路标影响高体鳑鲏的空间学习与记忆#

1、中国科技论文在线中国科技论文在线- FORMTEXT The influence of landmark in spatial learning and memory in R. ocellatus FORMTEXT Zhu Yurong(College of Fishery,Huazhong Agriculture University,Wuhan 430070)Abstract: FORMTEXT In present study, the capability of spatial learning and memory of R.ocellatus were studied throu

2、gh the comparison of results from different experiments with one landmark and with no landmark. The results showed that the R.ocellatus possessed good spatial cognition ability. R.ocellatus could perform better with one landmark in spatial learning and memory, which revealed that different cognition

3、 strategies affect the rate of memory formation. The visual cues may play a better role than the fishess own sense of direction in promoting memory formation. . Key words: FORMTEXT behavioural；spatial; learning; memory; landmark; R. ocellatus引言动物的空间学习和记忆能力是其重要的脑功能之一，它将动物的认知、行为与生理有机地结合在一起。一般情况下，动物通过对

4、其生存环境的认知，调整自己的行为模式，从而最大限度地保证自己在自然环境中的生存。学习和记忆为什么能塑造动物的行为，它们又是在什么样的条件下、如何塑造动物的行为的，这些问题，早在19世纪初期就引起了心理学研究者的广泛关注和研究1，随后，许多行为学家以哺乳动物和鸟类为实验对象，对认知行为进行了一些基础的研究2 3 4。第一次系统地以鱼类为研究对象的认知行为实验是由Mobius在1873年完成的。在Triplett以鲈鱼为研究对象的文章发表之后，鱼类的学习和记忆开始获得更多的关注5。空间认知能力在动物的生命史中扮演着重要的角色，动物的空间认知能力存在种间差异，同时也受到不同环境条件的影响6。许多动物

5、都具有卓越的空间认知能力，它们可以利用环境提供的各种视觉的、化学的（如嗅觉、味觉等）、机械的、电磁的等等感觉线索来确定方位，鱼类也同样如此。例如，大马哈鱼在其入海前的幼鱼期会对当下的水域形成嗅觉印记，依靠这种特殊的学习与记忆，成年大马哈鱼能够在生殖洄游过程中准确定位，回到自己的出生水域7。鱼类为了在不断变化的环境中生存与繁殖，必须能够感知环境的变化并作出相应的反应，而对外界信息的感受，也为鱼类的空间认知提供了信息。尽管我们还不太清楚鱼类处理空间信息的神经过程，但是我们发现鱼类的空间认知能力与其生存环境有很大的关系8。基于环境中可见标记物的存在与否，动物会采取不同的空间认知策略：基于自身左右方向

6、感的认知及以可见标记物为参照的认知，两者均属于联想学习范畴9。研究表明，大量动物都会使用可见标记物作为定向线索10 11 12，在路标指示下，松鸦能够准确找到食物储藏点13 14，猩猩和人类儿童能够通过有规律排列的路标找到隐藏的目标物。相对于鸟类和哺乳类，鱼类使用路标信息作为空间线索的研究较少，本文拟以具有特殊繁殖行为的高体鳑鲏为对象，研究其经过训练能否获得空间记忆，以及不同的标记物条件，对实验对象空间学习和记忆形成的影响。材料与方法实验鱼的采集与饲养选择16尾性成熟，体形完整，身体健康的雌性高体鳑鲏为实验对象（为避免性别差异的影响，选择单一性别个体进行本实验）。高体鳑鲏采自湖北省大冶市保安湖

7、。实验鱼饲养在实验室的大型鱼缸中，使用充氧泵充氧，以保证鱼缸中有充足的氧气供应。使用加热棒维持鱼缸的水温。整个实验过程中，鱼缸的水温维持在约20左右。通过实验室内的灯光装置控制光周期，光照与无光照的时间比为12：12。在饲养期间，每天给实验鱼喂食足够的冻孑孓。实验装置本实验采用十字形实验缸（见图1）。实验缸由灰色不透明塑料制成。每个臂长30cm,宽15cm，高30cm。可以通过手动操作封闭任意一个臂，从而其它三个臂就可以形成一个“T”形迷宫。在“T”形迷宫的左右两臂，离开末端15cm处放置可移动的活动门（1520cm），门上开有长5cm，宽3cm的洞口。在挡板被升起后，门上的洞口露出，实验鱼可

8、以通过该洞口进入两臂的末端。而挡板被放下后，则实验鱼将被限制在臂的末端。实验过程实验过程由预备实验、记忆获得实验和记忆验证实验三部分组成。预备实验预备实验的目的是为了使实验鱼熟悉实验缸，不获取实验数据。预备实验阶段，实验缸中不放置路标，并且两臂的活动挡板升起，实验鱼可以在整个T形实验缸中自由游动。T形迷宫的两臂末端各放有一个培养皿，两个培养皿中均放有足够数量的冻孑孓。将实验鱼随机分为2组，每组8尾，每次预备实验时将同组的8尾实验鱼同时放入实验缸的起始格，以组为单位进行实验。第1组的预备实验在无路标存在的条件下进行；第2组在有一个路标存在的条件下进行（路标为绿色人造水草，无气味），每组进行3次预

9、备实验。每次预备实验开始时，将同组的实验鱼放入迷宫的起始格（起始格随机选择），5分钟后，升起起始格的挡板，此时实验鱼可以自由地在整个T形迷宫中游动。每次预备实验时，实验鱼在T形迷宫中停留4小时。4小时后，将鱼转移回饲养缸。只有当实验鱼在迷宫中时才给予食物15。3次预备实验结束后，将16尾实验鱼编号，分别用小型鱼缸（203525cm）单独饲养。预备实验结束3天后（3天中不给予实验鱼食物），开始进行记忆获得实验。记忆获得实验实验鱼每天进行3次训练，整个记忆获得实验共进行了24次训练。每次训练中，T形迷宫两臂末端各放有一个培养皿，但是只有一个培养皿中放有可获得的食物报偿。为了排除鳑鲏利用嗅觉觅食的可

10、能性，我们在另一边的培养皿中放置用消毒纱布包裹的冻孑孓16，如果实验鱼选择了这一边，将无法获得食物报偿，对无路标组组鱼的训练中，为了防止实验鱼可能存在的方向性偏好，我们将一半实验鱼的食物报偿固定在左边，另一半在右边，该实验检验实验鱼对左、右方向的选择是否存在显著差异；在有路标组鱼的训练中，绿色路标放置在与食物报偿端相对应的转角处，我们会调整食物报偿端和水草的方向，以避免实验鱼对固定的左右方向形成记忆17，该实验检验实验鱼将标记与食物联系的能力。每天训练开始时，将实验鱼放入起始格，此时，起始格挡板是放下的（起始格随机选择）。实验鱼适应环境5分钟后，挡板升起，开始记录实验鱼从离开起始格至进入食物臂

11、末端所花费的时间、实验鱼第1次所选择的方向以及运动轨迹（如折返、两臂间往返、停顿等）。当实验鱼成功摄食了冻孑孓，或者10分钟之后未摄食，均结束本次训练。每天3次训练结束后，将实验鱼放回原来的小型饲养缸。记忆获得实验过程中，实验鱼只有在T形迷宫中可以得到食物。记忆验证实验记忆验证实验共进行了3次，这3次实验穿插在记忆获得阶段的最后6次实验中。记忆获得阶段的基本实验操作和数据记录与记忆获得阶段相同，但实验缸设置有所改变：无路标组撤消了食物报偿，；有路标组撤销了食物报偿和路标。活动挡板活动挡板活动门培养皿起始格图1 实验所使用的十字形鱼缸Fig.1 The 4 arms radial maze us

12、ed in the experiment数据处理实验数据的采集消耗时间即记录实验鱼离开起始格开始到进入食物臂末端所花费的时间，消耗时间的单位为秒。正确率即实验对象对方向选择的正确情况。正确率的处理按照其在实验缸中移动的轨迹进行加权，若实验鱼第一次就选择并且进入了正确端，则记为最大值1；若实验鱼第一次选择并且进入了错误端，则记为最小值0。习得次数为了比较不同路标条件对高体鳑鲏形成稳定记忆的影响差异，制定了习得标准：在记忆获得实验阶段，如果实验对象在连续10次选择中有6次选择了正确的方向，则认为其获得了稳定记忆，记录该对象的习得次数。已经获得稳定记忆的高体鳑鲏继续参与训练直到完成24轮实验实验数据

13、的统计分析对受控选择左边的以及受控选择右边的个体每次训练的均值作配对t检验，结果显示，两者间没有显著差异，所以我们将两组数据合并分析。使用excel软件统计消耗时间和正确率的平均值。使用spss19.0软件对实验数据进行相应的统计分析。消耗时间和正确率分析采用t检验。结果实验过程中消耗时间变化在两种不同的实验条件下，高体鳑鲏到达其目标位置所消耗的时间变化曲线见图2，从图中可以看出，无路标条件下和有路标条件下，时间消耗随着实验进程均表现出明显下降的趋势。对无路标组前三次记忆获得实验消耗时间均值与最后三次记忆获得实验消耗时间均值进行配对t检验，t7=1.651，P=0.143，未表现出显著性差异；

14、对有路标组前三次记忆获得实验消耗时间均值与最后三次记忆获得实验消耗时间均值进行配对t检验，t7=3.972，P=0.005，表现出显著性差异。对无路标组和有路标组的最后三次实验消耗时间均值进行比较，t14=0.864，P=0.402，未表现出显著性差异。实验过程中正确率变化对实验鱼在记忆获得阶段前三次正确率均值、记忆获得阶段最后三次正确率均值及验证实验正确率均值进行了统计，不同路标条件下的正确率比较见图3。图中显示，经过24轮记忆获得实验阶段的训练， 在无路标组和有路标组，实验对象的正确率相对训练前都有所增高。对无路标组前三次和后三次正确率均值进行比较，t4=0.-1.549，P=0.196，

15、未表现出显著性差异；对有路标组前三次和后三次正确率均值进行比较，t4=-4.950，P=0.008，表现出显著性差异。不同路标条件下形成稳定记忆所需实验次数比较对每尾参与实验的高体鳑鲏达到学习标准所需的习得次数进行了统计，16尾个体均在24轮训练中达到了制定的学习标准，其中无路标组的习得次数最少的为15次，最多的为23次，有路标组的习得次数最少为10次，最多为16次。对两组实验对象的习得次数进行比较，t14=5.528，P=0.000 0.05，两者表现出显著性差异。图2 高体鳑鲏消耗时间曲线Fig. 2 The latency in R. ocellatus图3 高体鳑鲏正确率比较Fig.

16、3 The percentage correct in R. ocellatus结论高体鳑鲏学习与记忆的表现早在1978年，OKeefe和Nadel就指出18，动物能够根据环境中收集的空间信息在大脑中形成“认知地图”。“认知地图”是动物对其生存环境的空间模式产生的神经反映，它有助于动物在较复杂的环境条件中行使一定的行为，如短途追击，迂回以及找到隐藏的目标等。不同环境提供给动物的空间信息是不同的。环境直接影响动物对空间问题的解决。近年来，很多行为学者对鱼类的空间学习与记忆的表现进行了多方面的研究。Williams等以斑马鱼为实验对象所作的有关空间转换任务的研究19、Odling-Smee和Bra

17、ithwaite以三刺鱼为实验对象所作的不同地理种群的认知策略研究20、Croy等以斑马鱼为实验对象所作的对不同颜色标记物的联想学习，都显示出鱼类具有很好的空间认知能力21。我们对高体鳑鲏的研究也显示出相同的结果，无路标组前三次记忆获得实验消耗时间均值与最后三次记忆获得实验消耗时间均值比较，t7=1.651，P=0.143，正确率比较，t4=0.-1.549，P=0.196，虽在时间和正确率变化上未表现出显著性差异，但消耗时间曲线却呈现出明显下降趋势，同时正确率相对实验前明显提高。有路标组时间和正确率的比较结果分别为：t7=3.972，P=0.005和t4=-4.950，P=0.008，两者在

18、训练前后均表现出显著性差异。结果表明经过训练的高体鳑鲏，能够依赖自身方向感或可见标记物定位，从而更快更准确地找到食物报偿的位置。反映出高体鳑鲏具有良好的空间认知能力，在不同的环境条件下，它们都能够根据感觉的，或者环境的线索，建立对食物报偿的联想性记忆。标记物对高体鳑鲏学习与记忆的影响在有可见标记物存在的环境中，动物将可见标记物作为定向标志，在无可见标记物存在的环境中，动物也可依赖自身的左右方向感定位，这是两种不同的认知策略。随机分组的高体鳑鲏，在无标记物存在的条件下，达到学习标准的习得次数为15-23次，在有路标存在条件下，习得次数为10-16次，两种不同环境下的习得次数比较，t14=5.52

19、8，P=0.000 0.05，两者表现出显著性差异。结果显示，不同条件下表现出的习得次数的显著差异，可能揭示了不同的认知策略会影响高体鳑鲏稳定记忆的形成速度，在有可见标记物的条件下，高体鳑鲏能更快形成稳定的空间认知，路标的视觉提示作用能够起到比自身方向感更强烈的刺激记忆形成的作用。而对两组实验对象记忆获得后的消耗时间进行比较，t14=0.864，P=0.402，未表现出显著性差异，表明通过不同联想途径获得的记忆，一旦稳定形成，表现在行动力上的效果是一致的，并没有显著差异。参考文献 (References) FORMTEXT 1 Ebbinghaus H. Memory: A contribut

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