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深圳市瑞沃德生命科技有限公司
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瑞沃德
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广东 深圳市 南山区
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实验室仪器 / 设备、试剂、耗材
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什么是斯金纳箱？它应用在什么领域呢？
人阅读 发布时间：2019-05-27 08:48
什么是斯金纳箱？
斯金纳箱又叫操作性条件反射测试箱，是用于研究操作性条件反射的一种经典仪器。操作性条件反射是一种由刺激引起的行为改变。操作条件反射与经典条件反射不同，巴甫洛夫条件反射与非自愿行为有关，而操作条件反射与自愿行为有关。经典式条件反射，用以塑造有机体的应答行为；操作式条件反射，用以塑造有机体的操作行为。
斯金纳箱是一个心理实验装置，其基础结构为：在箱壁的一边有一个可供按压的杠杆，在杠杆旁边有一个放置食物的小盒子。动物在箱内按下杠杆，食盒就会释放食物进入箱内，动物可以取食。
通过两个小实验来认识一下斯金纳箱
1. 行为与奖励
将一只禁食 24 小时的小白鼠放入斯金纳箱中，每次按下按钮，则掉落食物。
结果：小白鼠自发学会了按按钮
2. 概率型奖励
将一只禁食 24 小时的小白鼠放入斯金纳箱中，多次按下按钮，概率掉落食物。
结果：小白鼠学会了不停按钮。当不再掉落食物时，小白鼠的学习行为消失速度非常慢。
通过这些设置的任务以及动物做出的反馈，来评估动物的行为表现。
斯金纳箱是怎生被发明的呢？
关于斯金纳箱的由来，我们不得不提到一个人—伯尔赫斯·弗雷德里克·斯金纳（Burrhus Frederic Skinner，1904 年 3 月 20 日－1990 年 8 月 18 日），一位心理学家、行为学家、作家、发明家，社会学者及新行为主义的主要代表。出生于美国宾夕法尼亚州萨斯奎汉纳，逝世于马萨诸塞州坎布里奇。他在 1958 至 1974 年间担任哈佛大学心理教授的期间，引入了操作条件性刺激，还写了著名的小说《桃源二村》。
斯金纳认为：有机体做出的反应与其随后出现的刺激条件之间的关系对行为起着控制作用，它能影响以后反应发生的概率。斯金纳通过实验发现，动物的学习行为是随着一个起强化作用的刺激而发生的。斯金纳把动物的学习行为推而广之到人类的学习行为上，他认为虽然人类学习行为的性质比动物复杂得多，但也要通过操作性条件反射。操作性条件反射的特点是：强化刺激既不与反应同时发生，也不先于反应，而是随着反应发生。
斯金纳箱的主要应用在什么领域呢？
现如今斯金纳箱不仅仅是用来研究动物的行为，更是广泛地用于脑和行为科学的研究，比如复杂行为训练，老年痴呆、帕金森、自闭症等神经系统相关疾病，刺激或损伤脑的某些部位、某些药物的使用对动物行为的影响，联合光遗传、电生理灯手段研究各个脑区间的神经投射环路等，其中包含许多标准操作任务（如基本的操作式行为研究、药物精神依赖性实验、自身给药等），用于进行高效的啮齿动物认知能力评估。
华科同济医学院鲁友明教授发表在 Neuron 的一篇文章中，发现腹侧 CA1 中表达血清素受体 2c 的细胞（Htr2c）通过动眼神经副核（EW）的神经支配来控制注意力，其中在行为学实验部分用到的就是斯金纳箱，通过斯金纳箱中 5 选择序列反应时的任务模式来评估动物的注意力。
以下为斯金纳箱在该文章中的应用
通过表达 Kir2.1 抑制 Htr2c 细胞会削弱注意
（图片来源网络）
（图片来源网络）
在 5 选择序列反应时（5-CSRT）任务中通过将刺激时间（SD）从 2.0 秒减少到 1.5 秒、1.0 秒或 0.5 秒, 发现 Htr2cKir2.1 小鼠在 1.5s SD 时的反应与对照组正常小鼠一样准确 (图 c-e)。然而，当 SD 进一步从 1.5s 缩短到 1.0s 或 0.5s 时，Htr2cKir2.1 小鼠表现出严重的损伤，准确性显著下降 (图 c)，错误次数增加 (图 d)。SD 缩短增加了小鼠遗漏的次数 (图 e)。这些数据表明，基因失活的 Htr2c 细胞抑制注意力。
通过光遗传激活 Htr2c 细胞增强注意力
Htr2cGFP-ChR2 组小鼠蓝光激活的条件下，在 5-CSRT 任务中的表现明显优于其他组小鼠。
通过表达 Kir2.1 抑制 EW 细胞会削弱注意力
在 EW 的细胞被抑制后，小鼠在刺激间逐渐缩短的 5-CSRT 任务中正确次数、错误率、遗漏率的表现明显差于对照组正常小鼠。
通过光遗传激活 EW 细胞可以挽救 Htr2c 细胞沉默引起的注意缺陷
Htr2cGFP/EWChR2 和 Htr2cKir2.1/EWChR2 组小鼠在蓝光激活条件下在 5-CSRT 任务中的表现相当，且明显优于其他组小鼠，这表明 Htr2cKir2.1/EWChR2 组小鼠中虽然 Htr2c 细胞被抑制，但通过光激活 EW 细胞能够挽救前者引起的注意缺陷。
鲁老师课题组通过一系列实验验证了腹侧 CA1 血清素受体神经元-动眼神经副核的直接投射调控注意力的功能。
斯金纳箱的扩展
现如今，根据不同研究需求，已有多种不同版本的斯金纳箱。
美国 Lafayette 推出的斯金纳箱拥有其他品牌同类产品所没有的特色，而且与市面上其它品牌的的模块化面板完全兼容；是一款完全模块化的操作箱，各种单独的组件可以很容易地安装在基础结构上，是一个完全独立的单位，可安放于一个声光屏蔽、风扇通风的隔音箱里，适合几乎所有的标准操作任务（如基本的操作式行为研究、药物精神依赖性实验、自身给药等）；研究人员选择 Lafayette 独有的触屏操作箱，同时用于认知和操作行为的测试。
（左：非触屏式斯金纳箱，右：触屏式斯金纳箱）
（自主给药系统）
除了可以选择带足底电刺激或不带足底电刺激的操作箱外，还可以选择的刺激和行为操作组件有纯音刺激、强度可调的声音刺激、白噪音刺激、强度可调的光刺激、液体奖赏、颗粒奖赏、触鼻探测、标准或加厚压杆操作、头部进入监测等。
此外，还可搭配电生理和光遗传，更好的服务于神经环路研究。
（搭配电生理）
（搭配光遗传）
参考文献：
Xinyan Li, Wenting Chen. et al. Serotonin receptor 2c-expressing cells in the ventral CA1 control attention via innervation of the Edinger–Westphal nucleus. Nature Neuroscience 21, 1239–1250 (2018)
斯金纳箱又叫操作性条件反射测试箱，是用于研究操作性条件反射的一种经典仪器。操作性条件反射是一种由刺激引起的行为改变。操作条件反射与经典条件反射不同，巴甫洛夫条件反射与非自愿行为有关，而操作条件反射与自愿行为有关。经典式条件反射，用以塑造有机体的应答行为；操作式条件反射，用以塑造有机体的操作行为。
斯金纳箱是一个心理实验装置，其基础结构为：在箱壁的一边有一个可供按压的杠杆，在杠杆旁边有一个放置食物的小盒子。动物在箱内按下杠杆，食盒就会释放食物进入箱内，动物可以取食。
通过两个小实验来认识一下斯金纳箱
1. 行为与奖励
将一只禁食 24 小时的小白鼠放入斯金纳箱中，每次按下按钮，则掉落食物。
结果：小白鼠自发学会了按按钮
2. 概率型奖励
将一只禁食 24 小时的小白鼠放入斯金纳箱中，多次按下按钮，概率掉落食物。
结果：小白鼠学会了不停按钮。当不再掉落食物时，小白鼠的学习行为消失速度非常慢。
通过这些设置的任务以及动物做出的反馈，来评估动物的行为表现。
斯金纳箱是怎生被发明的呢？
关于斯金纳箱的由来，我们不得不提到一个人—伯尔赫斯·弗雷德里克·斯金纳（Burrhus Frederic Skinner，1904 年 3 月 20 日－1990 年 8 月 18 日），一位心理学家、行为学家、作家、发明家，社会学者及新行为主义的主要代表。出生于美国宾夕法尼亚州萨斯奎汉纳，逝世于马萨诸塞州坎布里奇。他在 1958 至 1974 年间担任哈佛大学心理教授的期间，引入了操作条件性刺激，还写了著名的小说《桃源二村》。
斯金纳认为：有机体做出的反应与其随后出现的刺激条件之间的关系对行为起着控制作用，它能影响以后反应发生的概率。斯金纳通过实验发现，动物的学习行为是随着一个起强化作用的刺激而发生的。斯金纳把动物的学习行为推而广之到人类的学习行为上，他认为虽然人类学习行为的性质比动物复杂得多，但也要通过操作性条件反射。操作性条件反射的特点是：强化刺激既不与反应同时发生，也不先于反应，而是随着反应发生。
斯金纳箱的主要应用在什么领域呢？
现如今斯金纳箱不仅仅是用来研究动物的行为，更是广泛地用于脑和行为科学的研究，比如复杂行为训练，老年痴呆、帕金森、自闭症等神经系统相关疾病，刺激或损伤脑的某些部位、某些药物的使用对动物行为的影响，联合光遗传、电生理灯手段研究各个脑区间的神经投射环路等，其中包含许多标准操作任务（如基本的操作式行为研究、药物精神依赖性实验、自身给药等），用于进行高效的啮齿动物认知能力评估。
华科同济医学院鲁友明教授发表在 Neuron 的一篇文章中，发现腹侧 CA1 中表达血清素受体 2c 的细胞（Htr2c）通过动眼神经副核（EW）的神经支配来控制注意力，其中在行为学实验部分用到的就是斯金纳箱，通过斯金纳箱中 5 选择序列反应时的任务模式来评估动物的注意力。
以下为斯金纳箱在该文章中的应用
通过表达 Kir2.1 抑制 Htr2c 细胞会削弱注意
（图片来源网络）
（图片来源网络）
在 5 选择序列反应时（5-CSRT）任务中通过将刺激时间（SD）从 2.0 秒减少到 1.5 秒、1.0 秒或 0.5 秒, 发现 Htr2cKir2.1 小鼠在 1.5s SD 时的反应与对照组正常小鼠一样准确 (图 c-e)。然而，当 SD 进一步从 1.5s 缩短到 1.0s 或 0.5s 时，Htr2cKir2.1 小鼠表现出严重的损伤，准确性显著下降 (图 c)，错误次数增加 (图 d)。SD 缩短增加了小鼠遗漏的次数 (图 e)。这些数据表明，基因失活的 Htr2c 细胞抑制注意力。
通过光遗传激活 Htr2c 细胞增强注意力
Htr2cGFP-ChR2 组小鼠蓝光激活的条件下，在 5-CSRT 任务中的表现明显优于其他组小鼠。
通过表达 Kir2.1 抑制 EW 细胞会削弱注意力
在 EW 的细胞被抑制后，小鼠在刺激间逐渐缩短的 5-CSRT 任务中正确次数、错误率、遗漏率的表现明显差于对照组正常小鼠。
通过光遗传激活 EW 细胞可以挽救 Htr2c 细胞沉默引起的注意缺陷
Htr2cGFP/EWChR2 和 Htr2cKir2.1/EWChR2 组小鼠在蓝光激活条件下在 5-CSRT 任务中的表现相当，且明显优于其他组小鼠，这表明 Htr2cKir2.1/EWChR2 组小鼠中虽然 Htr2c 细胞被抑制，但通过光激活 EW 细胞能够挽救前者引起的注意缺陷。
鲁老师课题组通过一系列实验验证了腹侧 CA1 血清素受体神经元-动眼神经副核的直接投射调控注意力的功能。
斯金纳箱的扩展
现如今，根据不同研究需求，已有多种不同版本的斯金纳箱。
美国 Lafayette 推出的斯金纳箱拥有其他品牌同类产品所没有的特色，而且与市面上其它品牌的的模块化面板完全兼容；是一款完全模块化的操作箱，各种单独的组件可以很容易地安装在基础结构上，是一个完全独立的单位，可安放于一个声光屏蔽、风扇通风的隔音箱里，适合几乎所有的标准操作任务（如基本的操作式行为研究、药物精神依赖性实验、自身给药等）；研究人员选择 Lafayette 独有的触屏操作箱，同时用于认知和操作行为的测试。
（左：非触屏式斯金纳箱，右：触屏式斯金纳箱）
（自主给药系统）
除了可以选择带足底电刺激或不带足底电刺激的操作箱外，还可以选择的刺激和行为操作组件有纯音刺激、强度可调的声音刺激、白噪音刺激、强度可调的光刺激、液体奖赏、颗粒奖赏、触鼻探测、标准或加厚压杆操作、头部进入监测等。
此外，还可搭配电生理和光遗传，更好的服务于神经环路研究。
（搭配电生理）
（搭配光遗传）
参考文献：
Xinyan Li, Wenting Chen. et al. Serotonin receptor 2c-expressing cells in the ventral CA1 control attention via innervation of the Edinger–Westphal nucleus. Nature Neuroscience 21, 1239–1250 (2018)
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