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注意定勢(shì)轉(zhuǎn)移測(cè)試(Attentional Set-Shifting, AST) 是一種擬人類威斯康辛卡片分類測(cè)試(Wisconsin card sorting test, WSCT)的測(cè)試流程, 可用于檢測(cè)嚙齒類動(dòng)物前額葉介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性。認(rèn)知靈活性是指?jìng)€(gè)體能夠覺察環(huán)境變化, 并能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整行動(dòng)策略以完成目的行為程, 是個(gè)體適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境變化的認(rèn)知基礎(chǔ)。多種精神疾病, 如自閉癥、精神分裂癥、帕金森、強(qiáng)迫癥、注意力缺陷/多動(dòng)障礙（attention deficit/hyperactivity disorder, ADHD）、抑郁癥、亨廷頓病和阿爾茨海默病相關(guān)的癡呆癥患者都伴隨不同程度和不同特征的認(rèn)知靈活性受損。近年來, AST 模型越來越多的應(yīng)用于認(rèn)知靈活性及其受損所致的精神疾病認(rèn)知障礙的神經(jīng)機(jī)理研究。

AST 測(cè)試的基本過程是訓(xùn)練動(dòng)物在不同維度，如嗅覺、視覺、觸覺等，幾對(duì)刺激中辨別與獎(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián)的正性刺激線索, 并建立與之相應(yīng)的策略尋找獎(jiǎng)賞物。同時(shí)隨著獎(jiǎng)賞物和線索關(guān)系的轉(zhuǎn)變調(diào)整已習(xí)得的策略或建立新的策略。

1、AST測(cè)試基本內(nèi)容

經(jīng)典AST 檢測(cè)模型采用七階段鑒別學(xué)習(xí)模式，根據(jù)檢測(cè)程序依次為：簡(jiǎn)單辨別(Simple Discrimination, SD)、復(fù)雜辨別(Compound Discrimination,CD)、第一次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 1, RL1)、內(nèi)維度轉(zhuǎn)換(Intra-Dimensional shift, IDS)、第二次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 2, RL2)、外維度轉(zhuǎn)換(Extra-Dimensional shift, EDS)和第三次逆反學(xué)習(xí)(Reversal Learning 3, RL3)七個(gè)階段(Brown &Bowman, 2002)。每個(gè)動(dòng)物的AST 測(cè)試過程較長(zhǎng)(2-3 小時(shí)/只)且只能人工實(shí)時(shí)觀察和記錄動(dòng)物的行為表現(xiàn), 因此研究者在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都必須保持高度注意力, 測(cè)試具有相當(dāng)?shù)碾y度。

七階段AST測(cè)試程序

（注：表格中與食物關(guān)聯(lián)的線索被稱為正性線索, 其所在維度為相關(guān)維度; 而與食物無(wú)關(guān)的線索稱為負(fù)性線索, 其所在維度為無(wú)關(guān)維度。下同）

Fox (Fox, Barense, & Baxter, 2003)和Liston (Liston, Miller, Goldwater,et al.,2006)先后提出了簡(jiǎn)化五階段AST 檢測(cè)模式。五階段與七階段AST 程序的主要差別在于測(cè)試過程不包含RL1 和RL3 階段, 僅包含五個(gè)連續(xù)的、難度不斷增加的任務(wù)階段, 即SD, CD, IDS, RL 和EDS。

五階段 AST測(cè)試程序

這兩種AST 檢測(cè)程序都包含基本關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)能力(規(guī)則形成和分類能力, 如SD 和CD), 已習(xí)得問題解決策略的調(diào)整和轉(zhuǎn)換能力(如IDS 和RL), 以及隨著環(huán)境關(guān)系變化抑制舊策略和跨維度建立新的應(yīng)對(duì)策略的能力(如EDS)五種認(rèn)知反應(yīng)。

一般來說, AST 測(cè)試不同階段中, 即簡(jiǎn)單和低水平學(xué)習(xí)任務(wù)需要的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率通常會(huì)低于復(fù)雜和高水平學(xué)習(xí)任務(wù)。以五階段AST 為例, 動(dòng)物在AST 高難度任務(wù)階段(如RL 和EDS)的達(dá)標(biāo)次數(shù)和錯(cuò)誤率通常高于低難度任務(wù)階段(如SD、CD 和IDS)。這種差異是重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù), 表明前期任務(wù)使得動(dòng)物建立了注意定勢(shì), 從而導(dǎo)致隨后的認(rèn)知轉(zhuǎn)換困難。

在AST 中RL 和EDS 是評(píng)價(jià)認(rèn)知靈活性的核心指標(biāo)。SD 和Wistar 種系大鼠是目前最廣泛使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

2、傳統(tǒng)AST 檢測(cè)流程

七階段AST 檢測(cè)方法（seven consecutive stages）

長(zhǎng)方形的測(cè)試箱由不透明的白色有機(jī)玻璃制成。白色有機(jī)玻璃分隔板將測(cè)試箱一部分用可上下垂直拉起隔板封閉作為起始區(qū), 另一部分為測(cè)試區(qū)。用透明有機(jī)玻璃隔板將測(cè)試區(qū)平分為兩個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域內(nèi)均置有可固定陶土罐的底座。每次任務(wù)前大鼠處于起始區(qū), 拉起隔板使大鼠進(jìn)入測(cè)試區(qū)尋找陶土罐中的獎(jiǎng)賞物。陶土罐中裝有填充物。獎(jiǎng)賞物埋在填充物表面下2 cm。

實(shí)驗(yàn)大鼠經(jīng)1 周適應(yīng)期后, 進(jìn)行AST 行為測(cè)定。從測(cè)試前7 天開始限制動(dòng)物攝食，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(jìn)行如下3 個(gè)階段測(cè)試。測(cè)試在單獨(dú)的房間內(nèi)進(jìn)行。每次實(shí)驗(yàn)前提前1 h 將大鼠放入測(cè)試房中進(jìn)行適應(yīng)。

第一天適應(yīng)期：

首先將陶土罐放入飼養(yǎng)籠,訓(xùn)練動(dòng)物從裝滿墊料填充物的陶土罐中挖掘食物,直至動(dòng)物連續(xù)3 次在5 min 內(nèi)找到掩埋的食物。隨后將大鼠移入AST 測(cè)試裝置中, 使其適應(yīng)測(cè)試環(huán)境并從檢測(cè)區(qū)兩側(cè)放置的陶土罐中挖掘獎(jiǎng)賞物, 直至動(dòng)物連續(xù)3 次每次在5 min 內(nèi)找到掩埋的食物。

第二天訓(xùn)練期:

大鼠在檢測(cè)箱中分別進(jìn)行單一氣味/介質(zhì)簡(jiǎn)單辨別學(xué)習(xí)。氣味辨別任務(wù)使用檸檬和紫檀兩種氣味, 填充物辨別任務(wù)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(jiǎng)賞物相關(guān)聯(lián), 即始終將獎(jiǎng)賞物放在正性線索標(biāo)記的陶土罐中, 每次測(cè)試陶土罐的位置隨機(jī)放置在測(cè)試區(qū)的左側(cè)或右側(cè)。正確反應(yīng)為大鼠只挖掘正性線索標(biāo)記的陶土罐獲得獎(jiǎng)賞物且不挖掘負(fù)性線索標(biāo)記的陶土罐。以連續(xù)6 次正確反應(yīng)作為完成訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)。

第三天測(cè)試期：

包含7 個(gè)連續(xù)的, 難度不斷增加的任務(wù)階段：簡(jiǎn)單辨別(Simple Discrimination,SD), 復(fù)雜辨別(Compound Discrimination, CD), 第一次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 1, RL1), 內(nèi)維度轉(zhuǎn)換(Intra-Dimensional shifting, IDS), 第二次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 2, RL2), 外維度轉(zhuǎn)換(Extra- Dimensional shifting, EDS)和第三次逆反學(xué)習(xí)(Reversal learning 3, RL3)。各階段任務(wù)依次進(jìn)行。每一階段直到動(dòng)物達(dá)到連續(xù)6 次正確反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn), 然后轉(zhuǎn)至下一階段任務(wù)。每個(gè)階段所記錄的指標(biāo)為：達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)、錯(cuò)誤率(錯(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)與達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)之比)和潛伏期(每次測(cè)試時(shí)拉起隔板大鼠進(jìn)入測(cè)試區(qū)到出現(xiàn)挖掘行為的時(shí)間)。

第一階段為SD 階段, 兩個(gè)陶土罐分別以丁香和肉豆蔻氣味標(biāo)記, 以墊料為填充物。其中一種氣味(如丁香)作為正性線索, 獎(jiǎng)賞物始終放在此陶土罐中。大鼠學(xué)習(xí)根據(jù)正性線索尋找獎(jiǎng)賞物直到達(dá)到連續(xù)6 次正確反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；

第二階段為CD 階段, 引入非相關(guān)維度線索(兩種新的填充物)并與兩種氣味的陶土罐隨機(jī)配對(duì)呈現(xiàn), 但其正性線索(氣味)與SD 任務(wù)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(guān)維度, 但先前的正性氣味線索變?yōu)樨?fù)性線索, 而先前的負(fù)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(guān)刺激維度, 填充物為非相關(guān)刺激維度, 但此任務(wù)中同時(shí)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(wù)相同；

第五階段為RL2 階段, 與RL1 任務(wù)類似, 原來在IDS 任務(wù)中為正性線索的氣味此階段換為負(fù)性線索, 原來的負(fù)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(shí)此任務(wù)中填充物由不相關(guān)刺激維度變?yōu)橄嚓P(guān)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(guān)刺激維度；

第七階段為RL3 階段, 與RL1 和RL2 類似, 只是EDS 任務(wù)中正性線索和負(fù)性線索互換。

為了避免位置和線索偏好, 在測(cè)試過程中隨機(jī)選擇相關(guān)維度的配對(duì)刺激物中的一個(gè)作為正性線索。同時(shí)每次任務(wù)中陶土罐的位置隨機(jī)放置在測(cè)試區(qū)的左側(cè)或右側(cè)。

3、Ugo OPERON AST測(cè)試全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作原理及優(yōu)勢(shì)

盡管 ASST 具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它也存在一些核心局限性。首先，AST測(cè)試是一個(gè)耗時(shí)和勞動(dòng)密集型的過程，需要訓(xùn)練有素的實(shí)驗(yàn)人員的持續(xù)參與。其次，涉及的眾多變量（例如，氣味、挖掘介質(zhì)、獎(jiǎng)勵(lì)、獎(jiǎng)勵(lì)在碗中的位置）可能會(huì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和實(shí)驗(yàn)室之間產(chǎn)生相當(dāng)大的差異;第三，實(shí)驗(yàn)操作中人為錯(cuò)誤潛在風(fēng)險(xiǎn)極大（例如，獎(jiǎng)勵(lì)氣味的倒置）。相對(duì)而言，五階段AST 測(cè)試(five consecutive stages)更具操作便利性。

Ugo Basile新開發(fā)的Operon 49500 ASST的全自動(dòng)版本，是針對(duì)傳統(tǒng)全手動(dòng)操作難聽的潛在解決方案，實(shí)現(xiàn)在少量人工監(jiān)督下執(zhí)行修改后但類似的 ASST 版本。與手動(dòng)版本類似，OPERON 允許在執(zhí)行操作性響應(yīng)時(shí)使用可口的食物獎(jiǎng)勵(lì)完成 ASST 的所有階段。OPERON 還提供三個(gè)維度（嗅覺、觸覺視覺和視覺）刺激變化，作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象在整個(gè)測(cè)試過程中的注意線索。這些刺激集與手動(dòng)版本提供的刺激不同（特別是對(duì)于觸覺視覺維度、條件反射區(qū)域的紋理，而不是挖掘介質(zhì)）。同樣，操作性反應(yīng)，將鼻子插入鼻子戳孔而不是挖掘。

Ugo Basile Operon全自動(dòng)D/ED注意力定勢(shì)轉(zhuǎn)移測(cè)試系統(tǒng)是基于常規(guī)手動(dòng)五階段AST 測(cè)試原理，采用認(rèn)知操作墻取代傳統(tǒng)手動(dòng)任務(wù)中的左右碗，通過自動(dòng)化任務(wù)中的左右鼻子戳孔與聲、光、氣味刺激自動(dòng)控制取代測(cè)試動(dòng)物挖掘飼養(yǎng)籠墊料，實(shí)現(xiàn)五階段AST測(cè)試操作的全自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制。

Manual Five-stage ASST Protocol

Automated Five-stage ASST Protocol

系統(tǒng)由Operon 主機(jī)（集成顆粒分配器的操作墻）、氣味釋放控制單元和ANY-maze軟件組成。

系統(tǒng)有兩個(gè)設(shè)置完全相同的隔間，采用一扇可上下升降滑動(dòng)門隔離。當(dāng)小鼠在一間隔間內(nèi)活動(dòng)時(shí)（例如進(jìn)行簡(jiǎn)單的辨別任務(wù)時(shí)），另一間隔間會(huì)自動(dòng)設(shè)置好所有組件來進(jìn)行下一項(xiàng)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)可自動(dòng)進(jìn)行。

兩個(gè)隔間，每個(gè)隔間都有一個(gè)帶燈的操作墻（operant wall with lights）、氣味輸送（odor delivery）、推拉門（sliding door）和可更換紋理地板面板旋轉(zhuǎn)裝置。

氣味輸送系統(tǒng)（Odor delivery system）配置有2個(gè)輸出通道和10個(gè)獨(dú)立流量計(jì)（flow meters）。每個(gè)通道由電磁閥驅(qū)動(dòng)。氣味傳遞裝置可以在Any-Maze控制控制下，可傳輸多達(dá)10種不同的測(cè)試氣味。因?yàn)榭梢赃f達(dá)并吸回氣體，只有鼻戳區(qū)域充斥氣味，而隔間保持無(wú)味狀態(tài)。

每個(gè)操作墻包含自動(dòng)三維刺激器(視覺、嗅覺和觸覺刺激)。

每個(gè)隔間都有左右鼻子戳(nose pokes)和顆粒分配器(pellet dispenser)。通過鼻戳控制位于中間的食物分配器完成獎(jiǎng)勵(lì)，鼻戳上方各有6種不同顏色的LED燈作為視覺刺激。

ID/ED 實(shí)驗(yàn)由 ANY-maze 管理，它通過 USB控制 Operon 的所有元素（隔間地板紋理、氣味刺激的管理以及當(dāng)動(dòng)物做出正確的選擇時(shí)自動(dòng)給予獎(jiǎng)勵(lì)），并收集和分析數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置協(xié)議可以靈活更改，結(jié)果顯示為數(shù)據(jù)、圖表、統(tǒng)計(jì)信息或原始數(shù)據(jù)。

4、OPERON小鼠 AST測(cè)試全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

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OPERON AST注意力定勢(shì)轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備包括雙電動(dòng)控制的滑動(dòng)門的測(cè)試隔間及兩個(gè)操作墻。操作墻上有食物分配器、兩個(gè)用于嗅覺刺激和記錄的鼻戳、LED燈和提供觸覺刺激的旋轉(zhuǎn)地板。

設(shè)備需與ANY-Maze控制（60000-C）、10通道嗅覺測(cè)試氣味傳遞系統(tǒng)（49550-010）配合使用。

參考文獻(xiàn)：

原三娜, 羅曉敏, 張 帆,等.大鼠注意定勢(shì)轉(zhuǎn)移任務(wù)模型的深入研究：種系和檢測(cè)程序的影響.心理學(xué)報(bào)，2014，46（12）1805-1813

Francesca Zoratto, Edoardo Pisa, Claudia Soldati, et al. Automation at the service of the study of executive functions in preclinical models.Sci Rep . 2023 Oct 6;13(1):16890. doi: 10.1038/s41598-023-43631-8.

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