智能迷宮助力行為學研究

自動化的「智能迷宮」解放了行為學研究者，讓他們不用再進行繁瑣的小鼠迷宮實驗。同時，智能迷宮還提高了數據質量和可重複性。

在讀研究生時，行為神經科學家 Mark Brandon 經常耗費數小時展開小鼠 T 迷宮實驗。在該迷宮中，小鼠沿著一條線路行走，然後在路口處選擇左拐或右拐。該實驗非常有用，但也極度無聊。所以，當他拿到加拿大麥吉爾大學（McGill University）的教職時，Brandon 想要開發一項新技術，以擺脫這項乏味的實驗。

他從馬薩諸塞州一家初創公司 MazeEngineers 處購買了一個自動化的 T 迷宮。該系統除了一個簡單的迷宮之外，還有一扇門，嚙齒動物經過時，這扇門會從底部升起來，防止動物倒退。同時，該迷宮還自帶視頻監控，以記錄動物的行為。一旦嚙齒動物完成一項任務，迷宮就會將動物引導回起點。Brandon 等人希望通過分析在這些測試中動物的哪些神經迴路是活躍的，來揭示大腦如何將記憶與時間聯繫起來。Brandon 表示，自動化的 T 迷宮非常有用。

今天，這樣的自動化系統已經變得越來越普遍和複雜。美國國家糖尿病和消化和腎病研究所（US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases）的神經科學家 Alexxai Kravitz 指出，很多先進的技術，如觸摸屏和微控制器都開始進入行為研究實驗室了。但是儘管這種迷宮實現了自動化，但仍然需要人工來確保這些工具正常運行。

研究人員利用迷宮測試動物的精神特徵，如記憶力和注意力。在二十世紀的大部分時間裡，科學家們利用迷宮實驗，讓嚙齒動物沿著精細的路徑，探索精神極限。 MazeEngineers 創始人 Shuhan He 表示，現在的設置相當簡單，這使得結果更易於被納入統計分析。對他來說，迷宮就是關於決策和結果——測試認知的關鍵方面。但是，由於研究人員越來越希望在每個實驗中增加實驗動物的數量，並儘可能多地收集行為數據，自動化已是大勢所趨。

在 20 世紀 90 年代，科學家們首次使用視頻跟蹤來監測嚙齒動物的行為，這包括從用計算機識別動物重心，到識別簡單的行為，例如嚙齒動物尋找或避免特定的刺激。現在，只需追蹤頭部和身體的其它部位，軟體就可以識別出微小的行為，如嗅探、整理皮毛和排尿。後來追蹤果蠅和斑馬魚等動物的行為的儀器也相繼問世。

伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校（University of Illinois in Urbana–Champaign）的行為神經科學家 Justin Rhodes 支持，現在你可以開始一個程序，在迷宮中自動追蹤動物，並在動物完成任務後立即獲得數據，並進行分析。Rhodes 的研究方向是探討運動對大腦的影響。

自動化模式還有望通過減少人類在實驗中的作用，來提高實驗結果的準確性和客觀性。它可提供標準化的設備和任務，以便研究人員直接比較他們的結果。

MazeEngineers 的小鼠自動化 T 迷宮售價是 4900 美元起。事實上，提供自帶視頻的迷宮及相關軟體的公司日益增多，比如弗吉尼亞州的 Clever Sys、荷蘭的 Noldus 等公司。Rhodes 最青睞 Clever Sys 的 HomeCageScan 系統（四個迷宮大約 5.5 萬美元），因為該系統能夠追蹤多個動物。對此，他表示這很重要，畢竟有時候幾隻小鼠會團在一起。俄亥俄州辛辛那提大學（University of Cincinnati in Ohio）的行為神經科學家 Evelin Cotella 則更喜歡 Noldus 的 EthoVision 軟體（軟體版費為 5850 美元），因為它對用戶更友好。

但這並不意味著智能迷宮系統效果很好。Rhodes 指出，科學家通常不得不調整包括照明和視覺對比在內的各種參數，以使視頻跟蹤軟體發揮作用。而且，在使用前，他們還要測定系統在識別行為方面的準確程度。Cotella 表示，儘管系統確實不完美，但讓人來做這些事情，也不是完美的，與人相比，起碼軟體前後是一致的。

Cotella 的團隊不得不比較系統與研究人員在識別動物行為上的準確度。同時，團隊還必須優化參數，例如確認每個視頻中有多少個像素點是靜止的，才算是小鼠「停止活動」。Cotella 指出，他們花了 6 個月來調試，才對系統的輸出結果放心。他們購買這個系統有一年了，並打算在下個月開始發表研究報告。智能迷宮確實加快了 Cotella 等人的實驗進度。

德國 TSE Systems 公司的 IntelliCage 使用皮下射頻識別（radio-frequency identification，RFID）標籤追蹤動物運動。據 TSE 科學家 Daniela Oettler 解釋，相比於視頻識別，RFID 不受光線影響，甚至可在完全黑暗中運行。

IntelliCage 適用於各種傳統的實驗室籠子。它的四個角落都有一些傳統迷宮會出現的測試——例如，一個角落可能有難聞的氣味，而其它角落則沒有。用戶可以對各個角落進行分別設置，讓其只對特定動物作出反應，以便讓不同的嚙齒動物進行不同的測試。

IntelliCage 系統售價為 6 萬美元，可容納 16 只小鼠。瑞士蘇黎世大學（University of Zurich）的行為神經科學家 David Wolfer 指出，能容納多隻小鼠是 IntelliCage 的一個優點，因為小鼠是社會動物。將小鼠們放在一起有助於降低壓力，而壓力是數據波動的來源。Wolfer 表示，因為 IntelliCage 採用的是 RFID 標籤技術，所以它能識別的行為比視頻追蹤系統要少。例如，它無法檢測到動物何時抬起它的後腿。但是 Oettler 指出，視頻分析在解讀結果方面更易引入觀察者偏差。

觀察進食行為

行為科學家還給膳食監測引入了自動化模式。例如，Kravitz 通過跟蹤小鼠食物攝入量和活動水平來調查肥胖症。但是，因為小鼠吃得很少，所以測量中即使是微小的錯誤都可能導致結果不準。此時，自動化就有優勢了。

諸如新澤西州的 Research Diets 和內華達州的 Sable Systems International 等公司的自動化硬體使用微型電子秤來測量每隻動物的視頻攝取量。但系統使用的標籤價格較貴，因此不利於開展大規模試驗。所以 Kravitz 等人開發了一種開源替代品：餵食實驗裝置（Feeding Experimentation Device, FED）。

為了適應標準籠子，FED 使用動物的 RFID 標籤來記錄其行為，每當小鼠被拿走食物顆粒時會被記錄該行為。每台設備的成本大約為 350 美元，不到商用系統價格的十分之一。

相應的指令可以在 OpenBehavior——一個由 Kravitz 共同創立的、致力於開源行為科學項目的網站——上找到。但是，Kravitz 提醒，如果系統出現技術問題，就得研究人員自行修理。你自己搭建系統，造價便宜，但究竟有多便宜，則完全取決於你花了多長時間在它身上。

鼠類 iPad

在加拿大倫敦西部大學（Western University），認知神經科學家 Tim Bussey 和 Lisa Saksida 開發了包含觸摸屏的房間，研究人員可以使用這些房間對嚙齒類動物進行 20 種左右的認知任務測試，包括記憶、學習、注意力，甚至賭博。

Bussey 指出，這就像為大鼠和小鼠準備了一台 iPad，其主要區別在於，人是用手指點擊屏幕，而鼠會將它們的鼻子放在屏幕上。成功完成一項任務，系統內置的食物分配點會流出一些草莓奶昔。

觸摸屏自帶英國拉夫堡的 Campden Instruments 公司和印第安納州的 Lafayette Instrument 公司的預編程。Bussey 表示，另外，研究人員可以使用名為「動物行為環境測試系統」（Animal Behavior Environment Test System）的軟體來編寫自己的任務。

由於這些任務是標準化的，所以在研究中使用這些設備的 Brandon 指出，他們可以對跨實驗室，甚至跨物種的數據進行比較。其目的是將來自許多實驗室的信息放置在一個資料庫中，以便學界能夠在特定任務期間分辨整個大腦結構中的神經元的活動。通過這種方式來收集的數據量大到難以想像。

不僅如此，數據量還在不斷增加。Brandon 現在將觸摸屏室與開源「miniscopes」耦合，使用熒光成像記錄自由移動小鼠的神經活動。每個顯微鏡成本約 500 美元。他指出，這些研究室甚至可以與光遺傳學相結合，這樣就可以使用光來操縱神經活動。

一些公司正在進一步開發自動化模式，採用全自動化的飼養室，進行全天候的監測。這樣的系統可以用於多種研究，例如研究藥物對動物的行為影響。例如，TSE 的 PhenoWorld 系統飼養了幾隻 RFID 標記的大鼠和小鼠，以進行迷宮等試驗。該系統同時記錄動物的代謝和其它特徵；Oettler 表示，監控這些大、小的系統成本可能達到 80 萬美元。

同樣，MazeEngineers 的研究人員正在構建「迷津園（Labyrinth）」——一個多達 25 個模塊的網格，可以配置成 20 多個自動迷宮。嚙齒動物的籠子可以連接到迷津園的邊緣，並自動讓動物進出。

如果這變成現實，迷宮可能會從科學工具變成「科學家」，自行開展試驗。

原文檢索：Charles Choi. (2018) The mazes with minds of their own. Nature, 555: 127-128. 張潔 / 編譯

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