基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法及应用

1.本发明属于神经生物学技术领域，具体涉及基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法及应用。


背景技术：

2.社会行为是包括人在内多种群居动物一种具有重要意义的行为。个体形成适应社会的人格并掌握社会认可行为方式的过程叫做社会化。人类在社会化过程依赖接收到的各种社会信息，其中以语言为传播媒介的社会信息占有较大的比重，且在人类社会生活中发挥着重要作用。社会信息在传递过程中，需要个体保持一定程度的注意，才能从外界环境众多繁杂的刺激中提取社会信息。因此，社会信息注意是个体社会化过程中必备的关键功能之一。
3.小鼠是目前最为常用的模式动物，对于研究社会行为神经机制至关重要。小鼠社会行为的测试目前仍主要集中于主动的社交行为检测。比如，三箱实验和家笼自由社交实验，这些实验中都把测试小鼠作为社会信息发出的主体，但忽略了其作为社会信息接受者的作用。然而，社会信息是一个双向过程，其接收也同样重要。相比人类，小鼠的视觉不发达，因此不是其社会信息传播的主要途径。小鼠嗅觉虽然发达，但气味易扩散，较难实行定量刺激，对实验装置有较高的要求，不是实验中首选社会信息媒介。而小鼠能够发出特有频率的超声发声进行社会信息传播，可简单理解为小鼠的“语言”。而声音传播具有定向性好、易于量化刺激强度等各项参数的优点，是潜在的社会信息传播媒介。目前在动物实验中对于社会信息注意检测主要基于单一视觉刺激的反应时间，对于更加复杂的具有社会信息属性的听觉刺激的注意偏向尚无成熟的行为范式进行检测。
4.小鼠超声发声是指小鼠发出的频率大于20khz的声音，通常在特定的社交情景及刺激下发出。幼鼠在母婴分离、受到低温刺激和触觉刺激下可发出超声，从而引起母鼠探索、哺乳和筑巢等母性行为。成年小鼠在求偶行为、领地社交和等级社交行为时会发出超声。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，将超声包含的社会信息和对注意偏向的检测结合起来，把小鼠作为社会信息接收的客体，将代表不同含义的小鼠超声作为社会信息的声音刺激，将纯音作为对照声音刺激，对比小鼠在实验中对不同声音刺激的注意偏向，从而检测小鼠对于社会信息接收的异常，为研究社交信息注意的神经机制提供重要技术手段。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，基于社会信息注意偏向检测装置，包括不透明亚克力操作箱，不透明亚克力操作箱中设置普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱、两个信号灯、两个鼻触感应和食盆，信号灯和鼻触感应一一对应设置，普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱
连接播放设备的输出端，两个信号灯设置有控制开关；包括以下过程：
7.限食阶段，该将实验小鼠单笼饲养，限食不限水，每天记录小鼠体重并将小鼠的体重控制在原始体重的80％至90％；
8.训练阶段，对小鼠进行训练使其能够适应播放的音频，并训练小鼠能根据信号灯触碰鼻触获得糖丸奖励；
9.注意偏向检测阶段，左右两个音箱会随机播放声音提示，在声音提示之后左右两个信号灯会随机亮起，小鼠只有触碰亮起的信号灯下方对应的鼻触才可以获得糖丸奖励；通过有效线索和无效线索的反应时分别计算出不同声音刺激的线索效应，根据线索效应来比较小鼠对社会信息有关的声音刺激，也就是超声的注意偏向。
10.不透明亚克力操作箱外设置隔音箱。
11.训练阶段具体为：首先把小鼠放入操作箱中进行适应，之后开始控制左右两个音箱进行随机播放纯音或小鼠超声库中的超声片段，两个音箱交错播放不重合；
12.在小鼠适应了播放声音的左右两个音箱之后，开始学习根据信号灯的指示对信号灯下方相应的鼻触进行触碰后获得糖丸奖励；
13.当声音和信号灯为同侧时，声音提示为有效线索，声音和信号灯为对侧时，声音提示为无效线索。
14.在训练阶段，将小鼠放入测试箱之后，先适应环境，随后左右两个音箱开始随机播放设定时长、频率大小的纯音或者是设定时长的超声片段。
15.在声音适应完毕之后，开始进行鼻触训练，每个训练实验开始前中间的音箱会播放预设时长的白噪音，1s后左右信号灯会随机亮起其中一个，持续时间为2s，如果小鼠在信号灯亮起之后的10s内触碰相应信号灯下方的鼻触，任务成功，将会获得糖丸奖励，如果触碰对侧鼻触，任务失败，没有奖励，没有在10s内触碰正确鼻触判定为任务失败，自动进入下一个训练实验；每个训练实验之间的间隔时间为2min，一次训练共15个训练实验；当小鼠的成功率达到设定值之后，将反应时间窗口缩短进行强化训练，再次达到所述设定值之后，再次缩短反应时间窗口进行强化训练，当小鼠能在4s的时间窗口内触碰正确的鼻触获得食物正确率达到所述设定值并持续稳定3次训练之后，进入到测试阶段。
16.每次播放随机产生于左边或者右边的音箱，随机播放的内容是纯音或者超声，两个音箱之间播放不重叠，纯音和超声各播放m次，其中m/2次在右侧音箱，另外m/2次在左侧音箱，每次播放之间间隔为30s。
17.每个任务包含n个训练实验，每个训练实验开始时首先由中间音箱发出2s的白噪音提示实验开始，1s之后，左边或者右边的音箱随机一侧发出纯音或者是包含社会信息的超声，持续时间2s，在声音提示的最后1秒同时随机开启任意一侧的信号灯，持续2s，小鼠需要在信号灯亮起的4s内根据信号灯来选择对应的下方的鼻触进行触碰来获得糖丸奖励，信号灯开始亮起到小鼠触碰鼻触的时间为反应时；每个任务里面，超声和纯音刺激各在左边出现n/2次，右边出现n/2次，信号灯和声音刺激进行配对，使其中一半为有效线索一半为无效线索；线索效应＝无效线索反应时-有效线索反应时。
18.线索效应数值越大证明小鼠对该线索具有越大的注意偏向，当包含社会信息的超声的线索效应大于纯音的线索效应时，证明小鼠对于社会信息具有一定的注意偏向。
19.本发明所述基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法的应用，基于小鼠
的社会信息注意偏向检测结果进行相关精神疾病状态下小鼠的社会信息注意偏向异常的改变特征，
20.或基于小鼠的社会信息注意偏向检测结果评估特定治疗手段对社会信息注意偏向异常的改善；
21.或基于所述检测过程，通过光纤记录、光遗传或化学遗传方法研究调控小鼠的社会信息注意偏向的神经环路机制。
22.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
23.本发明基于线索-靶子范式，较为客观公正地把小鼠对于包含社会信息的声音刺激的注意偏向进行量化并进行比较；用于研究小鼠对于含有不同类型社会信息超声的注意偏向；整个实验流程标准化，从训练到正式测试阶段都有明确的训练指标以及相应的判定方式，得到的小鼠对于社会信息注意偏向的结果具有较高的信度和效度。
附图说明
24.图1为行为测试装置示意图(左)与实验流程图(右)。
25.图2为有效线索(左)和无效线索(右)示意图。
具体实施方式
26.参考图1和图2，本发明提供的基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，基于社会信息注意偏向检测装置，包括不透明亚克力操作箱，不透明亚克力操作箱中设置普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱、两个信号灯、两个鼻触感应和食盆，信号灯和鼻触感应一一对应设置，普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱连接播放设备的输出端，两个信号灯设置有控制开关；本发明提供的社会信息注意偏向检测装置包括80*80*80cm的隔音箱、20*20*20cm的不透明亚克力操作箱，其中操作箱中设置一个普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱、两个信号灯、两个鼻触感应和一个食盆，普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱连接播放设备的输出端，两个信号灯设置有控制开关。
27.小鼠社交超声库为收集的小鼠在不同社交情景下发出超声的音频文件片段，包括但不限于幼鼠与母鼠分离的超声片段、成年雌鼠同性社交时超声片段、成年雄鼠同性社交时超声片段、成年异性鼠社交时超声片段等。
28.行为测试方法包括以下过程：
29.1限食阶段
30.该阶段将实验小鼠单笼饲养，限食不限水，每天记录小鼠体重并将小鼠的体重控制在原始体重的80％至90％。
31.2训练阶段
32.该阶段分为两个步骤，首先把小鼠放入操作箱中进行适应，之后开始控制左右两个音箱进行随机播放纯音或小鼠超声库中的超声片段，两个音箱交错播放不重合。在小鼠适应了播放声音的左右两个音箱之后，开始学习根据信号灯的指示对信号灯下方相应的鼻触进行触碰后获得糖丸奖励。
33.3注意偏向检测阶段
34.在小鼠学会根据指示灯来选择相对应的鼻触获得糖丸奖励之后，开始正式的注意
偏向测试实验：左右两个音箱会随机播放声音提示，声音提示可能是纯音也可能是包含了社会信息的超声，在声音提示之后左右两个信号灯会随机亮起，小鼠只有触碰亮起的信号灯下方对应的鼻触才可以获得糖丸奖励。当声音和信号灯为同侧时，声音提示为有效线索，声音和信号灯为对侧时，声音提示为无效线索。通过有效线索和无效线索的反应时分别计算出不同声音刺激的线索效应，根据线索效应来比较小鼠对社会信息有关的声音刺激也就是超声的注意偏向。
35.具体测试步骤：
36.(1)实验开始前3天至0天为限食阶段，将所有实验小鼠单笼饲养并记录初始体重，限食不限水，每天早上八点和晚上八点喂食少量的鼠粮和糖丸，将小鼠体重控制在基线水平的80％-90％并记录整个行为测试过程中实验小鼠体重的变化。
37.(2)在训练阶段，将小鼠放入测试箱之后，先适应环境5分钟，随后左右两个音箱开始随机播放时长为2s，7500hz，75db的纯音或者是时长为2s的超声片段(超声片段可以根据实验需求选择相应的超声库)。每次播放随机产生于左边或者右边的音箱，随机播放的内容是纯音或者超声，两个音箱之间播放不重叠，纯音和超声各播放10次，其中5次在右侧音箱，5次在左侧音箱，每次播放之间间隔为30s。
38.在声音适应完毕之后，开始进行鼻触训练，每个trial开始前中间的音箱会播放2s的白噪音(1-20khz，75db)，1s后左右两个信号灯会随机亮起其中一个，持续时间为2s，如果小鼠在信号灯亮起之后的10s内触碰相应信号灯下方的鼻触，任务成功，将会获得糖丸奖励，如果触碰对侧鼻触，任务失败，没有奖励，没有在10s内触碰正确鼻触也判定为任务失败，自动进入下一个trial。每个trial之间的间隔时间为2min，一次训练共15个trials。当小鼠的成功率达到90％之后，将反应时间窗口从10s调整为7s进行强化训练，再次达到90％之后，将反应时间窗口从7s调整为4s再次进行强化训练，当小鼠能在4s的时间窗口内触碰正确的鼻触获得食物正确率达到90％并持续稳定3次训练之后，进入到测试阶段。
39.(3)在测试阶段，每个session包含40个trials，每个trial开始时首先由中间音箱发出2s的白噪音提示实验开始，1s之后，左边或者右边的音箱随机一侧发出纯音或者是包含社会信息的超声，持续时间2s，在声音提示的最后1秒同时随机开启任意一侧的信号灯，持续2s，小鼠需要在信号灯亮起的4s内根据信号灯来选择对应的下方的鼻触进行触碰来获得糖丸奖励，信号灯开始亮起到小鼠触碰鼻触的时间为反应时。每个session里面，超声和纯音刺激各在左边出现20次，右边出现20次，信号灯和声音刺激进行配对，使其中一半为有效线索一半为无效线索。
40.5.4线索效应的计算
41.线索效应＝无效线索反应时-有效线索反应时
42.线索效应解读：线索效应数值越大证明小鼠对该线索具有越大的注意偏向，当包含社会信息的超声的线索效应大于纯音的线索效应时，证明小鼠对于社会信息具有一定的注意偏向，在超声作为有效线索时出现了易化效应。而在某些精神疾病模型中，小鼠的社会信息注意偏向可能消失。
43.基于本发明所述装置和方法，能够进行以下应用：
44.(1)检测小鼠对于具有社会信息超声的注意偏向；
45.(2)在母婴分离实验中，将幼崽超声作为具有社会信息的声音刺激来检测母鼠的
母性；
46.(3)通过检测小鼠的社会信息注意偏向研究相关精神疾病状态下例如孤独症模型小鼠的社会信息注意偏向异常的改变特征；
47.(4)通过光纤记录、光遗传或化学遗传等方法研究调控小鼠的社会信息注意偏向的神经环路机制；
48.(5)通过检测相关精神疾病小鼠模型的社会信息注意偏向来评估特定治疗手段对社会信息注意偏向异常的改善。

技术特征：
1.一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，基于社会信息注意偏向检测装置，包括不透明亚克力操作箱，不透明亚克力操作箱中设置普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱、两个信号灯、两个鼻触感应和食盆，信号灯和鼻触感应一一对应设置，普通音箱、两个可以播放超声和纯音的音箱连接播放设备的输出端，两个信号灯设置有控制开关；包括以下过程：限食阶段，该将实验小鼠单笼饲养，限食不限水，每天记录小鼠体重并将小鼠的体重控制在原始体重的80％至90％；训练阶段，对小鼠进行训练使其能够适应播放的音频，并训练小鼠能根据信号灯触碰鼻触获得糖丸奖励；注意偏向检测阶段，左右两个音箱会随机播放声音提示，在声音提示之后左右两个信号灯会随机亮起，小鼠只有触碰亮起的信号灯下方对应的鼻触才可以获得糖丸奖励；通过有效线索和无效线索的反应时分别计算出不同声音刺激的线索效应，根据线索效应来比较小鼠对社会信息有关的声音刺激，也就是超声的注意偏向。2.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，不透明亚克力操作箱外设置隔音箱。3.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，训练阶段具体为：首先把小鼠放入操作箱中进行适应，之后开始控制左右两个音箱进行随机播放纯音或小鼠超声库中的超声片段，两个音箱交错播放不重合；在小鼠适应了播放声音的左右两个音箱之后，开始学习根据信号灯的指示对信号灯下方相应的鼻触进行触碰后获得糖丸奖励；当声音和信号灯为同侧时，声音提示为有效线索，声音和信号灯为对侧时，声音提示为无效线索。4.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，在训练阶段，将小鼠放入测试箱之后，先适应环境，随后左右两个音箱开始随机播放设定时长、频率大小的纯音或者是设定时长的超声片段。5.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，在声音适应完毕之后，开始进行鼻触训练，每个训练实验开始前中间的音箱会播放预设时长的白噪音，1s后左右信号灯会随机亮起其中一个，持续时间为2s，如果小鼠在信号灯亮起之后的10s内触碰相应信号灯下方的鼻触，任务成功，将会获得糖丸奖励，如果触碰对侧鼻触，任务失败，没有奖励，没有在10s内触碰正确鼻触判定为任务失败，自动进入下一个训练实验；每个训练实验之间的间隔时间为2min，一次训练共15个训练实验；当小鼠的成功率达到设定值之后，将反应时间窗口缩短进行强化训练，再次达到所述设定值之后，再次缩短反应时间窗口进行强化训练，当小鼠能在4s的时间窗口内触碰正确的鼻触获得食物正确率达到所述设定值并持续稳定3次训练之后，进入到测试阶段。6.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，每次播放随机产生于左边或者右边的音箱，随机播放的内容是纯音或者超声，两个音箱之间播放不重叠，纯音和超声各播放m次，其中m/2次在右侧音箱，另外m/2次在左侧音箱，每次播放之间间隔为30s。7.根据权利要求1所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其
特征在于，每个任务包含n个训练实验，每个训练实验开始时首先由中间音箱发出2s的白噪音提示实验开始，1s之后，左边或者右边的音箱随机一侧发出纯音或者是包含社会信息的超声，持续时间2s，在声音提示的最后1秒同时随机开启任意一侧的信号灯，持续2s，小鼠需要在信号灯亮起的4s内根据信号灯来选择对应的下方的鼻触进行触碰来获得糖丸奖励，信号灯开始亮起到小鼠触碰鼻触的时间为反应时；每个任务里面，超声和纯音刺激各在左边出现n/2次，右边出现n/2次，信号灯和声音刺激进行配对，使其中一半为有效线索一半为无效线索；线索效应＝无效线索反应时-有效线索反应时。8.根据权利要求7所述的一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法，其特征在于，线索效应数值越大证明小鼠对该线索具有越大的注意偏向，当包含社会信息的超声的线索效应大于纯音的线索效应时，证明小鼠对于社会信息具有一定的注意偏向。9.权利要求1-8任一项所述基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法的应用，其特征在于，基于小鼠的社会信息注意偏向检测结果进行相关精神疾病状态下小鼠的社会信息注意偏向异常的改变特征，或基于小鼠的社会信息注意偏向检测结果评估特定治疗手段对社会信息注意偏向异常的改善；或基于所述检测过程，通过光纤记录、光遗传或化学遗传方法研究调控小鼠的社会信息注意偏向的神经环路机制。

技术总结
本发明公开一种基于超声发声的小鼠信息注意偏向行为学检测方法及应用，将超声包含的社会信息和对注意偏向的检测结合起来，把小鼠作为社会信息接收的客体，将代表不同含义的小鼠超声作为社会信息的声音刺激，将纯音作为对照声音刺激，对比小鼠在实验中对不同声音刺激的注意偏向，从而检测小鼠对于社会信息接收的异常，为研究社交信息注意的神经机制提供重要技术手段；基于线索-靶子范式，客观公正地把小鼠对于包含社会信息的声音刺激的注意偏向进行量化并进行比较；用于研究小鼠对含有不同类型社会信息超声的注意偏向，从训练到正式测试阶段都有明确的训练指标以及相应的判定方式，得到的小鼠对于社会信息注意偏向的结果具有较高的信度和效度。较高的信度和效度。


技术研发人员：王文挺 葛俊烨 武胜昔 李嘉龙 毛宏晖 刘洋
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军军医大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/12