CN111990971B - 一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，提取触屏操作箱配对联想学习实验过程中的训练实验原始数据；顺序提取每试次实验所产生的不同图形刺激物组合和与之对应的实验动物触击屏幕的位置；预设触击屏幕正确位置并统计每试次正确项；计算得出训练阶段实验动物个体的总正确率、单对视觉空间配对组合正确率和单对视觉空间配对组合固执率；根据训练阶段最后一天单对视觉空间配对组合固执率确定向PAL测试阶段进行转换的实验动物；提取转换到测试阶段的实验动物所产生的实验原始数据，计算得出测试阶段实验动物个体的总正确率以及单对视觉空间配对组合正确率。本发明可以在较短试验周期内判定不同组别实验动物学习能力的区别。
Description
技术领域
本发明属于动物行为学实验技术领域，具体涉及一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法。
背景技术
配对联想学习(PAL)是一种联想记忆任务，并在认知能力检测上具有跨物种相似性。而视觉空间配对学习是配对联想学习的模式之一，其通过人类或动物在多个阶段中掌握物体与位置之间的联系来检测学习记忆能力。该实验技术应用面甚广，常被用于检测人类或啮齿动物的轻度认知功能障碍。由于水迷宫和八臂迷宫实验往往只能检测分辨出空间认知功能损伤较为严重的啮齿动物，而在复杂的认知功能水平检测上受限很大，故该技术较常被用于评估人类或啮齿动物在精神分裂症和阿尔兹海默症等疾病下所出现的轻度认知功能损伤等早期症状，并在啮齿动物模型中用来评估所研发药物的治疗潜力或新疗法的效用。因而该技术在临床诊断和科研探究上都具有十分重要的意义。
触屏操作箱是一种评估啮齿动物认知能力而设计的行为学实验装置，其认知能力的高低常通过该操作箱中视觉空间配对联想学习的效果进行观察。该实验过程分为训练阶段和PAL测试阶段。在训练阶段中，实验常会分为5-6个阶段性步骤，使得实验动物学习并掌握整个测试试次所需要的全部实验行为，包括：训练动物接受试次开始信号；对屏幕上出现的刺激图像进行触碰反应；触碰正确后获得食物奖励；触碰错误接受5s的罚时。在随后的PAL测试阶段中，实验人员会设计三种不同的图形刺激物与相应的位置匹配，即三对正确的视觉空间配对组合。例如，当左侧位置出现花朵时或中间位置出现飞机时或右侧位置出现蜘蛛时，触碰该屏幕即为正确反应，若触碰错误位置的另一个图像则为错误。通常在测试阶段记录每天动物的总学习正确率，作为其认知能力高低的评估方法。例如，AndrewJ.Roebuck等人研究发现通过MK-801构建的精神分裂症模型小鼠中，在PAL测试阶段其准确率和完成时间相比于对照组都显著降低；其团队还报道在急性束缚应激下，LE雄性大鼠在PAL测试中的效率与准确性明显高于对照组，而这一现象在仅注射皮质醇的实验组中并未出现，这可能与不同处理在杏仁核释放的儿茶酚胺的能力有关；胆碱能神经传递受损与老龄化和阿尔兹海默症密切相关，Carola Romberg等人发现在M2型毒蕈碱型受体缺陷的小鼠中，其PAL测试阶段物体-位置关联学习能力受损，准确率较于对照组显著降低；该结果与阿尔兹海默症相关的VAChT基因敲除小鼠表现一致。故该实验技术可以在科学研究中区分认知能力正常与受损动物。
虽然该实验方法目前在科学研究中作为一种视-空配对关联学习能力的评估手段，但由于其行为范式较为复杂，检测时程长，单一评估指标的检测区分效度有限等缺点，运用此常规的实验方法观察并区分不同处理组实验动物的认知能力时，存在检测程序标准不统一，建模周期长，可操作性差，评价指标不足等问题，具体说来：首先由于检测程序复杂且缺乏统一标准，测试阶段动物对任务规则的训练学习充分程度的差异可能影响测试阶段的实验结果，难以准确评估其配对关联学习能力。例如，在测试初期一些实验动物的正确反应率呈现“地板效应”，各个实验组区分度较小，导致实验结果受误差影响非常大；其次，总学习正确率的评估指标不能反映实验动物在动态的复杂视-空配对任务中的学习过程，问题解决策略建立过程，及其学习策略等，使得该方法的信度和效度不足，难以进行更精细的实验分析，也无法准确评估动物学习能力，这些皆为现有实验方法的不足之处。
发明内容
为了解决现有配对联想学习实验中通过分析总学习正确率来判定实验动物认知能力的分析方法，具有实验程序缺乏统一标准、有效性低、无法探究学习策略与效度等问题。本发明提供了更多有效的实验参数和新的实验分析方法，为此，本发明提供了一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法。
具体实施方案如下：
一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，提取触屏操作箱配对联想学习实验过程中所产生的训练阶段实验原始数据；顺序提取每次实验所产生的不同图形刺激物组合和与之对应的实验动物触击屏幕的位置；预设触击屏幕正确位置，自动统计每试次的正确与否；经计算得出训练阶段实验动物个体的总正确率、单对视觉空间配对组合正确率和单对视觉空间配对组合固执率；根据训练阶段最后一天单对视觉空间配对组合固执率确定向PAL测试阶段进行转换的实验动物；提取转换到测试阶段的实验动物所产生的实验原始数据，经计算得出测试阶段实验动物个体的总正确率以及单对视觉空间配对组合正确率，并对实验动物的认知能力作出评估。
通过将训练阶段最后一天实验动物个体所得出的单对视觉空间配对组合固执率，将单对视觉空间配对组合固执率低于40％的实验动物向PAL测试阶段进行转换，未满要求的实验动物个体则淘汰。
在训练阶段，触碰操作箱内所设置的三块触摸屏各对应一个预设正确的图形刺激物，每试次时随机的两块屏幕出现两个相同的刺激物，且其中一块屏幕对应预设正确的图形刺激物，一块屏幕出现空白；当实验动物选择正确位置的图形刺激物时，该试次视为正确且下一试次随机出现与此试次不同图形或位置的刺激物组合；当实验动物触碰错误位置的图形刺激物或空白屏幕时，则该试次视为错误且下一试次仍出现相同图形与位置的刺激物组合，直至实验动物选择触碰正确位置的图形刺激物为止，并根据下述公式计算单对视觉空间配对组合固执率：
设置训练阶段为14天，每天训练时间小于1小时，且1小时内完成100个试次停止，其中训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率为：
经训练阶段训练合格后的实验动物进入PAL测试阶段，每试次均通过程序控制触屏操作箱中的三个屏幕中的随机两个屏幕出现相同的图形刺激物以及一块出现空白屏幕，且无论实验动物个体触碰图形刺激物正确与否，下一试次均从其余图形刺激物组合种类中随机挑选，并通过下述公式计算测试阶段实验动物个体总正确率和单对视觉空间配对组合正确率；
在训练阶段和测试阶段中，所采用的图形刺激物和与图形刺激物对应的正确位置完全相同。
进一步优选地，所述方法还包括对训练阶段实验动物个体的非纠正正确率、单对视觉空间配对组合非纠正试次正确率、单个屏幕正确率的参数分析，及对测试阶段单个屏幕正确率的分析。
本发明技术方案具有如下优点：
A.本发明通过明确对实验动物从训练阶段向PAL测试阶段进行转换的评价标准，在训练阶段所得到的实验动物个体单对视觉空间配对组合固执率，为训练阶段向测试阶段的转换提供了可靠地依据，同时，增强了实验的信度和稳定性；
B.通过本发明所提供的实验分析方法，通过结合训练阶段与测试阶段，分析实验动物的总体正确率与单对视觉空间配对组合正确率，从而可以对总任务中每个分项的学习过程进行高效度、精细化学习能力的评估，在避免初始阶段的“地板效应”的同时增强了该实验对动物认知能力检测的效度和敏感度，可以很大程度上在较短的实验周期范围内精准的判定不同组别实验动物学习能力的区别。
C.本发明中的分析数据可以为实验者进一步探索不同处理组别实验动物的学习策略提供牢靠的数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的实验与分析方法框图；
图2为本发明所提供的实验动物个体X三对视觉空间配对组合固执率；
图3为本发明所提供的实验动物个体Y PAL测试总正确率；
图4为本发明所提供的实验动物个体Y三对视觉空间配对组合正确率；
图5为两组实验动物PAL测试总正确率每日比较(P＜0.05，与treated组实验动物比较)
图6为两组实验动物block后PAL测试总正确率每阶段比较(P＜0.05，与treated组实验动物比较)；
注：block采用5天一均值
图7为两组实验动物PAL测试总正确率均值比较(P＜0.001)；
图8为两组实验动物各block阶段最优单对视觉空间配对组合正确率均值与实验动物只数比例比较(*P＜0.05，**P＜0.01，***P＜0.001，与control组实验动物比较，注：这里的“*”号数量代表不同的显著性水平)；
注：左侧轴线对应柱状图，为最优单对视觉空间配对组合正确率均值数据；右侧轴线对应折线图，为实验动物只数比例数据。实验动物只数根据各阶段最优单对视觉空间配对组合正确率达标80％为判定标准。
图9为两组实验动物各block阶段最优两对视觉空间配对组合正确率均值与实验动物只数比例比较(*P＜0.05，与control组实验动物比较)；
注：实验动物只数根据各阶段最优两对视觉空间配对组合正确率均达标70％为判定标准。
除特殊说明，以上单日数据与连续多日数据对比均采用三天一均值。且连续多日数据为每一天采一均值，即32天数据采连续30位数值；最优及次优视觉空间配对组合以30天均值比较选取。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，提取触屏操作箱配对联想学习实验过程中所产生的训练阶段实验原始数据；将每次实验所产生的不同图形刺激物组合和与之对应的实验动物触击屏幕的位置进行顺序提取；通过预设触击屏幕正确位置，自动统计每试次的正确与否；经计算得出训练阶段实验动物个体的总正确率、单对视觉空间配对组合正确率和单对视觉空间配对组合固执率；根据训练阶段最后一天单对视觉空间配对组合固执率确定向PAL测试阶段进行转换的实验动物；提取转换到测试阶段的实验动物所产生的实验原始数据，经计算得出测试阶段实验动物个体的总正确率以及单对视觉空间配对组合正确率，并对实验动物的认知能力作出评估。
本发明所提取的触屏操作箱配对联想学习实验过程中所产生的训练阶段实验原始数据，可以是在原有总正确率等数据基础上，将触屏实验箱内所产生该实验的Raw date(原始数据)进行了数据提取，根据现有Raw date的格式和信息制作相应的计算程序，经程序计算可将每次实验所产生的不同图形刺激物组合(包含图形刺激物种类和出现位置)和与之对应的实验动物触击屏幕的位置进行顺序提取，根据预设的正确位置，自动统计每试次的正确与否，最终计算出三对视觉空间配对组合的各自正确率与固执率。
本发明中的视觉空间配对学习实验分析方法包含了训练阶段和测试阶段的如下实验参数：训练阶段实验动物个体总正确率、训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率、训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合固执率、测试阶段实验动物个体总正确率以及测试阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率。
本发明还提供了如下可计算的实验分析参数：训练阶段实验动物个体非纠正正确率、训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合非纠正试次正确率、训练阶段各位置正确率和测试阶段各位置正确率。
以上实验数据皆可从触屏操作箱实验仪器运行原始数据中提取获得。以上单日数据与连续多日数据对比均采用三天一均值。且连续多日数据为每一天采一均值，即32天数据采连续30位数值。
训练阶段中的实验流程如下：
在触屏操作箱内，每一个试次都是从实验动物探索食槽开始，之后关闭食槽灯，在屏幕上三个位置(左、中、右)中的随机出现图形刺激。在屏幕上显示的两个图形刺激中，一个位于正确的位置(S+)，另一个位于错误的位置(S-)。当实验动物触碰正确位置的图形刺激物时，刺激物消失，实验动物获得奖励物；相反，如果实验动物触碰错误位置的图形刺激，刺激物消失，实验箱灯亮5秒，无奖励物。与常规实验流程不同的是，本发明在训练阶段，将触屏操作箱内的三块触摸屏各对应一个预设正确的图形刺激物，即三对正确的视觉空间配对组合，每试次时随机两块屏幕出现两个相同的图像刺激物，且其中一块屏幕对应预设正确的图形刺激物，第三块屏幕显示为空白，当中含一个正确位置触摸屏的图形刺激物，即该阶段包括六种不同的图形刺激物组合种类。当实验动物选择正确位置的图形刺激物时，该试次视为正确且下一试次随机出现不同图形或位置的刺激物组合；当实验动物触碰错误位置的图形刺激物或空白屏幕时，则该试次视为错误且下一试次仍出现相同图形与位置的刺激物组合(纠正试次)，直至实验动物选择触碰正确的图形刺激物为止。本发明优选地将训练阶段设置为14天，每天训练时间最长为1小时，1小时内达100个试次即停，旨在使实验动物掌握刺激物与位置具有关联度这一规律。当然，也可以设置不同于本发明的其他天数和每天的训练时间及试次。在这一训练阶段每日的任务中，实验需记录：
在训练阶段实验动物个体固执率计算公式中，若第100试次开始出现某对视觉空间配对组合且实验动物选择错误，该试次不计入该对视觉空间配对组合非纠正试次出现的次数。
上述计算公式中的训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合固执率参数，反映实验动物个体是否有效掌握该训练阶段的配对学习规则，固执率参数意在达到提高实验稳定性的目标。
本发明将训练阶段最后一天实验动物个体单对视觉空间配对组合固执率低于40％，视为掌握该配对学习范式规则的动物进入测试阶段。
在上述训练阶段完成并合格后进入PAL测试阶段，除了总正确率，本发明采用新的分析方法和评价指标进一步对每对视-空配对学习成绩变化过程及其相互关系进行动态和精细化分析。具体地说，三个目标位置中随机两个出现相同的图形刺激物，一块为空白屏，且含一个正确位置触摸屏的图形刺激物。测试阶段与上一训练阶段图形刺激物种类和与之对应的正确位置完全相同。无论实验动物触碰图形刺激物正确与否，下一试次均从其余五种图形刺激物组合种类中随机挑选，并重复这一过程直至100个试次。此测试阶段为32天，在这一PAL测试阶段任务中，实验需记录：
通过分析测试阶段实验动物个体总正确率与测试阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率，两者可以判断不同组别实验动物的学习效果，解决了现有实验分析方法中存在区分效度较差，常在较长时间内呈现“地板效应”的问题。
本发明通过单对视觉空间配对组合学习结果分析，观察各组别最优视觉空间配对组合的正确率和达标只数的差异。同时观察各组别最优的两对视觉空间配对组合正确率和达标只数的差异，以此观察各组别实验动物的学习认知能力。
本发明采用含有对照组(Control组)与实验组(Treated组)实验动物各6只，根据14天训练阶段的训练，将最后一天单对视觉空间配对组合固执率低于40％的实验动物向PAL测试阶段进行转换，即为实验动物已掌握理解该学习范式，如图2所示。
如图3所示，在PAL测试阶段中，从Raw date(原始数据)内将三对视觉空间配对组合的各自正确率进行了提取，经过32天实验测试，实验动物个体Y PAL测试总正确率。
图4所示为实验动物个体Y三对视觉空间配对组合正确率，该范式反映学习能力的精度远远优于测试总正确率。如图5所示，在32天的PAL实验测试中，两组间实验动物总正确率在第28天后连续差异显著。另外，将实验动物5日数据作为一个阶段取均值，在图6中可以看出第6时期出现显著差异,且两组实验动物30天总正确率均值对比，P＜0.001，如图7所示。
图8所示在新的实验参数提取数据中，可以看出对照组最优单对视觉空间配对组合正确率与实验组相比在各时期均有显著性差异，且对照组达标实验动物远高于实验组(以最优视觉空间配对组合正确率达标80％为判定标准)；如图9所示，在最优的两对视觉空间配对组合学习上，对照组在第4时期时，其正确率与实验组相比已表现出显著性差异，且对照组达标实验动物较高于实验组。
上述实验结果表明，在相同时间内对照组比实验组学习会一种视觉空间配对组合的实验动物数量更多，学习效率更快，且与现有数据相比，本发明可以在更短的时期内分析出两组实验动物间的学习差异，且实验稳定性高，表明该范式反映学习能力的区分效度也远远优于现有实验分析方法。
根据该实验分析得知：对照组实验动物的认知能力显著高于实验组。
本发明将原有触屏操作箱实验步骤中的由训练阶段进入测试阶段的训练标准进行了设定，以使实验动物在训练最后一阶段中掌握后续配对学习所需的基本规则，从而在测试阶段中更客观评估动物的学习能力和学习效果。再通过训练阶段实验动物个体总正确率、训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率、训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合固执率、测试阶段实验动物个体总正确率以及测试阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率等实验参数的分析，最终为触屏操作箱配对关联学习能力评估提供全面准确的实验数据和分析方法，在实验动物的复杂认知能力检测方法上具有重大意义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，其特征在于，提取触屏操作箱配对联想学习实验过程中所产生的训练阶段实验原始数据；顺序提取每试次实验所产生的不同图形刺激物组合和与之对应的实验动物触击屏幕的位置；预设触击屏幕正确位置，自动统计每试次的正确与否；经计算得出训练阶段实验动物个体的总正确率、单对视觉空间配对组合正确率和单对视觉空间配对组合固执率；根据训练阶段最后一天单对视觉空间配对组合固执率确定向PAL测试阶段进行转换的实验动物；提取转换到测试阶段的实验动物所产生的实验原始数据，经计算得出测试阶段实验动物个体的总正确率以及单对视觉空间配对组合正确率，并对实验动物的认知能力作出评估；
在训练阶段，触碰操作箱内所设置的三块触摸屏各对应一个预设正确的图形刺激物，每试次时随机的两块屏幕出现两个相同的刺激物，且其中一块屏幕对应预设正确的图形刺激物，第三块屏幕出现空白；当实验动物选择正确位置的图形刺激物时，该试次视为正确且下一试次随机出现与此试次不同图形或位置的刺激物组合；当实验动物触碰错误位置的图形刺激物或空白屏幕时，则该试次视为错误且下一试次仍出现相同图形与位置的刺激物组合，直至实验动物选择触碰正确位置的图形刺激物为止，并根据下述公式计算单对视觉空间配对组合固执率：
设置训练阶段14天，每天训练时间小于1小时，且1小时内完成100个试次停止，其中训练阶段实验动物个体单对视觉空间配对组合正确率为：
经训练阶段训练合格后的实验动物进入PAL测试阶段，每试次均通过程序控制触屏操作箱中的三个屏幕中的随机两个屏幕出现相同的图形刺激物以及一块出现空白屏幕，且无论实验动物个体触碰图形刺激物正确与否，下一试次均从其余图形刺激物组合种类中随机挑选，并通过下述公式计算测试阶段实验动物个体总正确率和单对视觉空间配对组合正确率；
2.根据权利要求1所述的基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，其特征在于，通过将训练阶段最后一天实验动物个体所得出的单对视觉空间配对组合固执率，将单对视觉空间配对组合固执率低于40％的实验动物向PAL测试阶段进行转换，未满要求的实验动物个体则淘汰。
3.根据权利要求1所述的基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，其特征在于，在训练阶段和测试阶段中，所采用的图形刺激物和与图形刺激物对应的正确位置完全相同。
4.根据权利要求1所述的基于触屏操作箱视觉空间配对学习的实验与分析方法，其特征在于，所述方法还包括对训练阶段实验动物个体的非纠正正确率、单对视觉空间配对组合非纠正试次正确率、单个屏幕正确率的参数分析，及对测试阶段单个屏幕正确率的分析。
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