行为生理学研究方法

学习和记忆

第12章

行为生理学研究方法

学习和记忆？神经生理学:

学习主要是指人或动物通过神经系统接受外界环境信息而影响自身行为的过程;记忆是指获得的经验或信息在脑内储存和提取再现的神经活动过程。行为学:“学习是引起个体对特殊环境条件所产生的适应性行为的全部过程”、“学习是指经验引起的一种适应性行为变化，记忆是过去经验的储存和回忆”。心理学:“记忆是过程，由识记、保持、再认或回忆一种心理组成”。现代出现了一门新兴学科---记忆科学，包括生物记忆、

材料记忆和机器记忆三个方面。

学习记忆属于高级神经活动或higherfunctionofbrain，它是高等动物和人类最具特色的生理特征之一。学习记忆是动物改变自身行为或产生新行为以便适应生活环境的必要过程。在人类，则是认识和改造客观世界以及参加社会实践活动必不

可少的生理条件，是人类思维活动的基本环节，是智力结

构中诸多要素（观察力、注意力、记忆力、判断力、想象

力等）的重要成分。学习记忆的生理意义

学习与记忆的基本过程Acquisition/registration

—感知外界事物或接受外界信息的阶段，通过感觉系统向脑内输入信号，即学习阶段。 获得采样Consolidation

—获得的信息在脑内编码储存和保持的

阶段。

巩固储存Retrieval

—将储存于脑内的信息提取出来使之再现于

意识中的过程，即回忆过程。

再现重放二记忆过程和分类根据信息谝码方式及记忆保持时间长短分类:

感觉记忆(sensorymemory)

短时记忆(short-termmemory)

长时记忆(long–termmemory)

根据信息储存和回忆方式分类:

陈述性记忆(declarativememory)

非陈述性记忆(nondeclarativememory)记忆:

保持,再现

记忆分三个阶段:

获得(acquisition)

储存巩固(storage&consolidation)

再现(retrieral)*6

记忆的过程

刺激感觉性记忆持续时间：<1s第一级记忆持续时间：数s第二级记忆持续时间：数分~数年第三级记忆持续时间：永久（？）遗忘消退和熄灭遗忘新的信息代替旧的遗忘前活动型和后活动性干扰可能不遗忘“信息流的中断”的中断（由于顺行性遗忘症）短时性记忆长时性记忆记忆障碍

一学习的分类

1.联合型学习(associativelearning)

经典条件反射(classicalconditioning)

操作式条件反射(operantconditioning)

回避性条件反射(avoidanceconditionedreflex)

辨别性学习(discriminationlearning)

延缓反应(delayedresponse)

2.非联合型学习(nonassociativelearning)

学习和记忆的类型*8

1.联合型学习

是两个事件在时间上很靠近地重复发生，最后在脑内逐渐形成联系

经典条件反射

条件反射是无关刺激与非条件刺激在时间上

的结合而建立起来的，这个过程称为强化

操作式条件反射

动物必须通过自己完成某种运动或操作后才能得到强化2.非联合型学习

不需要在刺激和反应之间形成某种明确的联系

非条件刺激(食物)→唾液分泌

无关刺激↓↓↓↓

信号刺激或条件刺激

1.经典条件反射(classicalconditioning)

Pavlov无关刺激↓↓↓↓

信号刺激或条件刺激非联合型学习（nonassociativelearning)

习惯化（habituation)

敏感化（sensitization）习惯化的突触机制：突触效能减弱

如果给予每日10次刺激，连续4日，产生的长时程习惯化可保持3周以上。突触前和突触后微电极记录可观察到突触后电位逐渐降低。重复刺激－感觉神经元AP时程缩短－Ca离子入膜量下降－递质释放量减少－EPSP幅度下降－运动神经元AP频率减少－腮肌收缩变弱

敏感化给予海兔一个伤害性刺激（如电击），再刺激水管就会引起较强的缩鳃反应，这就是敏感化。机制？---突触前易化使突触效能增强。人类学习方式------联合型学习

特点:

用语言,文字,符号进行学习和思维,即使没有具体刺激也能依靠文字建立很多联系;并且能把累积起耒的知识通过文字传给其它人

-------提高了学习效果

行为学是神经生理学中的重要研究方法之一。

由于神经系统的复杂性，要从分子水平、细胞水平、

神经网络水平以及行为学水平等不同的层次对其进行

全面的研究，才能得到正确的结论。

任何中枢系统的高级活动都要体现在行为学水平上才

有意义。

人的行为是生物界中最复杂的，我们可以通过各种心

理学实验手段对人的高级神经活动进行研究。

如何研究学习记忆?行为学研究方法

为了深入研究我们必须建立一些行为学动物模型。

虽然动物的行为不能和人类相比，但人脑的高级功

能包括学习记忆、本能行为、情绪等在高等动物中

同样得到体现，而且本质是一样的，只是在复杂程

度上有区别。---这也是为什么在动物研究中得到的结论可推广到

人的前提条件。

针对不同的研究目的，设计多种多样的动物行为学模型。

有关学习记忆方面的行为学模型占据着主

要地位。

人们根据不同形式的学习记忆模式,设计不同的行为学模

型，这些模型得到的结果很易量化，这些动物模型得到

广泛应用。

动物的正常行为包括运动、听觉、视觉、各种反射以及

情绪等

行为生理学的研究十分广泛

动物中枢神经系统变化必然反映到行为学变化上来。行为观察虽然较简单，但依据一定的程序和方法将

其量化，才能进行比较。本章将简单介绍常见的几种行为学研究方法（实验对象均为大鼠或小鼠）。

一、基本行为学测试（PrimaryBehavioralTest）

常见的几种行为学研究方法

运动功能和运动控制

惊吓反射（StartleReflex）

开场实验（OpenFieldTest）

明／暗偏好实验（Light/DarkPreferenceTest）和位置偏好实验

悬尾实验（TailSuspensionTest）二、学习记忆有关的行为学实验

迷宫（Maze）

跳台(stepdowntest)

穿梭箱(shuttlebox)

避暗法(stepthroughtest)

一基本行为学测试目的:是观察动物的神经系统是否正常。其内容包括：1.运动功能和运动控制:翻正反射试（RightingReflexTest）:

观察动物是否立刻翻转到正常体位。ReachingReflexTest(捉住动物的尾巴将其提起至桌子边缘上方15cm处，再缓缓放下，观察

动物是否有伸出前肢并准备抓住桌子

边缘的行为。

前肢抓握试验动物仅用前肢抓握在一细钢丝上，并持续至少1min。RotorodTest:将动物放在一根水平放置的圆杆上，杆以一定的速度旋转，记录动物在杆上停留的时间。2.惊吓反射（StartleReflex）这个模型在神经系统的研究中应用很广泛

惊吓反射是一个基本防御反射,这个反射在神经系统的研究中应用很广泛(伏核、腹侧苍白球、杏仁核

)。

目前使用最多的是听觉惊吓反射:突然出现一个很强声音刺激时，动物出现肌肉紧张甚至跳起的反应。典型实验方法：动物被限制在一个小的透明有机玻璃盒子里，适应3min，给予一个持续时间40ms，声强为100或115dB的白噪声（惊吓刺激），记录动物反应（通过盒子底部的压力传感器,记录惊吓反应强度的变化

）。

3.开场实验（OpenFieldTest）开场实验可检测动物的自发活动，探究行为，焦虑程度等行为

开场实验:简单将动物放在一个周围封闭的空间里10－30min，记录动物在这个空间内的活动:包括动物走动的总时间，动物在围墙附近停留的时间（walltime）和在中心区域停留的时间，在这个区域行走的距离，速度，定型活动的次数（如重复的前后运动），探究行为的次数（站立以及扶墙站立），排泄次数等。4.明／暗偏好实验和位置偏好实验两个大小相同的箱子，中间有通道相连，其中一个是不透光的暗箱，另外一个给予光照并透明。观察动物在两个箱子内的停留时间，进出两个箱子的次数，第一次进入暗箱的潜伏期，第一次进入明箱的潜伏期，以及动物在两个箱子内的探究行为水平等。这个模型主要用来考察动物的焦虑程度。偏好试验可以利用色觉、味觉、嗅觉等其他指标来观察动物是否对某一类刺激特别偏爱。比如，酒精成瘾的大鼠在放置了酒精棉球的箱子里面停留的时间明显长于对照箱子。此类试验在成瘾研究中使用的较多。5.悬尾实验将动物用尾巴悬挂6min，观察动物挣扎反应。该实验测试动物的沮丧（depression）和无助（Helplessness）程度。二学习记忆有关的行为学实验迷宫是常见的学习记忆模型，实验对象一般为大鼠和小鼠。迷宫的应用已经有几十年的历史，现在已经有多种类型的迷

宫装置，对动物的学习记忆进行研究。不同迷宫的研究目的不同，有的迷宫需要动物进行空间记忆，

有的迷宫需要动物的工作记忆，有的迷宫需要动物掌握一定

的规则。因此，我们需要根据研究目的的不同而使用相应的

迷宫方法。Y-迷宫实验示意图臂长25cm,宽10cm，箱底铺有铜棒，各臂顶端装有刺激信号灯。Ⅲ臂信号灯亮为安全区。小鼠置于任一臂中适应环境1min，启动另外两臂中任一臂的信号灯，延迟5s后，灯不亮的两臂则通电电击小鼠，直至逃避到安全区为止。灯亮持续5s后熄灭，完成一次测试。以小鼠到达安全区为下一次的起始位置，间隔5s后进行再一次测试。记录正确和错误反应次数

辨别性学习(Y型迷宫水迷宫)(discriminationlearning)安全区电击区装置分成三等份，分别称之为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ臂，每个臂的末端安放一盏灯，每个臂的底部由铜条构成，可以通过一定的电流来形成伤害性刺激。Ⅰ臂为起步区，

Ⅱ臂(右侧)为电击区，

Ⅲ臂(左侧)为安全区Ⅰ臂Ⅱ臂

水迷宫是一个盛满水的方形(园形)装置观察并记录动物入水后搜索目标所需时间、采用的策略和它们的游泳轨迹，有助于分析和推断动物的学习、记忆、空间定向和认知功能等方面的能力。水迷宫

在本世纪80年代，英国心理学家Morris等利用大鼠在盛有水和牛奶混悬的不透明的水池中搜索目标物的方法，研究大鼠的海马和脑区受到损害后的学习、记忆能力的变化，取得了令人瞩目的结果。

种类较多，一般是一个盛满水的方形装置，

有固定的入口和出口，用隔板进行分割，

只有一条路径可以到达出口。

水迷宫的实验对象一般为大鼠。

经过数天的训练后，大鼠可以找出一条通

往出口的最短路径。水迷宫

这种装置可观察并记录动物入水后搜索目标所需时间、采

用的策略和它们的游泳轨迹，有助于分析和推断动物的

学习、记忆、空间定向和认知功能等方面的能力。现已较广泛采用，称之

为Morris水迷宫法，采用图像自

动采集和处理系统可以将动物的运动轨迹直观地记录下

来，并可以据此进行分析，十分方便。水迷宫启示?

大鼠和小鼠跳台法均较常用的观察指标。

实验装置为一长方形反射箱，大小为lOcmXlOcmX60cm，用黑色塑料板分隔成5间。

底面铺以铜栅，间距为0．5cm，可以通电，

电压强度由一变压器控制。

每间左右角置一高和直径均为4．5cm的平台。

将动物放入反应箱内适应环境3min，然后立即通以36V交流电。动物受到电击，其正常反应是跳回平台

以躲避伤害性刺激。

多数动物可能再次或多次跳至铜栅上，受到电击后

又迅速跳回平台跳台(stepdowntest)

如此训练5min，并记录每鼠受到电击的次数或叫错误次

数(numberoferrors)，作为学习成绩。24h后重作测验，

此即记忆保持测验。记录受电击的动物数、第一次跳下平台的潜伏期和3min内的错误总数。本法优缺点：简便易行，一次可同时试验5只动物。

既可观察药物对记忆过程的影响，也

可观察对学习的

影响。有较高的敏感性，尤适合于初筛药物。缺点:是动物的回避性反应差异较

大，如需减少差异或少

用动物，可对动物进行预选或按学习成绩好坏分档次

进行试验。另外，

跳台法在电击前施以条件刺激，则可同时观察被

动和主动回避性反应跳台法优缺缺点跳台与穿梭被动回避主动回避回避性条件反射

分类:通以36V交流电。动物受到电击，正常反应是跳回平台以躲避伤害性刺激。箱底部格栅为可

以通电的不锈钢棒逃避电击，迫使动物跳至另一侧……如此来往穿梭

穿梭箱在学习、记忆实验中较为常用。

该装置由实验箱和自动记录打印装置组成。

实验箱大小为50cmXl6cmXl8cm。箱底部格栅为

可以通电的不锈钢棒，箱底中央部有一高1．2cm

的挡板，将箱底部分隔成左右两侧。

实验箱顶部有

光源和蜂鸣音控制器。

自动记录打印装置可连续自动记录动物对电刺激

或条件刺激(灯光或／和

蜂鸣音)的反应和潜伏期，

并将结果打印出来。

穿梭箱(shuttlebox)

训练时，将大鼠放人箱内任何一侧，20s后开始

呈现灯光

或(和)蜂鸣音，持续15s，后10s内同时给以电刺激(100V，0．2mA，50Hz，AC)。

最初动物只对电击有反应，即逃至对侧以回避电击。

20s后再次出现条件刺激(灯光或(和)蜂鸣音)并继之在动物

所在侧施以电刺激迫使动物跳至另一侧……如此来往穿梭。穿梭箱法可观察被动和主动回