电刺激感官器官助力蟑螂迷宫空间识别学习

为探究电刺激对昆虫记忆形成影响，研究人员训练蟑螂，发现单侧尾须电刺激可提升其空间认知，意义重大。

　　

奇妙的 “机械昆虫” 探索之旅：从疑惑到突破

在科技飞速发展的当下，机械昆虫（Cyborg insects）宛如一群神秘的小探险家，逐渐走进人们的视野。它们凭借着独特的本领，有望在未来的搜索救援等领域大显身手。通过对昆虫的感觉器官、神经元或肌肉系统施加电刺激，机械昆虫能够高效地导航到指定地点，完成各种检测任务。

然而，在这个看似充满希望的研究领域，仍存在不少棘手的问题。一方面，训练昆虫的学习效率常常受到个体差异的严重影响，不同昆虫对训练的反应各不相同。另一方面，训练场景的设计也至关重要，就拿常见的 T 迷宫和 Y 迷宫来说，它们的形状差异会导致昆虫在学习表现上出现较大不同。而且，以往的研究中，对于基于电刺激的运动控制策略在昆虫辨别训练（如迷宫空间识别）中的效果，一直没有明确的答案。这些问题就像一道道屏障，阻碍着机械昆虫研究的进一步发展。

为了突破这些障碍，深入探索机械昆虫的奥秘，研究人员踏上了一段充满挑战的研究之旅。他们开展了一项关于机械昆虫运动控制策略在蟑螂迷宫空间识别学习中应用的研究，试图揭开电刺激对昆虫记忆形成影响的神秘面纱。最终，他们的努力取得了丰硕的成果，这一成果发表在《Cyborg and Bionic Systems》杂志上，为该领域的发展带来了新的曙光。

研究的关键技术方法

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们精心构建了定制的 T 迷宫训练装置，为蟑螂打造了特定的训练环境。其次，通过巧妙地构建无线刺激模块并将其与蟑螂结合，实现了对蟑螂的电刺激惩罚和引导。此外，研究人员还仔细测定了适用于空间学习的电刺激参数，通过对不同频率电刺激下蟑螂转向反应的研究，确定了最佳刺激频率，为后续实验的顺利开展奠定了坚实基础。

研究结果

1. 单侧尾须电刺激下的转向反应：研究发现，对蟑螂单侧尾须进行电刺激时，蟑螂会将尾巴向刺激的相反方向弯曲，身体随之转动。而且，刺激频率与蟑螂的角位移和转向半径密切相关。随着频率增加，角位移呈上升趋势，转向半径呈下降趋势。基于这些特性，研究人员选择了频率为 100Hz 的电刺激用于后续的操作性条件反射训练，因为这个频率能使蟑螂在训练中更大概率转向正确通道。
2. 基于引导电刺激训练的蟑螂学习表现：在训练过程中，研究人员在蟑螂做出自主选择前，对其施加向左转向的电刺激，诱导它进入特定通道。经过五次训练后，在短期记忆检测中，接受连续左转电诱导的蟑螂对左侧通道表现出显著偏好，平均记忆分数达到 85.50% ± 0.15%。这表明引导电刺激训练能够帮助蟑螂形成对特定通道的优先记忆。
3. 基于惩罚电刺激训练的蟑螂学习表现：当蟑螂在操作性空间训练中做出不准确的自主选择时，研究人员对其尾须施加电刺激作为惩罚反馈。与热惩罚训练相比，蟑螂开始避免与电刺激相关通道所需的惩罚次数更少，对惩罚电刺激的记忆持续时间更长，但惩罚电刺激训练获得的平均记忆分数略低于热惩罚训练，仅为 54%。这说明惩罚电刺激训练虽有一定效果，但在促使蟑螂形成对正确通道的偏好方面，不如引导电刺激训练。

研究结论与意义

这项研究充分证明了机械昆虫运动控制技术在蟑螂迷宫导航空间识别训练中的有效性。单侧尾须的电刺激能够促进蟑螂在分叉迷宫中形成优先记忆，引导它们向特定通道导航。引导电刺激训练策略仅通过五次训练就获得了高达 83.50% 的优异记忆分数，远远优于传统的惩罚性操作性训练协议。

这一研究成果意义非凡。它不仅揭示了连续尾须电刺激这种机械昆虫运动控制策略对蟑螂记忆形成的重要影响，为昆虫行为训练模式提供了全新的思路，还为未来机械昆虫在实际搜索场景中的应用提供了有力支持。借助昆虫天生的神经可塑性和学习能力，通过识别和选择训练，机械昆虫有望在真实的搜索救援任务中更快、更准确地识别目标物体，并灵活调整搜索路径，从而大幅提高搜索救援行动的效率。

未来，研究人员计划进一步将感官线索与尾须电刺激相结合，提升机械昆虫识别环境、视觉和气味信息的能力，不断拓展机械昆虫在检测任务中的应用范围，让这些小小的 “机械昆虫探险家” 在更多领域发挥出巨大的作用。