重大突破！深度解析啮齿动物持续性能测试中任务时长影响表现的全新机制 —— 并非源于身体脱离任务

为解决神经精神疾病中注意力缺陷相关研究问题，约翰霍普金斯大学医学院利伯脑发育研究所的研究人员开展 rCPT 相关研究。结果发现 TOT 致小鼠表现下降非因身体脱离任务，AMPH 可改善雄性小鼠表现。推荐阅读，助您了解前沿成果！

　　

约翰霍普金斯大学医学院利伯脑发育研究所（Lieber Institute for Brain Development, Johns Hopkins University Medical Campus）的研究人员 Ye Li、Thomas van Kralingen 等人在《数字精神病学与神经科学》（NPP – Digital Psychiatry and Neuroscience）期刊上发表了题为 “Time-on-task-related decrements in performance in the rodent continuous performance test are not caused by physical disengagement from the task” 的论文。这篇论文在神经精神疾病研究领域意义重大，为探究注意力缺陷相关机制及药物干预效果提供了新的思路和方法，有助于推动相关疾病治疗手段的发展。

研究背景

注意力是认知功能的重要组成部分，在许多神经精神疾病（如注意缺陷多动障碍（ADHD）、精神分裂症、情绪障碍等）中，注意力都会受到干扰，严重影响患者的生活质量和功能结局。持续表现测试（Continuous Performance Tests，CPTs）作为评估注意力功能的重要工具，在临床和科研中应用广泛。其中，基于触摸屏的啮齿动物持续表现测试（rodent Continuous Performance Test，rCPT）为研究注意力的脑机制和药物干预效果提供了新途径。

在 CPTs 中，任务时长（Time-on-Task，TOT）与表现下降相关，这种现象被称为警觉性下降（vigilance decrement），在精神分裂症患者中更为明显。然而，TOT 诱导警觉性下降的生物学机制尚不清楚，且目前对 rCPT 中 TOT 效应的研究较少。此外，在 rCPT 实验中，难以准确确定动物的参与程度。因此，开展这项研究十分必要，旨在深入探究 rCPT 中 TOT 对表现的影响以及动物的实际参与情况。

研究方法

1. 实验动物：选用 9 周龄的雄性和雌性 C57BL/6J 小鼠，将其饲养在特定环境中，并进行食物限制以维持体重。
2. 行为测试：利用定制的 Bussey-Saksida 触摸屏测试箱进行 rCPT 训练和测试。训练分为三个阶段，逐步增加任务难度，当小鼠达到特定标准后进入下一阶段。完成训练后，进行 TOT 探测测试（将测试时长从 45 分钟延长至 90 分钟）和药物（苯丙胺，Amphetamine，AMPH）测试。
3. 姿态估计与分析：运用深度学习工具 DeepLabCut（DLC）对小鼠身体部位进行无标记跟踪，结合视觉场分析（Visual Field Analysis，VFA）计算小鼠对刺激的朝向指数，以此客观衡量小鼠在任务中的身体参与度。
4. 数据处理与分析：将 rCPT 行为数据导出为 csv 文件，在 Jupyter Notebook 中用 Python 进行处理，计算命中率（Hit rate，HR）、虚报率（False alarm rate，FAR）、敏感度（d’）和反应标准（C）等关键指标。使用线性混合效应模型分析数据，通过 Bonferroni 检验进行事后分析，以 p<0.05 作为统计学显著性阈值。

研究结果

1. rCPT 训练阶段的性别差异：雄性和雌性小鼠在 rCPT 训练阶段，随着训练次数增加，敏感度（d’）均显著提高，且达到标准的速率相同，性别对表现无显著影响。但在训练过程中，雌性小鼠的正确和错误反应潜伏期均短于雄性小鼠，且随着训练进行，冲动性（Impulsivity，表现为在间隔期提前触碰屏幕）降低。
2. TOT 对 rCPT 表现的影响：延长测试时长至 90 分钟后，雄性小鼠的表现（d’）随时间显著下降，命中率降低，反应偏向更保守；雌性小鼠也有类似趋势，但程度较轻。此外，正确反应潜伏期随时间缩短，奖励收集潜伏期略有增加，过早反应次数减少，且雌性小鼠在部分时间区间的过早反应次数多于雄性小鼠。
3. AMPH 对 rCPT 表现的影响：在雄性小鼠中，AMPH（0.6 mg/kg）显著提高 d’，降低虚报率，对命中率和反应标准无显著影响；在雌性小鼠中，AMPH（1 mg/kg）显著降低命中率和虚报率，增加反应标准，不同剂量在不同时间区间对各指标影响不同。AMPH 还减少了雄性和雌性小鼠的过早反应次数。
4. TOT 条件下刺激朝向的变化：通过计算朝向指数发现，雄性和雌性小鼠在测试过程中身体参与度（总朝向指数）相对稳定，虽随时间略有下降，但下降时间晚于反应率和 d’的变化，表明表现下降并非由身体脱离任务引起。
5. AMPH 对 TOT 条件下任务参与度的影响：AMPH 对雄性和雌性小鼠的朝向指数均无显著影响，仅在雌性小鼠错过刺激（misses）时，1 mg/kg 的 AMPH 有增加朝向指数的趋势，说明 AMPH 不调节身体参与度，但可能使小鼠在反应前更谨慎观察刺激。

研究结论与讨论

1. rCPT 训练阶段的成果：研究证实，雄性和雌性 C57BL/6J 小鼠能够可靠地区分目标和非目标刺激，且使用简化训练程序可获得稳定的基线表现，这为长期药物筛选研究奠定了基础。
2. TOT 效应的发现：延长 rCPT 测试时长至 90 分钟，成功诱导了雄性小鼠的警觉性下降，表现为敏感度降低和反应偏向更保守。然而，TOT 诱导警觉性下降的机制在不同 CPT 测试中存在差异，且雄性小鼠对 TOT 效应更敏感，具体原因有待进一步研究。
3. AMPH 的作用机制：AMPH 可改善雄性小鼠 rCPT 表现，在雌性小鼠中虽降低了虚报率，但整体敏感度未改变，且两性在服用 AMPH 后均表现出更保守的反应策略。雌性小鼠对 AMPH 的反应存在差异，可能与雌激素对多巴胺受体功能的影响、药物代谢动力学差异等因素有关。
4. 任务参与度的研究意义：通过 DLC 和 VFA 分析发现，小鼠在 TOT 测试中身体参与度相对稳定，不支持动机下降或身体脱离任务是警觉性下降的原因，但不能完全排除动机因素的影响。此外，AMPH 不影响小鼠身体参与度，却在雌性小鼠错过刺激时增加了朝向指数，表明小鼠反应策略可能发生改变。
5. 研究的局限性与展望：尽管 DLC 在跟踪小鼠运动方面具有高精度，但当前研究使用的视频记录系统存在局限性，如仅能获取 2D 数据，在身体部位重叠或遮挡时存在问题。未来研究可采用深度相机或增加水平相机改善这一状况。同时，目前尚未找到可靠调节身体朝向的方法，后续研究可对此进行探索。

这项研究整合了无标记姿态估计（DLC）和视觉场分析（VFA）技术，为 rCPT 中 TOT 效应的研究提供了新视角，证实 TOT 诱导的警觉性下降并非由身体脱离任务引起，且 AMPH 可通过促进更保守的反应模式减轻警觉性下降，显著改善雄性小鼠的表现。未来研究可结合电生理活动信息，进一步深入探究 rCPT 表现的神经机制，为神经精神疾病的研究和治疗提供更有力的支持。