,一般來說多次的重復訓練可以增強定勢。而目前使用的五階段和七階段 AST檢測程序中策略轉換和注意定勢轉換之前動物經歷的任務類型和訓練次數存在差異,這是否會對定勢形成和轉移過程產生影響呢？本研究結果顯示在復雜和簡化版本的 AST檢測程序中SD和Wistar大鼠不同階段認知反應間的結構關系具有較好的一致性,提示所考察動物種系和檢測程序都可以使得大鼠建立注意定勢,從而構成評價認知轉換能力的必要前提。采用SD,Lister和Long Evans等種系大鼠,一些研究報道藥物、應激和腦區(qū)損毀等處理影響AST不同認知功能(Bondi,et al.,2008; Chen et al.,2004; McAlonan & Brown,2003)。盡管缺乏與本研究的直接關聯,上述研究中對照組動物的結果也發(fā)現 AST不同認知成分間具有類似的相對穩(wěn)定的結構關系。神經解剖和藥物學研究證實不同類型的學習分別由不同腦區(qū)和神經通路介導。例如內側前額葉皮質特異性介導 EDS階段學習(Burnham et al.,2010; Floresco et al,2008),眶額葉皮質及其皮層下腦區(qū)背外側紋狀體完整神經通路特異性介導 RL階段學習(McAlonan & Brown,2003)。SD和CD階段的簡單關聯學習主要由皮層下腦區(qū)紋狀體和基底神經結參與介導(Robbins &Arnsten,2009)。嚙齒類動物類似的神經發(fā)育結構特征可能是導致認知結構模式具有相對穩(wěn)定性的生理基礎。

4.2 實驗動物種系差異對AST的影響

本研究采用兩種檢測程序都發(fā)現SD和Wistar大鼠在AST測試中的認知表現存在差異,Wistar大鼠的總體認知表現,尤其是逆反學習階段的成績明顯優(yōu)于SD大鼠。以往研究報道這兩個種系大鼠的認知功能存在差異。例如,在Morris水迷宮測試中SD大鼠在限定時間內找到站臺所需的水平游動距離顯著大于Wistar大鼠(Harker & Whishaw,2002;Van der Borght et al.,2005),提示二者海馬依賴的空間認知能力存在差異。本研究結果表明它們在前額葉介導的習得策略調整和轉換能力上也存在明顯差異。另外,七階段檢測程序包括3次逆反學習訓練。本研究發(fā)現兩個種系大鼠,尤其是Wistar大鼠在第二次和第三次逆反學習的達標訓練次數和達標錯誤反應率較第一次逆反學習均明顯而穩(wěn)定的降低,也提示Wistar大鼠表現出更好地對重復訓練經驗的遷移效應。與此一致,采用類似檢測程序Bondi等也發(fā)現SD大鼠在第一次逆反學習階段的表現與隨后的兩次相比較差(Bondi et al.,2010)。

造成上述認知靈活性種系差異的原因目前尚不清楚,相關研究提示這兩個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間明顯長于 SD大鼠(Andrews et al.,1995),提示Wistar大鼠對新穎物體更強的探索能力。考慮到在 AST測試不同階段大鼠不斷接觸到新的介質或氣味刺激,因此對新穎刺激較強的探索能力有利于大鼠的學習過程,這可能部分解釋了Wistar大鼠在AST中更好的整體認知表現。其次,在AST測試中大鼠需要學會在不同維度(如嗅覺、視覺、觸覺等)的幾對刺激中辨別與獎賞物相關聯的正性刺激線索,并建立與之相應的策略尋找獎賞物。在多信號系統(tǒng)中確定與獎賞物相關聯的正性刺激線索受選擇性注意過程影響。本研究數據表明 SD和 Wistar大鼠的潛伏期存在明顯差異。Wistar大鼠的潛伏期表現出明顯的階段性特點,在第一個階段—SD階段的潛伏期最長,隨著檢測進行平均潛伏期穩(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Wistar大鼠對測試環(huán)境和其他與獎賞獲得不相關的探索行為減少,而與任務相關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習變化過程,提示二者的目標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),而其認知表現相對較差(尤其在RL階段有顯著差異),二者行動速度和認知成績相反的表現提示SD大鼠較差的認知表現并非是由于缺乏獎賞獲得動機造成的。第三,已有研究證實逆反學習過程需要眶額葉皮質參與(Durstewitz et al.,2010; Rogers,Andrews,Grasby,Brooks,& Robbins,2000),眶額葉結構或功能異常特異性損害逆反學習能力(Lapiz-Bluhm,et al.,2008; McAlonan &Brown,2003)。SD和Wistar大鼠在眶額葉皮質參與的沖動行為(Brimberg,Flaisher-Grinberg,Schilman,& Joel,2007)和刺激條件下的皮層反應(Fuzik et al.,2013) 存在差異。在AST測試中,尤其是逆反學習階段SD和Wistar大鼠的前額葉皮質激活是否存在差異還需要進一步的實驗研究證實。

4.3 小結

本研究結果表明Wistar大鼠和SD大鼠前額葉認知靈活性存在種系差異,但不同認知成分間的反應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,均可作為研究認知轉換靈活性及其障礙神經分子機理的實驗模型。另一方面,考慮到AST是一項耗時和耗力的測試任務,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)現為相關研究實驗動物和實驗程序的選擇提供了行為學依據,擴展了對AST模型的認識。

Allison,C.,& Shoaib,M. (2013). Nicotine improves performance in an attentional set shifting task in rats.

Neuropharmacology,64

,314–320.Andrews,J. S.,Jansen,J. H. M.,Linders,S.,Princen,A.,&Broekkamp,C. L. E. (1995). Performance of four different rat strains in the autoshaping,two-object discrimination,and swim maze tests of learning and memory.

Physiology & Behavior,57

(4),785–790.Anokhin,A. P.,Heath,A. C.,& Ralano,A. (2003). Genetic influences on frontal brain function: WCST performance in twins.

Neuroreport,14

(15),1975–1978.Beck,A. T. (2008). The evolution of the cognitive model of depression and its neurobiological correlates.

American Journal of Psychiatry,165

(8),969–977.Birrell,J. M.,& Brown,V. J. (2000). Medial frontal cortex mediates perceptual attentional set shifting in the rat.

Journal of Neuroscience,20

(11),4320–4324.Bissonette,G. B.,& Powell,E. M. (2012). Reversal learning and attentional set-shifting in mice.

Neuropharmacology,62

(3),1168–1174.Bondi,C. O.,Jett,J. D.,& Morilak,D. A. (2010). Beneficial effects of desipramine on cognitive function of chronically stressed rats are mediated by alpha1-adrenergic receptors in medial prefrontal cortex.

Progress in Neuro-psychopharmacology & Biological Psychiatry,34

(6),913–923.Bondi,C. O.,Rodriguez,G.,Gould,G. G.,Frazer,A.,&Morilak,D. A. (2008). Chronic unpredictable stress induces a cognitive deficit and anxiety-like behavior in rats that is prevented by chronic antidepressant drug treatment.

Neuropsychopharmacology,33

(2),320–331.Brimberg,L.,Flaisher-Grinberg,S.,Schilman,E. A.,& Joel,D. (2007). Strain differences in ‘compulsive’ lever-pressing.

Behavioural Brain Research,179

(1),141–151.Brown,V. J.,& Bowman,E. M. (2002). Rodent models of prefrontal cortical function.

Trends in Neurosciences,25

(7),340–343.Burnham,K. E.,Bannerman,D. M.,Dawson,L. A.,Southam,E.,Sharp,T.,& Baxter,M. G. (2010). Fos expression in the brains of rats performing an attentional set-shifting task.

Neuroscience,171

(2),485–495.Cain,R. E.,Wasserman,M. C.,Waterhouse,B. D.,& McGaughy,J. A. (2011). Atomoxetine facilitates attentional set shifting in adolescent rats.

Developmental Cognitive Neuroscience,1

(4),552–559.Chen,K. C.,Baxter,M. G.,& Rodefer,J. S. (2004). Central blockade of muscarinic cholinergic receptors disrupts affective and attentional set-shifting.

European Journal of Neuroscience,20

(4),1081–1088.Colacicco,G.,Welzl,H.,Lipp,H. P.,& Wurbel,H. (2002).Attentional set-shifting in mice: modification of a rat paradigm,and evidence for strain-dependent variation.

Behavioral Brain Research,132

(1),95–102.Durstewitz,D.,Vittoz,N. M.,Floresco,S. B.,& Seamans,J.K. (2010). Abrupt transitions between prefrontal neural ensemble states accompany behavioral transitions during rule learning.

Neuron,

66(3),438–448.Floresco,S. B.,Block,A. E.,& Tse,M. T. (2008). Inactivation of the medial prefrontal cortex of the rat impairs strategy set-shifting,but not reversal learning,using a novel,automated procedure.

Behavioral Brain Research,190

(1),85–96.Fox,M. T.,Barense,M. D.,& Baxter,M. G. (2003). Perceptual attentional set-shifting is impaired in rats with neurotoxic lesions of posterior parietal cortex.

Journal of Neuroscience,23

(2),676–681.Fuzik,J.,Gellért,L.,Oláh,G.,Herédi,J.,Kocsis,K.,Knapp,L.,…Toldi,J. (2013). Fundamental interstrain differences in cortical activity between Wistar and Sprague–Dawley rats during global ischemia.

Neuroscience,228

,371–381.Harker,K. T.,& Whishaw,I. Q. (2002). Place and matchingto-place spatial learning affected by rat inbreeding (Dark-Agouti,Fischer 344) and albinism (Wistar,Sprague–Dawley) but not domestication (wild rat vs. Long–Evans,Fischer–Norway).

Behavioural Brain Research,134

(1–2),467–477.Hilti,C. C.,Delko,T.,Orosz,A. T.,Thomann,K.,Ludewig,S.,Geyer,M. A.,… Cattapan-Ludewig,K. (2009). Sustained attention and planning deficits but intact attentional setshifting in neuroleptic-naive first-episode schizophrenia patients.

Neuropsychobiology,61

(2),79–86.Lapiz-Bluhm,M. D.,Bondi,C. O.,Doyen,J.,Rodriguez,G. A.,Bédard-Arana,T.,& Morilak,D. A. (2008). Behavioural assays to model cognitive and affective dimensions of depression and anxiety in rats.

Journal of Neuroendocrinology,20

(10),1115–1137.Liston,C.,Miller,M. M.,Goldwater,D. S.,Radley,J. J.,Rocher,A. B.,Hof,P. R.,… McEwen,B. S. (2006).Stress-induced alterations in prefrontal cortical dendritic morphology predict selective impairments in perceptual attentional set-shifting.

Journal of Neuroscience,26

(30),7870–7874.Lyche,P.,Jonassen,R.,Stiles,T. C.,Ulleberg,P.,& Landr?,N.I. (2011). Attentional functions in major depressive disorders with and without comorbid anxiety.

Archives of Clinical Neuropsychology,26

,38–47.McAlonan,K.,& Brown,V. J. (2003). Orbital prefrontal cortex mediates reversal learning and not attentional set shifting in the rat.

Behavioural Brain Research,146

(1–2),97–103.Millan,M. J.,Agid,Y.,Brüne,M.,Bullmore,E. T.,Carter,C.S.,Clayton,N. S.,… Young,L. J. (2012). Cognitive dys-function in psychiatric disorders: Characteristics,causes and the quest for improved therapy.

Nature Reviews Drug Discovery,11

(2),141–168.Newman,L. A.,& McGaughy,J. (2011). Adolescent rats show cognitive rigidity in a test of attentional set shifting.

Developmental Psychobiology,53

(4),391–401.Robbins,T. W.,& Arnsten,A. F. (2009). The neuropsychopharmacology of fronto-executive function: Monoaminergic modulation.

Annual Review of Neuroscience,32

,267–287.Rogers,R. D.,Andrews,T. C.,Grasby,P. M.,Brooks,D. J.,&Robbins,T. W. (2000). Contrasting cortical and subcortical activations produced by attentional-set shifting and reversal learning in humans.

Journal of Cognitive Neuroscience,12

(1),142–162.Tait,D. S.,Marston,H. M.,Shahid,M.,& Brown,V. J. (2009).Asenapine restores cognitive flexibility in rats with medial prefrontal cortex lesions.

Psychopharmacology,202

(1–3),295–306.Van der Borght,K.,Wallinga,A. E.,Luiten,P. G.,Eggen,B. J.,& Van der Zee,E. A. (2005). Morris water maze learning in two rat strains increases the expression of the polysialylated form of the neural cell adhesion molecule in the dentate gyrus but has no effect on hippocampal neurogenesis.

Behavioral Neuroscience,119

(4),926–932.Wang,Q.,Luo,X. M.,Shao,F.,& Wang,W. W. (2012). Comparative study of the effects of different types of chronic stress model of

depression

on cortically-mediated cognitive function in rats.

Chinese Journal of Nervous and Mental Diseases,38

(8),449–453.[王瓊,羅曉敏,邵楓,王瑋文. (2012). 兩種慢性應激誘導的抑郁模型大鼠前額葉認知功能的比較研究.

中國神經精神疾病雜志,38

(8),449–453.]