行為生理學研究方法

學習和記憶

第12章

行為生理學研究方法

學習和記憶？神經(jīng)生理學:

學習主要是指人或動物通過神經(jīng)系統(tǒng)接受外界環(huán)境信息而影響自身行為的過程;記憶是指獲得的經(jīng)驗或信息在腦內儲存和提取再現(xiàn)的神經(jīng)活動過程。行為學:“學習是引起個體對特殊環(huán)境條件所產(chǎn)生的適應性行為的全部過程”、“學習是指經(jīng)驗引起的一種適應性行為變化，記憶是過去經(jīng)驗的儲存和回憶”。心理學:“記憶是過程，由識記、保持、再認或回憶一種心理組成”?，F(xiàn)代出現(xiàn)了一門新興學科---記憶科學，包括生物記憶、

材料記憶和機器記憶三個方面。

學習記憶屬于高級神經(jīng)活動或higherfunctionofbrain，它是高等動物和人類最具特色的生理特征之一。學習記憶是動物改變自身行為或產(chǎn)生新行為以便適應生活環(huán)境的必要過程。在人類，則是認識和改造客觀世界以及參加社會實踐活動必不

可少的生理條件，是人類思維活動的基本環(huán)節(jié)，是智力結

構中諸多要素（觀察力、注意力、記憶力、判斷力、想象

力等）的重要成分。學習記憶的生理意義

學習與記憶的基本過程Acquisition/registration

—感知外界事物或接受外界信息的階段，通過感覺系統(tǒng)向腦內輸入信號，即學習階段。 獲得采樣Consolidation

—獲得的信息在腦內編碼儲存和保持的

階段。

鞏固儲存Retrieval

—將儲存于腦內的信息提取出來使之再現(xiàn)于

意識中的過程，即回憶過程。

再現(xiàn)重放二記憶過程和分類根據(jù)信息諞碼方式及記憶保持時間長短分類:

感覺記憶(sensorymemory)

短時記憶(short-termmemory)

長時記憶(long–termmemory)

根據(jù)信息儲存和回憶方式分類:

陳述性記憶(declarativememory)

非陳述性記憶(nondeclarativememory)記憶:

保持,再現(xiàn)

記憶分三個階段:

獲得(acquisition)

儲存鞏固(storage&consolidation)

再現(xiàn)(retrieral)*6

記憶的過程

刺激感覺性記憶持續(xù)時間：<1s第一級記憶持續(xù)時間：數(shù)s第二級記憶持續(xù)時間：數(shù)分~數(shù)年第三級記憶持續(xù)時間：永久（？）遺忘消退和熄滅遺忘新的信息代替舊的遺忘前活動型和后活動性干擾可能不遺忘“信息流的中斷”的中斷（由于順行性遺忘癥）短時性記憶長時性記憶記憶障礙

一學習的分類

1.聯(lián)合型學習(associativelearning)

經(jīng)典條件反射(classicalconditioning)

操作式條件反射(operantconditioning)

回避性條件反射(avoidanceconditionedreflex)

辨別性學習(discriminationlearning)

延緩反應(delayedresponse)

2.非聯(lián)合型學習(nonassociativelearning)

學習和記憶的類型*8

1.聯(lián)合型學習

是兩個事件在時間上很靠近地重復發(fā)生，最后在腦內逐漸形成聯(lián)系

經(jīng)典條件反射

條件反射是無關刺激與非條件刺激在時間上

的結合而建立起來的，這個過程稱為強化

操作式條件反射

動物必須通過自己完成某種運動或操作后才能得到強化2.非聯(lián)合型學習

不需要在刺激和反應之間形成某種明確的聯(lián)系

非條件刺激(食物)→唾液分泌

無關刺激↓↓↓↓

信號刺激或條件刺激

1.經(jīng)典條件反射(classicalconditioning)

Pavlov無關刺激↓↓↓↓

信號刺激或條件刺激非聯(lián)合型學習（nonassociativelearning)

習慣化（habituation)

敏感化（sensitization）習慣化的突觸機制：突觸效能減弱

如果給予每日10次刺激，連續(xù)4日，產(chǎn)生的長時程習慣化可保持3周以上。突觸前和突觸后微電極記錄可觀察到突觸后電位逐漸降低。重復刺激－感覺神經(jīng)元AP時程縮短－Ca離子入膜量下降－遞質釋放量減少－EPSP幅度下降－運動神經(jīng)元AP頻率減少－腮肌收縮變弱

敏感化給予海兔一個傷害性刺激（如電擊），再刺激水管就會引起較強的縮鰓反應，這就是敏感化。機制？---突觸前易化使突觸效能增強。人類學習方式------聯(lián)合型學習

特點:

用語言,文字,符號進行學習和思維,即使沒有具體刺激也能依靠文字建立很多聯(lián)系;并且能把累積起耒的知識通過文字傳給其它人

-------提高了學習效果

行為學是神經(jīng)生理學中的重要研究方法之一。

由于神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性，要從分子水平、細胞水平、

神經(jīng)網(wǎng)絡水平以及行為學水平等不同的層次對其進行

全面的研究，才能得到正確的結論。

任何中樞系統(tǒng)的高級活動都要體現(xiàn)在行為學水平上才

有意義。

人的行為是生物界中最復雜的，我們可以通過各種心

理學實驗手段對人的高級神經(jīng)活動進行研究。

如何研究學習記憶?行為學研究方法

為了深入研究我們必須建立一些行為學動物模型。

雖然動物的行為不能和人類相比，但人腦的高級功

能包括學習記憶、本能行為、情緒等在高等動物中

同樣得到體現(xiàn)，而且本質是一樣的，只是在復雜程

度上有區(qū)別。---這也是為什么在動物研究中得到的結論可推廣到

人的前提條件。

針對不同的研究目的，設計多種多樣的動物行為學模型。

有關學習記憶方面的行為學模型占據(jù)著主

要地位。

人們根據(jù)不同形式的學習記憶模式,設計不同的行為學模

型，這些模型得到的結果很易量化，這些動物模型得到

廣泛應用。

動物的正常行為包括運動、聽覺、視覺、各種反射以及

情緒等

行為生理學的研究十分廣泛

動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)變化必然反映到行為學變化上來。行為觀察雖然較簡單，但依據(jù)一定的程序和方法將

其量化，才能進行比較。本章將簡單介紹常見的幾種行為學研究方法（實驗對象均為大鼠或小鼠）。

一、基本行為學測試（PrimaryBehavioralTest）

常見的幾種行為學研究方法

運動功能和運動控制

驚嚇反射（StartleReflex）

開場實驗（OpenFieldTest）

明／暗偏好實驗（Light/DarkPreferenceTest）和位置偏好實驗

懸尾實驗（TailSuspensionTest）二、學習記憶有關的行為學實驗

迷宮（Maze）

跳臺(stepdowntest)

穿梭箱(shuttlebox)

避暗法(stepthroughtest)

一基本行為學測試目的:是觀察動物的神經(jīng)系統(tǒng)是否正常。其內容包括：1.運動功能和運動控制:翻正反射試（RightingReflexTest）:

觀察動物是否立刻翻轉到正常體位。ReachingReflexTest(捉住動物的尾巴將其提起至桌子邊緣上方15cm處，再緩緩放下，觀察

動物是否有伸出前肢并準備抓住桌子

邊緣的行為。

前肢抓握試驗動物僅用前肢抓握在一細鋼絲上，并持續(xù)至少1min。RotorodTest:將動物放在一根水平放置的圓桿上，桿以一定的速度旋轉，記錄動物在桿上停留的時間。2.驚嚇反射（StartleReflex）這個模型在神經(jīng)系統(tǒng)的研究中應用很廣泛

驚嚇反射是一個基本防御反射,這個反射在神經(jīng)系統(tǒng)的研究中應用很廣泛(伏核、腹側蒼白球、杏仁核

)。

目前使用最多的是聽覺驚嚇反射:突然出現(xiàn)一個很強聲音刺激時，動物出現(xiàn)肌肉緊張甚至跳起的反應。典型實驗方法：動物被限制在一個小的透明有機玻璃盒子里，適應3min，給予一個持續(xù)時間40ms，聲強為100或115dB的白噪聲（驚嚇刺激），記錄動物反應（通過盒子底部的壓力傳感器,記錄驚嚇反應強度的變化

）。

3.開場實驗（OpenFieldTest）開場實驗可檢測動物的自發(fā)活動，探究行為，焦慮程度等行為

開場實驗:簡單將動物放在一個周圍封閉的空間里10－30min，記錄動物在這個空間內的活動:包括動物走動的總時間，動物在圍墻附近停留的時間（walltime）和在中心區(qū)域停留的時間，在這個區(qū)域行走的距離，速度，定型活動的次數(shù)（如重復的前后運動），探究行為的次數(shù)（站立以及扶墻站立），排泄次數(shù)等。4.明／暗偏好實驗和位置偏好實驗兩個大小相同的箱子，中間有通道相連，其中一個是不透光的暗箱，另外一個給予光照并透明。觀察動物在兩個箱子內的停留時間，進出兩個箱子的次數(shù)，第一次進入暗箱的潛伏期，第一次進入明箱的潛伏期，以及動物在兩個箱子內的探究行為水平等。這個模型主要用來考察動物的焦慮程度。偏好試驗可以利用色覺、味覺、嗅覺等其他指標來觀察動物是否對某一類刺激特別偏愛。比如，酒精成癮的大鼠在放置了酒精棉球的箱子里面停留的時間明顯長于對照箱子。此類試驗在成癮研究中使用的較多。5.懸尾實驗將動物用尾巴懸掛6min，觀察動物掙扎反應。該實驗測試動物的沮喪（depression）和無助（Helplessness）程度。二學習記憶有關的行為學實驗迷宮是常見的學習記憶模型，實驗對象一般為大鼠和小鼠。迷宮的應用已經(jīng)有幾十年的歷史，現(xiàn)在已經(jīng)有多種類型的迷

宮裝置，對動物的學習記憶進行研究。不同迷宮的研究目的不同，有的迷宮需要動物進行空間記憶，

有的迷宮需要動物的工作記憶，有的迷宮需要動物掌握一定

的規(guī)則。因此，我們需要根據(jù)研究目的的不同而使用相應的

迷宮方法。Y-迷宮實驗示意圖臂長25cm,寬10cm，箱底鋪有銅棒，各臂頂端裝有刺激信號燈。Ⅲ臂信號燈亮為安全區(qū)。小鼠置于任一臂中適應環(huán)境1min，啟動另外兩臂中任一臂的信號燈，延遲5s后，燈不亮的兩臂則通電電擊小鼠，直至逃避到安全區(qū)為止。燈亮持續(xù)5s后熄滅，完成一次測試。以小鼠到達安全區(qū)為下一次的起始位置，間隔5s后進行再一次測試。記錄正確和錯誤反應次數(shù)

辨別性學習(Y型迷宮水迷宮)(discriminationlearning)安全區(qū)電擊區(qū)裝置分成三等份，分別稱之為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ臂，每個臂的末端安放一盞燈，每個臂的底部由銅條構成，可以通過一定的電流來形成傷害性刺激。Ⅰ臂為起步區(qū)，

Ⅱ臂(右側)為電擊區(qū)，

Ⅲ臂(左側)為安全區(qū)Ⅰ臂Ⅱ臂

水迷宮是一個盛滿水的方形(園形)裝置觀察并記錄動物入水后搜索目標所需時間、采用的策略和它們的游泳軌跡，有助于分析和推斷動物的學習、記憶、空間定向和認知功能等方面的能力。水迷宮

在本世紀80年代，英國心理學家Morris等利用大鼠在盛有水和牛奶混懸的不透明的水池中搜索目標物的方法，研究大鼠的海馬和腦區(qū)受到損害后的學習、記憶能力的變化，取得了令人矚目的結果。

種類較多，一般是一個盛滿水的方形裝置，

有固定的入口和出口，用隔板進行分割，

只有一條路徑可以到達出口。

水迷宮的實驗對象一般為大鼠。

經(jīng)過數(shù)天的訓練后，大鼠可以找出一條通

往出口的最短路徑。水迷宮

這種裝置可觀察并記錄動物入水后搜索目標所需時間、采

用的策略和它們的游泳軌跡，有助于分析和推斷動物的

學習、記憶、空間定向和認知功能等方面的能力?，F(xiàn)已較廣泛采用，稱之

為Morris水迷宮法，采用圖像自

動采集和處理系統(tǒng)可以將動物的運動軌跡直觀地記錄下

來，并可以據(jù)此進行分析，十分方便。水迷宮啟示?

大鼠和小鼠跳臺法均較常用的觀察指標。

實驗裝置為一長方形反射箱，大小為lOcmXlOcmX60cm，用黑色塑料板分隔成5間。

底面鋪以銅柵，間距為0．5cm，可以通電，

電壓強度由一變壓器控制。

每間左右角置一高和直徑均為4．5cm的平臺。

將動物放入反應箱內適應環(huán)境3min，然后立即通以36V交流電。動物受到電擊，其正常反應是跳回平臺

以躲避傷害性刺激。

多數(shù)動物可能再次或多次跳至銅柵上，受到電擊后

又迅速跳回平臺跳臺(stepdowntest)

如此訓練5min，并記錄每鼠受到電擊的次數(shù)或叫錯誤次

數(shù)(numberoferrors)，作為學習成績。24h后重作測驗，

此即記憶保持測驗。記錄受電擊的動物數(shù)、第一次跳下平臺的潛伏期和3min內的錯誤總數(shù)。本法優(yōu)缺點：簡便易行，一次可同時試驗5只動物。

既可觀察藥物對記憶過程的影響，也

可觀察對學習的

影響。有較高的敏感性，尤適合于初篩藥物。缺點:是動物的回避性反應差異較

大，如需減少差異或少

用動物，可對動物進行預選或按學習成績好壞分檔次

進行試驗。另外，

跳臺法在電擊前施以條件刺激，則可同時觀察被

動和主動回避性反應跳臺法優(yōu)缺缺點跳臺與穿梭被動回避主動回避回避性條件反射

分類:通以36V交流電。動物受到電擊，正常反應是跳回平臺以躲避傷害性刺激。箱底部格柵為可

以通電的不銹鋼棒逃避電擊，迫使動物跳至另一側……如此來往穿梭

穿梭箱在學習、記憶實驗中較為常用。

該裝置由實驗箱和自動記錄打印裝置組成。

實驗箱大小為50cmXl6cmXl8cm。箱底部格柵為

可以通電的不銹鋼棒，箱底中央部有一高1．2cm

的擋板，將箱底部分隔成左右兩側。

實驗箱頂部有

光源和蜂鳴音控制器。

自動記錄打印裝置可連續(xù)自動記錄動物對電刺激

或條件刺激(燈光或／和

蜂鳴音)的反應和潛伏期，

并將結果打印出來。

穿梭箱(shuttlebox)

訓練時，將大鼠放人箱內任何一側，20s后開始

呈現(xiàn)燈光

或(和)蜂鳴音，持續(xù)15s，后10s內同時給以電刺激(100V，0．2mA，50Hz，AC)。

最初動物只對電擊有反應，即逃至對側以回避電擊。

20s后再次出現(xiàn)條件刺激(燈光或(和)蜂鳴音)并繼之在動物

所在側施以電刺激迫使動物跳至另一側……如此來往穿梭。穿梭箱法可觀察被動和主動回