自動(dòng)化的“智能迷宮”解放了行為學(xué)研究者，讓他們不用再進(jìn)行繁瑣的小鼠迷宮實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，智能迷宮還提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量和可重復(fù)性。

　　在讀研究生時(shí)，行為神經(jīng)科學(xué)家 Mark Brandon 經(jīng)常耗費(fèi)數(shù)小時(shí)展開小鼠 T 迷宮實(shí)驗(yàn)。在該迷宮中，小鼠沿著一條線路行走，然后在路口處選擇左拐或右拐。該實(shí)驗(yàn)非常有用，但也極度無聊。所以，當(dāng)他拿到加拿大麥吉爾大學(xué)(McGill University)的教職時(shí)，Brandon 想要開發(fā)一項(xiàng)新技術(shù)，以擺脫這項(xiàng)乏味的實(shí)驗(yàn)。

　　他從馬薩諸塞州一家初創(chuàng)公司 MazeEngineers 處購買了一個(gè)自動(dòng)化的 T 迷宮。該系統(tǒng)除了一個(gè)簡單的迷宮之外，還有一扇門，嚙齒動(dòng)物經(jīng)過時(shí)，這扇門會(huì)從底部升起來，防止動(dòng)物倒退。同時(shí)，該迷宮還自帶視頻監(jiān)控，以記錄動(dòng)物的行為。一旦嚙齒動(dòng)物完成一項(xiàng)任務(wù)，迷宮就會(huì)將動(dòng)物引導(dǎo)回起點(diǎn)。Brandon 等人希望通過分析在這些測試中動(dòng)物的哪些神經(jīng)回路是活躍的，來揭示大腦如何將記憶與時(shí)間聯(lián)系起來。Brandon 表示，自動(dòng)化的 T 迷宮非常有用。

　　今天，這樣的自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越普遍和復(fù)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(jīng)科學(xué)家 Alexxai Kravitz 指出，很多先進(jìn)的技術(shù)，如觸摸屏和微控制器都開始進(jìn)入行為研究實(shí)驗(yàn)室了。但是盡管這種迷宮實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但仍然需要人工來確保這些工具正常運(yùn)行。

　　研究人員利用迷宮測試動(dòng)物的精神特征，如記憶力和注意力。在二十世紀(jì)的大部分時(shí)間里，科學(xué)家們利用迷宮實(shí)驗(yàn)，讓嚙齒動(dòng)物沿著精細(xì)的路徑，探索精神極限。 MazeEngineers 創(chuàng)始人 Shuhan He 表示，現(xiàn)在的設(shè)置相當(dāng)簡單，這使得結(jié)果更易于被納入統(tǒng)計(jì)分析。對他來說，迷宮就是關(guān)于決策和結(jié)果——測試認(rèn)知的關(guān)鍵方面。但是，由于研究人員越來越希望在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量，并盡可能多地收集行為數(shù)據(jù)，自動(dòng)化已是大勢所趨。

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

　　伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校(University of Illinois in Urbana–Champaign)的行為神經(jīng)科學(xué)家 Justin Rhodes 支持，現(xiàn)在你可以開始一個(gè)程序，在迷宮中自動(dòng)追蹤動(dòng)物，并在動(dòng)物完成任務(wù)后立即獲得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。Rhodes 的研究方向是探討運(yùn)動(dòng)對大腦的影響。

　　自動(dòng)化模式還有望通過減少人類在實(shí)驗(yàn)中的作用，來提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。它可提供標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備和任務(wù)，以便研究人員直接比較他們的結(jié)果。

　　MazeEngineers 的小鼠自動(dòng)化 T 迷宮售價(jià)是 4900 美元起。事實(shí)上，提供自帶視頻的迷宮及相關(guān)軟件的公司日益增多，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(tǒng)(四個(gè)迷宮大約 5.5 萬美元)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)能夠追蹤多個(gè)動(dòng)物。對此，他表示這很重要，畢竟有時(shí)候幾只小鼠會(huì)團(tuán)在一起。俄亥俄州辛辛那提大學(xué)(University of Cincinnati in Ohio)的行為神經(jīng)科學(xué)家 Evelin Cotella 則更喜歡 Noldus 的 EthoVision 軟件(軟件版費(fèi)為 5850 美元)，因?yàn)樗鼘τ脩舾押谩?/p>

　　但這并不意味著智能迷宮系統(tǒng)效果很好。Rhodes 指出，科學(xué)家通常不得不調(diào)整包括照明和視覺對比在內(nèi)的各種參數(shù)，以使視頻跟蹤軟件發(fā)揮作用。而且，在使用前，他們還要測定系統(tǒng)在識(shí)別行為方面的準(zhǔn)確程度。Cotella 表示，盡管系統(tǒng)確實(shí)不完美，但讓人來做這些事情，也不是完美的，與人相比，起碼軟件前后是一致的。

　　Cotella 的團(tuán)隊(duì)不得不比較系統(tǒng)與研究人員在識(shí)別動(dòng)物行為上的準(zhǔn)確度。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還必須優(yōu)化參數(shù)，例如確認(rèn)每個(gè)視頻中有多少個(gè)像素點(diǎn)是靜止的，才算是小鼠“停止活動(dòng)”。Cotella 指出，他們花了 6 個(gè)月來調(diào)試，才對系統(tǒng)的輸出結(jié)果放心。他們購買這個(gè)系統(tǒng)有一年了，并打算在下個(gè)月開始發(fā)表研究報(bào)告。智能迷宮確實(shí)加快了 Cotella 等人的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

　　德國 TSE Systems 公司的 IntelliCage 使用皮下射頻識(shí)別(radio-frequency identification，RFID)標(biāo)簽追蹤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。據(jù) TSE 科學(xué)家 Daniela Oettler 解釋，相比于視頻識(shí)別，RFID 不受光線影響，甚至可在完全黑暗中運(yùn)行。

　　IntelliCage 適用于各種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室籠子。它的四個(gè)角落都有一些傳統(tǒng)迷宮會(huì)出現(xiàn)的測試——例如，一個(gè)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(gè)角落進(jìn)行分別設(shè)置，讓其只對特定動(dòng)物作出反應(yīng)，以便讓不同的嚙齒動(dòng)物進(jìn)行不同的測試。

　　IntelliCage 系統(tǒng)售價(jià)為 6 萬美元，可容納 16 只小鼠。瑞士蘇黎世大學(xué)(University of Zurich)的行為神經(jīng)科學(xué)家 David Wolfer 指出，能容納多只小鼠是 IntelliCage 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樾∈笫巧鐣?huì)動(dòng)物。將小鼠們放在一起有助于降低壓力，而壓力是數(shù)據(jù)波動(dòng)的來源。Wolfer 表示，因?yàn)?IntelliCage 采用的是 RFID 標(biāo)簽技術(shù)，所以它能識(shí)別的行為比視頻追蹤系統(tǒng)要少。例如，它無法檢測到動(dòng)物何時(shí)抬起它的后腿。但是 Oettler 指出，視頻分析在解讀結(jié)果方面更易引入觀察者偏差。

　　觀察進(jìn)食行為

　　行為科學(xué)家還給膳食監(jiān)測引入了自動(dòng)化模式。例如，Kravitz 通過跟蹤小鼠食物攝入量和活動(dòng)水平來調(diào)查肥胖癥。但是，因?yàn)樾∈蟪缘煤苌?，所以測量中即使是微小的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)。此時(shí)，自動(dòng)化就有優(yōu)勢了。

　　諸如新澤西州的 Research Diets 和內(nèi)華達(dá)州的 Sable Systems International 等公司的自動(dòng)化硬件使用微型電子秤來測量每只動(dòng)物的視頻攝取量。但系統(tǒng)使用的標(biāo)簽價(jià)格較貴，因此不利于開展大規(guī)模試驗(yàn)。所以 Kravitz 等人開發(fā)了一種開源替代品：喂食實(shí)驗(yàn)裝置(Feeding Experimentation Device, FED)。

　　為了適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)籠子，F(xiàn)ED 使用動(dòng)物的 RFID 標(biāo)簽來記錄其行為，每當(dāng)小鼠被拿走食物顆粒時(shí)會(huì)被記錄該行為。每臺(tái)設(shè)備的成本大約為 350 美元，不到商用系統(tǒng)價(jià)格的十分之一。

　　相應(yīng)的指令可以在 OpenBehavior——一個(gè)由 Kravitz 共同創(chuàng)立的、致力于開源行為科學(xué)項(xiàng)目的網(wǎng)站——上找到。但是，Kravitz 提醒，如果系統(tǒng)出現(xiàn)技術(shù)問題，就得研究人員自行修理。你自己搭建系統(tǒng)，造價(jià)便宜，但究竟有多便宜，則完全取決于你花了多長時(shí)間在它身上。

　　鼠類 iPad

　　在加拿大倫敦西部大學(xué)(Western University)，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家 Tim Bussey 和 Lisa Saksida 開發(fā)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(dòng)物進(jìn)行 20 種左右的認(rèn)知任務(wù)測試，包括記憶、學(xué)習(xí)、注意力，甚至賭博。

　　Bussey 指出，這就像為大鼠和小鼠準(zhǔn)備了一臺(tái) iPad，其主要區(qū)別在于，人是用手指點(diǎn)擊屏幕，而鼠會(huì)將它們的鼻子放在屏幕上。成功完成一項(xiàng)任務(wù)，系統(tǒng)內(nèi)置的食物分配點(diǎn)會(huì)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(yù)編程。Bussey 表示，另外，研究人員可以使用名為“動(dòng)物行為環(huán)境測試系統(tǒng)”(Animal Behavior Environment Test System)的軟件來編寫自己的任務(wù)。

　　由于這些任務(wù)是標(biāo)準(zhǔn)化的，所以在研究中使用這些設(shè)備的 Brandon 指出，他們可以對跨實(shí)驗(yàn)室，甚至跨物種的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。其目的是將來自許多實(shí)驗(yàn)室的信息放置在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，以便學(xué)界能夠在特定任務(wù)期間分辨整個(gè)大腦結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元的活動(dòng)。通過這種方式來收集的數(shù)據(jù)量大到難以想象。

　　不僅如此，數(shù)據(jù)量還在不斷增加。Brandon 現(xiàn)在將觸摸屏室與開源“miniscopes”耦合，使用熒光成像記錄自由移動(dòng)小鼠的神經(jīng)活動(dòng)。每個(gè)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(xué)相結(jié)合，這樣就可以使用光來操縱神經(jīng)活動(dòng)。

　　一些公司正在進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)化模式，采用全自動(dòng)化的飼養(yǎng)室，進(jìn)行全天候的監(jiān)測。這樣的系統(tǒng)可以用于多種研究，例如研究藥物對動(dòng)物的行為影響。例如，TSE 的 PhenoWorld 系統(tǒng)飼養(yǎng)了幾只 RFID 標(biāo)記的大鼠和小鼠，以進(jìn)行迷宮等試驗(yàn)。該系統(tǒng)同時(shí)記錄動(dòng)物的代謝和其它特征;Oettler 表示，監(jiān)控這些大、小的系統(tǒng)成本可能達(dá)到 80 萬美元。

　　同樣，MazeEngineers 的研究人員正在構(gòu)建“迷津園(Labyrinth)”——一個(gè)多達(dá) 25 個(gè)模塊的網(wǎng)格，可以配置成 20 多個(gè)自動(dòng)迷宮。嚙齒動(dòng)物的籠子可以連接到迷津園的邊緣，并自動(dòng)讓動(dòng)物進(jìn)出。

　　如果這變成現(xiàn)實(shí)，迷宮可能會(huì)從科學(xué)工具變成“科學(xué)家”，自行開展試驗(yàn)。