五项选择连续反应时间任务(5-CSRTT)最初是为了在临床前水平研究注意力缺陷/多动障碍(ADHD)儿童所显示的缺陷而设计的。1983年,5-CSRTT首先由Carli及同事作为研究大鼠注意力的手段,从那时起,它开始成为最广泛使用的测量啮齿动物注意力表现的测试。它如此受欢迎是由于模型训练成功后测试对象任务表现的可靠性和任务测试的灵活性。在适用于啮齿类动物版本的任务中,任务装置中五个孔以伪随机方式呈现短暂刺激灯亮起,要求动物在正确的空间位置(刺激灯亮起)做出鼻触反应,以获得奖赏。为了完成这项任务,要求动物保持注意力监测一列水平排列的五个孔,并在刺激灯亮起前不做出鼻触反应,而在刺激灯亮起后才做出反应。一般来说,刺激辨别的准确性提供了注意能力的指标,而在刺激呈现之前产生的过早反应被认为是冲动的一种形式,代表抑制控制的失败。5-CSRTT提供了测试各种神经、药理学和行为操作对行为控制措施的影响的可能性,包括反应的准确性、冲动反应、强迫反应和反应潜伏期等。
普遍认为,无论是在人类还是非人类受试者中,注意力都是一种异质结构,包括选择性注意,分散注意力,保持警惕等。注意过程在许多精神疾病中都是失调的,包括多动症、精神症和抑郁症等。人类和动物的最佳信息处理通常需要持续的、分散的和选择性的混合注意。持续性注意的特点是在很长一段时间内持续分配处理资源,以检测罕见事件。而5-CSRTT的基本任务形式,非常适合评估动物由药理学和神经操作引起的持续和空间分散注意力的缺陷和/或改善。在5-CSRTT中,可以通过改变试验间隔(inter-trial interval, ITI)评估持续性主动注意。此外,任务的注意负荷可以通过减少或增加视觉刺激的持续时间(Stimulus duration,SD)来控制。5-CSRTT要求动物将其有限的注意力资源分配到不同的感觉通道和空间位置(空间上分散的注意力)上,以达到最佳的表现水平。此外,通过在动物必须注意目标视觉刺激发生的ITI期间插入不相关和分散注意力的刺激(最常见的听觉模式,插入白噪音干扰),这种修改后的基本任务结构可以测试选择性(集中)注意力。
除了注意力缺陷,ADHD和许多其他精神疾病的另一个症状特征是冲动,这也是一个非单一的结构,可以定义为没有预见或在所有必要信息收集之前就采取行动的倾向。包括运动冲动和决策冲动。5-CSRTT评估了动物等待视觉刺激发生从而抑制冲动行为的能力。在刺激开始前的过早反应,即冲动反应(premature response),现在是一种广泛使用的测量运动冲动性的方法。与注意过程的准确性和反应速度相似,这种运动冲动性的测量也是一个可靠的任务表现指标。该任务的灵活性使实验者能够系统地操纵刺激发生的确切时间,从而使等待时间变得短、长或随机。刺激的不可预测性使任务更加困难,因为动物在定向视觉辨别时不能依赖自动过程,必须持续保持反应准备。
这项任务的主要优势是高水平的结构效度,对行为偶发事件的严格控制,准确和自动化的数据采集,并且由于它在许多实验室的广泛使用,该任务被证明是十分可靠的。5-CSRTT改编自人类任务,可用于啮齿类动物或灵长类动物,突出了其翻译价值。这个任务的另一个优点是它对任务测试的灵活适应性,模型训练结束后实验者可以对实验设计做出各种参数变化,从而创建对任务表现的具体挑战。当然该任务也有一些局限性。这局限性可能来自于刺激的空间和视觉性质,所以刺激辨别准确性的变化可能反映了视觉感官功能的变化,不过,这个问题可以通过改变视觉辨别刺激的亮度来解决。此外,任务的空间位置成分在解释结果时可能会产生混淆,但是,通过计算在五个空间位置中每个位置的正确反应和错误反应的比例,有可能排除具有强烈反应偏差的受试者。对于操作方法来说一些其他的局限性是普遍的。例如,很难将警惕性下降与注意力变化区分开来,这通常是发生在训练的后期(完成了大量的试验之后),由于受试者在任务中获得大量食物奖赏颗粒而导致的简单饱腹感所致。然而,计算在食物奖赏递送以后到动物去收集奖励的时长即奖赏收集潜伏期可以帮助排除食物动机的减少。另一方面,饮食限制本身构成了对操作性方法的限制,是动物研究的特有特征。在测试前预喂养动物是一种可以用来评估动物的一般动机状态对5-CSRTT变量的影响的有效方法。
2. 硬件配置:五孔及对应的刺激灯,房灯,食物槽,食物槽灯,食物颗粒分配器,红外探头装置,微型摄像机,消声、风扇通风箱(用以放置操作室和食物颗粒分配器)。
3. 软件配置:任务专用方法运行软件;数据记录收集与处理软件;视频录像分析软件。例如,Med-PC软件套件。以上软件仪器厂商均会提供。
4. 硬件介绍:通常操作室前后由两个铝板墙组成,一侧是弧形的,配有五个方孔(边长:2.5 cm;深度:4 cm),一般位于网格地板上方2 cm。对面的铝板不是弯曲的,并配有一个食物槽(5×5 cm2),通过一个半透明的塑料管连接到一个食物颗粒分配器(位于操作室外)。所有的方形孔和食物槽都有红外探头,以检测动物的鼻触反应。食物槽和每个孔均配备指示灯。弧形面板上的每个方孔到食物槽的距离都相同(一般设置为25 cm)。房灯位于操作室上方,一般置于食物槽一侧墙面的顶端中部,这是任务期间操作室的主要照明来源。操作室两侧由透明的聚碳酸酯板或金属板制成。地板通常是金属网格,屋顶由透明的聚碳酸酯板或金属板制成,有时有一个小开口,以便与外部设备(例如,微透析管或电极)连接。每个操作室都放置在一个消声隔间(操作箱)内,它由一个风扇通风,也提供了一个低水平的背景噪音。此外,还可以在消声隔间的天花板上安装一个微型摄像机,以监测大鼠的行为。
①五个装有红外探测器的正方形孔;②装有红外探测的食物槽;③房灯;④由不锈钢棒组成的地板;⑤承接动物粪便的托盘;⑥透明铰链门;⑦食物颗粒分配器;⑧连接食物颗粒分配器和食物槽的塑料管;⑨通风隔音箱;⑩风扇
品系:对于5-CSRTT,啮齿类动物中常用大鼠作为模型鼠。由于5-CSRTT依赖于视觉刺激的检测,有色素沉着的大鼠品系比白化品系更适合用来训练此任务,因为它们有更好的视力。因此,Lister hooded 大鼠和 Long Evans大鼠是该任务中最常用的品系,在标准测试条件下(例如,0.5 s刺激持续时间),可获得接近90%的辨别准确度。然而,白化品系如Sprague-Dawley大鼠表现出的较低辨别准确度和响应速度,但是可以可靠地进行测试,其可以用来测试那些预计可以提高准确度的药物。没有明确的数据表明色素沉着品系和白化品系的任务获得率不同。一旦经过训练,动物的表现都是稳定和一致的。
年龄:大多数5-CSRTT研究是在年龄为3-12个月之间的成年大鼠中进行的。偶尔有报告描述了使用幼年大鼠来研究对青春期注意力和冲动行为的实验设计。由于研究这一相对较短的发育阶段(大约1个月)的时间窗口狭窄,为了适应实验,通常采用5-CSRTT的简化版本,比如,使用2项选择,SD相对较长(2.5 s),需要十几次训练就能达到稳定基线。老年大鼠(即 18个月)5-CSRTT的表现将受到开始训练的年龄的影响。如果在年轻时接受训练,那么在整个生命周期中的训练程度不变。当与3、15和22个月的年轻Lister hooded大鼠相比,当在相对较老的时候接受训练时,可以看到最明显的与年龄相关的注意力缺陷,并且发现在基线任务获得和注意力方面与年龄相关的差异。这些差异是基于注意力,而不是随着老年年龄的增长而产生的感官或动机功能的变化。因此,接受5-CSRTT训练的老年大鼠可以为研究与老年相关的注意力变化的治疗方法提供一个有用的模型。
性别:在实验动物性别的选择上,一般选择雄鼠研究,由于雌鼠的周期性激素分泌可能导致实验结果不稳定。但若对比研究不同性别的差异影响,则应选择雌雄对半。由于临床前研究常被诟病为男性服务的研究,实际上很多药物的影响具有性别差异,但没有被发现或深入研究,所以投稿时有些杂志会质疑只用雄鼠作为实验对象的设计。因此,具体实验动物性别的选择要综合考虑。
5-CSRTT一开始主要用于大鼠。1999年,Wilkinson及同事报告说小鼠可以可靠地执行5-CSRTT,从而创造了研究基因株差异和基因靶向对任务表现的影响的机会。他们的研究强调,小鼠的任务学习和表现与大鼠相似,但小鼠的任务动机可能是一个更敏感的因素。如今,5-CSRTT在小鼠中的应用可能与在大鼠中的应用一样广泛,有大量的证据表明,小鼠可以将5-CSRTT执行到与大鼠相当的水平,并且在运动控制方面表现出优异的表现。小鼠品系的比较可以参见Sanchez Roige在2012年发表的综述(DOI:10.1007/s0-5.)。
大鼠常用固体食物颗粒(如:测试用45 mg 精密重量精制成分的大鼠食物颗粒)作为奖赏。小鼠常用液体蔗糖溶液(10%)作为奖赏,每次励量为10至20μl。这种情况平时需要限制饮水;也可以使用食物颗粒。食物奖赏的性质似乎并不影响测试的结果。但小鼠似乎对食物奖励的性质更为敏感,而且与大鼠相比,小鼠的饱足感对测试表现的影响更大。
实验对象的选择要根据课题需要统筹规划与综合考虑:1. 由于小鼠有许多基因鼠,工具鼠,若后期需要进行神经生物学机制的研究,那使用小鼠模型更方便后续研究;2. 若主要以行为学实验为主,例如评价不同药物对注意力,冲动行为的影响,则可以选择大鼠模型;3. 此外,斑马鱼也可进行5-CSRTT测试。其可开展大样本研究,快速筛选药物,而且由于发育快速、性成熟期短的特点适于研究生命周期中特质冲动的变化。
需要注意的是,与群体饲养的动物相比,社会隔离会影响5-CSRTT任务的表现。所以,实验动物约四只一笼饲养在恒温(20-24℃)恒湿(55-70%)的房间中,控制12h/12 h光暗循环(例如,保持7;00-19:00亮灯)。商业购买的大鼠需要适应性喂养7天,在此期间可以正常进食和自由饮水。所有使用动物的实验方案都必须经过动物护理和使用委员会的审查和批准,必须符合政府关于实验动物的护理和使用的规定。
(1). 控制饮食:适应性喂养一周后逐渐限制饮食(例如,超过3天),以控制体重。每只大鼠每天的进食量标准为5 g食物/100 g体重。从控制饮食的第一天开始,每天给每只大鼠称重,记录体重变化,直到它们达到自由喂养体重的85-90 %(自由生长体重曲线可由动物供应商处获得)。达标后可改为定期给动物称重(例如,每周),以监测它们的生长情况。由于该任务是以食物作为奖励进行训练和测试的,因此动物的饮食需要严格控制。过于饥饿或者饱腹均会影响动物的任务表现。
(2). 抚摩:从控制饮食的第一天开始,每天轻轻抚摩大鼠2-3 min,至少持续3天,逐渐使动物适应实验者,以减少应激反应。
(3). 测试用食物口味适应:每天在抚摩大鼠之后,在笼子里放一些训练时的食物奖励颗粒(每只大鼠约30颗),以使动物适应它们的口味,避免训练时新环境导致的低食症。
(1). 目的:(a)让大鼠熟悉训练和测试环境,以减少应激;(b)利用食物奖赏颗粒所在位置,让大鼠学会探索五孔以及食物槽(鼻触五孔和食物槽)。
(2). 方法:在该阶段,把实验动物带到测试室,为每只大鼠分配一个单独的操作箱。将大鼠放进操作箱里大约15-20 min(也可延长至30 min)进行适应和探索。在此期间,所有五个方孔内的刺激灯,房灯和食物槽灯均打开。为了鼓励大鼠探索,在食物槽中放置10个食物奖励颗粒,在五个孔中各放置2个食物奖励颗粒。
(4). 标准:达标标准是大鼠可以吃掉所有提供的食物奖赏颗粒。需剔除不能吃完食物颗粒的大鼠,它们可能对操作箱环境或者灯光应激,无法进行后续训练。
(1).一旦大鼠适应了测试装置和食物奖励颗粒,就开始正式5-CSRTT训练。一次训练一般包括100次试验,每只动物一次训练持续时间约30分钟,每天仅进行一次训练。
(2).在每次试验中,只有一个孔的刺激灯起,顺序由计算机软件按照伪随机方式产生。这样,在100次试验中,每个孔刺激灯各亮起20次。
(3).适当的训练参数可以参考表1。也可以根据自己的实验需要灵活设置训练阶段和“目标参数”。在每阶段达标以后,即可逐渐减少刺激持续时间,增加ITI,直到达到“目标参数”设定。
(4).大多数动物在训练四到五次后开始做出反应。前两个阶段属于预训练阶段,旨在快速建立鼻触亮起的刺激灯与获得食物奖赏的操作式条件反射。如第一阶段SD为30 s, 动物反应时间(Limited hold,LH)也是30 s,给动物足够的时间学习激励-奖励关联,同时引入一个短的ITI。此后,随着训练进程SD逐渐降低到0.5 s,LH逐步减为5 s固定, ITI逐步增加到5 s固定。每个阶段需达到达标标准后方可进入下一阶段的训练。