智能迷宫助力行为学研究

　　自动化的“智能迷宫”解放了行为学研究者，让他们不用再进行繁琐的小鼠迷宫实验。同时，智能迷宫还提高了数据质量和可重复性。

　　在读研究生时，行为神经科学家 Mark Brandon 经常耗费数小时展开小鼠 T 迷宫实验。在该迷宫中，小鼠沿着一条线路行走，然后在路口处选择左拐或右拐。该实验非常有用，但也极度无聊。所以，当他拿到加拿大麦吉尔大学(McGill University)的教职时，Brandon 想要开发一项新技术，以摆脱这项乏味的实验。

　　他从马萨诸塞州一家初创公司 MazeEngineers 处购买了一个自动化的 T 迷宫。该系统除了一个简单的迷宫之外，还有一扇门，啮齿动物经过时，这扇门会从底部升起来，防止动物倒退。同时，该迷宫还自带视频监控，以记录动物的行为。一旦啮齿动物完成一项任务，迷宫就会将动物引导回起点。Brandon 等人希望通过分析在这些测试中动物的哪些神经回路是活跃的，来揭示大脑如何将记忆与时间联系起来。Brandon 表示，自动化的 T 迷宫非常有用。

　　今天，这样的自动化系统已经变得越来越普遍和复杂。美国国家糖尿病和消化和肾病研究所(US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)的神经科学家 Alexxai Kravitz 指出，很多先进的技术，如触摸屏和微控制器都开始进入行为研究实验室了。但是尽管这种迷宫实现了自动化，但仍然需要人工来确保这些工具正常运行。

　　研究人员利用迷宫测试动物的精神特征，如记忆力和注意力。在二十世纪的大部分时间里，科学家们利用迷宫实验，让啮齿动物沿着精细的路径，探索精神极限。 MazeEngineers 创始人 Shuhan He 表示，现在的设置相当简单，这使得结果更易于被纳入统计分析。对他来说，迷宫就是关于决策和结果——测试认知的关键方面。但是，由于研究人员越来越希望在每个实验中增加实验动物的数量，并尽可能多地收集行为数据，自动化已是大势所趋。

　　在 20 世纪 90 年代，科学家们首次使用视频跟踪来监测啮齿动物的行为，这包括从用计算机识别动物重心，到识别简单的行为，例如啮齿动物寻找或避免特定的刺激。现在，只需追踪头部和身体的其它部位，软件就可以识别出微小的行为，如嗅探、整理皮毛和排尿。后来追踪果蝇和斑马鱼等动物的行为的仪器也相继问世。

　　伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校(University of Illinois in Urbana–Champaign)的行为神经科学家 Justin Rhodes 支持，现在你可以开始一个程序，在迷宫中自动追踪动物，并在动物完成任务后立即获得数据，并进行分析。Rhodes 的研究方向是探讨运动对大脑的影响。

　　自动化模式还有望通过减少人类在实验中的作用，来提高实验结果的准确性和客观性。它可提供标准化的设备和任务，以便研究人员直接比较他们的结果。

　　MazeEngineers 的小鼠自动化 T 迷宫售价是 4900 美元起。事实上，提供自带视频的迷宫及相关软件的公司日益增多，比如弗吉尼亚州的 Clever Sys、荷兰的 Noldus 等公司。Rhodes 最青睐 Clever Sys 的 HomeCageScan 系统(四个迷宫大约 5.5 万美元)，因为该系统能够追踪多个动物。对此，他表示这很重要，毕竟有时候几只小鼠会团在一起。俄亥俄州辛辛那提大学(University of Cincinnati in Ohio)的行为神经科学家 Evelin Cotella 则更喜欢 Noldus 的 EthoVision 软件(软件版费为 5850 美元)，因为它对用户更友好。

　　但这并不意味着智能迷宫系统效果很好。Rhodes 指出，科学家通常不得不调整包括照明和视觉对比在内的各种参数，以使视频跟踪软件发挥作用。而且，在使用前，他们还要测定系统在识别行为方面的准确程度。Cotella 表示，尽管系统确实不完美，但让人来做这些事情，也不是完美的，与人相比，起码软件前后是一致的。

　　Cotella 的团队不得不比较系统与研究人员在识别动物行为上的准确度。同时，团队还必须优化参数，例如确认每个视频中有多少个像素点是静止的，才算是小鼠“停止活动”。Cotella 指出，他们花了 6 个月来调试，才对系统的输出结果放心。他们购买这个系统有一年了，并打算在下个月开始发表研究报告。智能迷宫确实加快了 Cotella 等人的实验进度。

　　德国 TSE Systems 公司的 IntelliCage 使用皮下射频识别(radio-frequency identification，RFID)标签追踪动物运动。据 TSE 科学家 Daniela Oettler 解释，相比于视频识别，RFID 不受光线影响，甚至可在完全黑暗中运行。

　　IntelliCage 适用于各种传统的实验室笼子。它的四个角落都有一些传统迷宫会出现的测试——例如，一个角落可能有难闻的气味，而其它角落则没有。用户可以对各个角落进行分别设置，让其只对特定动物作出反应，以便让不同的啮齿动物进行不同的测试。

　　IntelliCage 系统售价为 6 万美元，可容纳 16 只小鼠。瑞士苏黎世大学(University of Zurich)的行为神经科学家 David Wolfer 指出，能容纳多只小鼠是 IntelliCage 的一个优点，因为小鼠是社会动物。将小鼠们放在一起有助于降低压力，而压力是数据波动的来源。Wolfer 表示，因为 IntelliCage 采用的是 RFID 标签技术，所以它能识别的行为比视频追踪系统要少。例如，它无法检测到动物何时抬起它的后腿。但是 Oettler 指出，视频分析在解读结果方面更易引入观察者偏差。

　　观察进食行为

　　行为科学家还给膳食监测引入了自动化模式。例如，Kravitz 通过跟踪小鼠食物摄入量和活动水平来调查肥胖症。但是，因为小鼠吃得很少，所以测量中即使是微小的错误都可能导致结果不准。此时，自动化就有优势了。

　　诸如新泽西州的 Research Diets 和内华达州的 Sable Systems International 等公司的自动化硬件使用微型电子秤来测量每只动物的视频摄取量。但系统使用的标签价格较贵，因此不利于开展大规模试验。所以 Kravitz 等人开发了一种开源替代品：喂食实验装置(Feeding Experimentation Device, FED)。

　　为了适应标准笼子，FED 使用动物的 RFID 标签来记录其行为，每当小鼠被拿走食物颗粒时会被记录该行为。每台设备的成本大约为 350 美元，不到商用系统价格的十分之一。

　　相应的指令可以在 OpenBehavior——一个由 Kravitz 共同创立的、致力于开源行为科学项目的网站——上找到。但是，Kravitz 提醒，如果系统出现技术问题，就得研究人员自行修理。你自己搭建系统，造价便宜，但究竟有多便宜，则完全取决于你花了多长时间在它身上。

　　鼠类 iPad

　　在加拿大伦敦西部大学(Western University)，认知神经科学家 Tim Bussey 和 Lisa Saksida 开发了包含触摸屏的房间，研究人员可以使用这些房间对啮齿类动物进行 20 种左右的认知任务测试，包括记忆、学习、注意力，甚至赌博。

　　Bussey 指出，这就像为大鼠和小鼠准备了一台 iPad，其主要区别在于，人是用手指点击屏幕，而鼠会将它们的鼻子放在屏幕上。成功完成一项任务，系统内置的食物分配点会流出一些草莓奶昔。

　　触摸屏自带英国拉夫堡的 Campden Instruments 公司和印第安纳州的 Lafayette Instrument 公司的预编程。Bussey 表示，另外，研究人员可以使用名为“动物行为环境测试系统”(Animal Behavior Environment Test System)的软件来编写自己的任务。

　　由于这些任务是标准化的，所以在研究中使用这些设备的 Brandon 指出，他们可以对跨实验室，甚至跨物种的数据进行比较。其目的是将来自许多实验室的信息放置在一个数据库中，以便学界能够在特定任务期间分辨整个大脑结构中的神经元的活动。通过这种方式来收集的数据量大到难以想象。

　　不仅如此，数据量还在不断增加。Brandon 现在将触摸屏室与开源“miniscopes”耦合，使用荧光成像记录自由移动小鼠的神经活动。每个显微镜成本约 500 美元。他指出，这些研究室甚至可以与光遗传学相结合，这样就可以使用光来操纵神经活动。

　　一些公司正在进一步开发自动化模式，采用全自动化的饲养室，进行全天候的监测。这样的系统可以用于多种研究，例如研究药物对动物的行为影响。例如，TSE 的 PhenoWorld 系统饲养了几只 RFID 标记的大鼠和小鼠，以进行迷宫等试验。该系统同时记录动物的代谢和其它特征;Oettler 表示，监控这些大、小的系统成本可能达到 80 万美元。

　　同样，MazeEngineers 的研究人员正在构建“迷津园(Labyrinth)”——一个多达 25 个模块的网格，可以配置成 20 多个自动迷宫。啮齿动物的笼子可以连接到迷津园的边缘，并自动让动物进出。

　　如果这变成现实，迷宫可能会从科学工具变成“科学家”，自行开展试验。