大鼠注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)模型的深入研究： 種系和檢測程序的影響*
原三娜 1,2 羅曉敏 1,2 張 帆 1,2 邵 楓 3 王瑋文 1 (1 中國科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院心理研究所, 北京 100101) (2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100039) (3 北京大學(xué)心理系, 北京 100871)
摘 要 注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)(attentional set-shifting task, AST)可用于特異性檢測嚙齒類動(dòng)物前額葉皮層及其 皮層下神經(jīng)通路介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性, 是目前研究認(rèn)知靈活性及其障礙神經(jīng)基礎(chǔ)的重要模型。本研究系統(tǒng)調(diào)查 了大鼠種系和檢測程序差異對 AST 結(jié)果的影響。通過比較 Wistar 和 Sprague Dawley (SD)兩個(gè)種系大鼠在七 階段和五階段兩種 AST 檢測程序中的認(rèn)知表現(xiàn), 研究發(fā)現(xiàn)：(1) SD 和 Wistar 大鼠前額葉認(rèn)知功能存在差異, 后者的總體認(rèn)知表現(xiàn)優(yōu)于前者。尤其是 Wistar 大鼠在逆反學(xué)習(xí)階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)及錯(cuò)誤率顯著低于 SD 大鼠, 表明 Wistar 大鼠具有更高的策略轉(zhuǎn)換靈活性。(2)在 AST 測試中逆反學(xué)習(xí)和外維度定勢轉(zhuǎn)移是認(rèn)知靈 活性評價(jià)的核心指標(biāo)。這兩種認(rèn)知轉(zhuǎn)換過程分別以前期策略和注意定勢建立為基礎(chǔ)。結(jié)果顯示在兩種 AST 檢測程序中 Wistar 和 SD 大鼠在逆反學(xué)習(xí)和/或外維度定勢轉(zhuǎn)移等復(fù)雜學(xué)習(xí)階段的達(dá)標(biāo)訓(xùn)練次數(shù)和錯(cuò)誤率均 高于其它簡單關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)階段, 表明在目前實(shí)驗(yàn)條件下大鼠均表現(xiàn)出定勢形成和轉(zhuǎn)換困難的反應(yīng)模式, 不同 認(rèn)知反應(yīng)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系具有穩(wěn)定性。這些結(jié)果提示大鼠前額葉皮質(zhì)介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性存在種系差異, AST 各 階段認(rèn)知反應(yīng)間的結(jié)構(gòu)效度不受目前使用的大鼠種系和檢測程序差異的影響, 擴(kuò)展了對 AST 模型的認(rèn)識。 關(guān)鍵詞 認(rèn)知靈活性; 注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù); 種系差異; 逆反學(xué)習(xí); 外維度定勢轉(zhuǎn)移 分類號 B845
1 前言
注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)(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(dòng)物前額葉介導(dǎo)的認(rèn)知靈活性(Brown & Bowman, 2002)。認(rèn)知靈活性是指個(gè)體能夠覺察環(huán) 境變化, 并能根據(jù)環(huán)境變化的要求調(diào)整行動(dòng)策略以 完成目的行為的過程, 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, 如抑郁癥(Lyche, Jonassen, Stiles, Ulleberg, Landrø, 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(rèn)知靈活性損傷。固著性認(rèn)知和情感偏誤還被認(rèn)為是造成抑郁癥和焦慮癥的 重要病因?qū)W因素之一(Beck, 2008)。近年來, AST 模 型越來越多的應(yīng)用于認(rèn)知靈活性及其損害所導(dǎo)致 的精神疾病認(rèn)知障礙的神經(jīng)機(jī)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物種系存在差異, 研究 結(jié)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(jié)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(xiàn), 并為模型的合理選擇提供行為學(xué)依據(jù)。
AST 測試的基本過程是訓(xùn)練動(dòng)物在不同維度 (如嗅覺、視覺、觸覺等)的幾對刺激中辨別與獎(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(Birrell & Brown, 2000)。經(jīng)典的 AST 檢測模型采用七階段鑒別學(xué)習(xí) 模式, 根據(jù)檢測程序依次包括：簡單辨別(Simple Discrimination, SD)、復(fù)雜辨別(Compound Discrimination, CD)、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)。由于每個(gè)動(dòng)物的 AST 測試過程較 長(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, 測試具有相當(dāng)?shù)碾y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(gè)階段。 可見, 這兩種 AST 檢測程序都包含基本關(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)對策略的能力(如 EDS)五種認(rèn)知反應(yīng), 但不同 檢測階段間的順序關(guān)系和逆反學(xué)習(xí)次數(shù)存在差異。 考慮到在 AST 中除了 SD, 其它認(rèn)知成分都包含前 期“經(jīng)驗(yàn)”的影響及調(diào)整過程, 可以推測前期“經(jīng)驗(yàn)” 參數(shù), 例如經(jīng)驗(yàn)類型和經(jīng)歷次數(shù), 可能影響個(gè)體隨 后的適應(yīng)性調(diào)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(huì)對動(dòng)物認(rèn) 知表現(xiàn)產(chǎn)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(rèn)知反應(yīng)存在一定的結(jié) 構(gòu)關(guān)系, 即簡單和低水平學(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, 從而導(dǎo)致隨后的認(rèn)知轉(zhuǎn)換困難。本研究將通過 比較在兩種檢測程序中上述認(rèn)知反應(yīng)間結(jié)構(gòu)關(guān)系 的一致性評價(jià)不同檢測。
在 AST 中 RL 和 EDS 是評價(jià)認(rèn)知靈活性的核心 指標(biāo)(Lapiz-Bluhm et al., 2008)。人類、靈長目和嚙 齒類動(dòng)物的比較研究發(fā)現(xiàn), 認(rèn)知靈活性依賴于前額 葉及其相關(guān)神經(jīng)通路的功能(Robbins & Arnsten, 2009)。前額葉的結(jié)構(gòu)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(cuò)誤反應(yīng)次數(shù)和錯(cuò) 誤率(反映認(rèn)知固著性的主要指標(biāo))具有 37%~46% 中等程度的遺傳基礎(chǔ)(Anokhin, Heath, & Ralano, 2003)。藥物、應(yīng)激或腦區(qū)損毀等不同處置差異性 影響嚙齒類動(dòng)物 AST 各階段的認(rèn)知表現(xiàn) (Bondi, Rodriguez, Gould, Frazer& Morilak, 2008; Chen, Baxter, & Rodefer, 2004; McAlonan & Brown, 2003)。 目前嚙齒類動(dòng)物研究絕大多數(shù)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物。由于 研究采用的實(shí)驗(yàn)程序也不一致, 種系差異是否影響 大鼠 AST 結(jié)果目前尚不清楚。SD 和 Wistar 種系大 鼠是目前廣泛使用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。已知這兩類大鼠 在某些行為和認(rèn)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(xué)習(xí)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(dǎo)的認(rèn) 知靈活性方面是否存在差異。
總的來說, 注意定勢轉(zhuǎn)移任務(wù)特異性檢測前額 葉及其相關(guān)神經(jīng)通路功能, 是研究認(rèn)知靈活性及其 障礙神經(jīng)基礎(chǔ)的重要模型。本研究系統(tǒng)比較了大鼠種系和檢測程序差異對注意定勢任務(wù)的影響, 為相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)程序的選擇提供依據(jù)。
