Новая модификация аппарата «Челночная камера»

Описание методики «условный рефлекс активного избегания» (УРАИ)

Одним из важнейших показателей нормального функционирования центральной нервной системы (ЦНС) лабораторных животных является их способность к обучению. В настоящее время существуют разнообразные методики для оценки этих способностей, но в лабораторных условиях наиболее удобным считается метод выработки условных рефлексов, либо классических, разработанных И.П. Павловым, либо инструментальных (по Б. Скиннеру) [1]. В предлагаемой нами методике выработки инструментального условного рефлекса у грызунов в качестве условного стимула использовался звуковой сигнал, безусловного – болевое раздражение, вызываемое действием электрического тока, которое животное получало в случае неуспешного выполнения теста (переход на другую сторону установки после подачи условного сигнала – звука). 

Известно, что умеренные кратковременные стрессы активируют когнитивную познавательную деятельность. В состоянии стресса животное эффективнее запоминает окружающую обстановку, выстраивает причинно-следственные связи [2].

На начальных этапах выработки условного рефлекса животное воспринимает болевые сигналы как аверсивные. В результате этого у многих крыс снижается двигательная и исследовательская активность, в то же время увеличивается длительность реакции «замирания». Через несколько сочетаний действия звукового и электроболевого стимулов у одних животных начинает преобладать активная стратегия поведения, которая проявляется в реакции «бегства», у других возникает реакция «замирания». Следует отметить, что реакция «бегства» может проявляться в 2 вариантах: избавлении и избегании. Реакция «избавления» – это уход на безопасную половину камеры при действии тока (безусловного стимула). Реакция «избегания» – это уход на безопасную половину камеры при действии звука (условный стимул). Как следует из данных литературы, выраженность этих реакций зависит как от генетически детерминированных особенностей животных – их стратегии поведения [3], так и от силы воздействия. Слишком слабое воздействие (сила тока <0,1 мА) не может обеспечить животное достаточным уровнем мотивации для решения задачи теста, напротив, сверхсильные воздействия (>1,5 мА) препятствуют выполнению задачи обучения [4].  

Согласно литературе, для возникновения первой реакции «избегания» требуется 10–20 предъявлений. Для обучения в челночной камере на 1-й и 2-й день типичны 50% реакций «избегания» на 1-е сутки, 85% – на 2-е сутки [4]. Однако эти данные могут значительно варьироваться. При использовании токов 0,4 мА данный показатель составляет 7% в 1-й день и 13% – во 2-й, 20% – в 3-й и 47% – на 5-й день обучения. Эксперимент проводят 5–7 дней. На каждое животное приходится по 30–50 предъявлений комбинации звук/ток в сутки. Интервал между предъявлениями варьирует от 10 до 30 с в зависимости от уровня стрессированности животного. При использовании слабых токов можно проследить динамику обучения животных по дням. При действии тока силой 0,6–0,8 мА количество реакций «избегания» увеличивается до 30% на 1-й день и 60% – на 3-й и 5-й дни [5]. При реализации обучения на высоких токах, не происходит значительного увеличения данных реакций у самцов и самок крыс (не более 10% – на 3-й день) [6] и у других грызунов [7, 8, 9]. Наш аппарат позволяет реализовывать все эти схемы обучения, за счет возможности  точной регулировки силы тока экспериментатором. 

Схема аппарата «челночная камера»

Аппарат представляет собой коробку из плексигласа, подключенную к блоку управления. Коробка разделена на 2 равных отсека перегородкой с переходным отверстием, через которое животное может свободно перемещаться из одной в другой отсеки. Верхняя панель ограничивает вертикальное перемещение и тем самым позволяет животному сконцентрироваться на решении задачи путем «перебегания». При открытой или недостаточно прочной верхней панели животное будет совершать прыжки, что может привести к возможному закреплению неправильного навыка. 

Задающий генератор (см. рис. 1, б), выполнен на 2 элементах 2ИЛИ-НЕ микросхемы К561ЛЕ5. Импульсы тока длительностью 135 мс и периодичностью
2 имп/с подают на вход генератора тока и затем, по выбору экспериментатора, на электроды одного из двух отсеков камеры. Транзисторный генератор тока обеспечивает стабильную силу тока в импульсе при любом электрическом сопротивления в пределах 0÷30 кОм. С помощью ручки регулятора на лицевой панели электронного блока управления, можно устанавливать любую силу тока, подаваемого на электроды, в пределах 0–3 мА с точностью 0,1 мА. Звуковой сигнал частотой 2÷4кГц, создаваемый задающим генератором, выполненным на 2 оставшихся элементах 2ИЛИ-НЕ микросхемы К561ЛЕ5, подается (по выбору экспериментатора) на один из двух входов стереофонического усилителя мощности звуковой частоты и затем на один из динамиков, установленных в отсеках камеры.

Материал и методы

В эксперименте принимали участие половозрелые животные-самцы (n=70). Животных содержали в виварии, в стандартных условиях с полным доступом к воде и корму. Работа с лабораторными животными осуществлялась согласно протоколу исследований в соответствии с Женевской конвенцией 1985 г. «Международные принципы биомедицинских исследований с использованием животных» и Хельсинкской декларацией 2000 г. о гуманном отношении к животным.  

Было проведено 2 серии экспериментов. Тестирование выполнили по стандартной методике теста УРАИ последовательно в течение 2 дней [4]. Для каждого животного производили по 35 предъявлений в день с интервалами между ними 10–30 с. Сила тока – более 3 мА не использовалась из гуманных соображений. После тестирования животные были возвращены в стоковую популяцию вивария.

Для проверки достоверности полученных результатов использовали двусторонний t-критерий Стьюдента для независимых выборок.

Преимущества данной модификации перед аналогами

1. В процессе выработки условного рефлекса важно обеспечить стабильность силы тока, воздействующего на животное. Это осуществляется особой схемой расположения электродов, препятствующей самопроизвольному шунтированию цепи фрагментами болюсов и мочевыми испражнениями. Для предотвращения загрязнения электродов на них надеты трубки из нержавеющей стали, свободно вращающиеся в процессе очистки. 
2. Один из существенных недостатков базовой версии аппарата, выполненной с использованием постоянного тока со сходными характеристиками, – трудность в подборе оптимального болевого воздействия на животных из-за нестабильных значений тока (рис. 2). У крыс наблюдалась либо недостаточная мотивация к движению, т.е. снижались показатели обучения (уменьшалось число реакций «избегания») из-за слабого болевого воздействия, либо наоборот из-за сильной боли – увеличение количества реакций «замирания». Эту проблему удалось решить в конструкции новой модификации, применив переменный пульсирующий ток (2 имп/с). При таком воздействии у животных наблюдались проявления болевой реакции (вокализация, пилоэрекция шерсти, агрессивные стойки, сужение глазной щели, эрекция хвоста, скрежет зубов) даже при действии тока ниже 1 мА. 
3. Плавная регулировка силы тока позволяет реализовывать различные схемы обучения (при малых и больших токах), подбирая индивидуальные значения интенсивности болевого воздействия, исходя из персональных различий электропроводимости кожи и болевого порога животных. 
4. В качестве условного сигнала применяли звуковое раздражение. Во многих западных и зарубежных аналогах используют звук частотой 1÷2 кГц. Мы использовали частоту 2÷4кГц, так как в этих интервалах лабораторные крысы отчетливо слышат даже низкоинтенсивные звуки (рис. 3). Кроме того, сигналы высокой частоты животные воспринимают как сигнал тревоги, что совпадает с характером применения экспериментальной установки.
5. Аппарат может работать в ручном режиме, однако предусмотрено управление внешними сигналами, подаваемыми программно от подключенного к нему персонального компьютера.
6. Ориентировочная стоимость отечественного аппарата – 50 000 руб., что намного ниже зарубежных аналогов.

Предлагаемая модификация прибора успешно показала себя в экспериментах, демонстрируя более высокие показатели обучения животных с достоверно более низким числом реакций «замирания», чем базовая версия. На основании результатов эксперимента приор можно рекомендовать для применения при проведении психофизиологических и нейрофармакологических исследований.