糖水偏好测试中小鼠行为的计算分析

本研究通过实验和计算分析了小鼠在糖水偏好测试（SPT）中的行为，揭示了与糖水偏好变化相关的先前未被识别的行为子成分。研究发现，急性和慢性应激对糖水偏好有性别依赖性的影响，但只有在雄性小鼠中观察到对慢性应激的快感缺失反应。此外，通过光遗传学诱导的糖水偏好降低并不总是表明快感缺失，也可能反映学习缺陷。研究还发现，实验条件的微小变化会影响行为、任务结果和解释。因此，一个看似简单的行为任务可能涉及高水平的复杂性，这表明在研究其背后的神经生物学时，需要仔细分析行为的子成分。

文章介绍了糖水偏好测试（SPT），这是一种衡量啮齿动物对1-2%蔗糖溶液相对于水的偏好程度的实验方法，作为奖励敏感性的代理指标。啮齿动物通常对可口的甜味溶液有天然偏好，这种偏好被认为与动物在消费蔗糖时所感受到的快乐相关。因此，糖水偏好的减少被解释为无法感受到快乐，即快感缺失（anhedonia）。快感缺失常见于物质使用障碍、重性抑郁障碍和其他神经精神疾病患者，因此SPT被广泛用作研究这些疾病神经生物学基础的啮齿动物实验。

啮齿动物中的急性和慢性应激以及其他应激因素（如社交失败应激、应激、母体剥夺）显著降低糖水偏好，这被用作快感缺失的标准。当快感缺失与其他应激诱导的行为适应（如被动应对增加、社交行为缺陷、睡眠模式变化、昼夜节律改变）一起观察到时，动物常被归类为易感于类似抑郁的表型。这些模型的有效性在于应激是人类抑郁发展的主要风险因素，并且抗抑郁药物的应用可以逆转啮齿动物的抑郁相关行为，包括快感缺失。

然而，不同实验室进行SPT的方法学差异可能导致其可复制性的困难，这一点从前SPT研究的元分析中可以看出。文章强调，快感缺失在最狭义上被认为是体验快乐的减少能力，但在人类中，它可以反映多种快乐的功能障碍，包括奖励预期、奖励评估、努力、奖励学习和奖励规划。因此，SPT可能不仅仅是反映动物体验由蔗糖溶液引起的快乐（“喜欢”）的能力，而是可能涉及动物整合感官、摄入和动机信号以驱动选择的能力。SPT的主要行为结果测量，糖水偏好，是否反映了额外的行为成分或子程序，这些是更广泛的快乐领域的一部分，目前仍不确定。

研究者对25只C57Bl/6小鼠（成年，雄性和雌性）进行了12小时的SPT。在测试中，小鼠可以自由选择水和1%蔗糖溶液，同时使用电子舔计器测量舔舐行为。通过微结构分析舔舐行为，将舔舐行为分为不同的舔舐发作（称为“选择”），每个选择之间至少间隔5秒。

小鼠在SPT中表现出对蔗糖瓶的强烈偏好，并随着时间的推移逐渐增加对蔗糖瓶的舔舐行为，表明SPT涉及某种形式的学习。糖水偏好的建立既通过选择蔗糖的次数多于水的次数，也通过在蔗糖选择中的平均舔舐次数多于水选择。通过分析小鼠的选择行为，可以从两个方面解构SPT中的行为：(i) 选择蔗糖的百分比和 (ii) 这些选择中的舔舐次数。

研究者从强化学习的角度分析了小鼠的选择行为，并使用13种不同的强化学习模型对25只小鼠的原始选择数据进行了拟合，进行了贝叶斯模型选择。

选定的模型基于三个自由参数描述动物的行为：(1) 快感参数ρ，表示蔗糖相对于水的价值程度；(2) 学习率α，衡量单一选择如何影响瓶子的价值；(3) 折扣/吸引参数η，指示未选择的瓶子的价值是否会减少（折扣）或增加（吸引）。

通过似然估计估计每个会话的拟合参数{ρ, α, η}，允许对不同小鼠和SPT会话之间的每个参数进行点估计比较。

跨相关分析显示，糖水偏好不仅仅是由快感因子ρ决定的，这表明SPT是一个比先前假设的更复杂的行为范式。

研究者探究了慢性和急性应激对小鼠SPT行为的影响，这两种应激范式通常被用来诱导抑郁样行为。

慢性应激在雄性和雌性小鼠中都降低了糖水偏好，但这种差异直到测试的后半段才显现，表明短期SPT可能会导致假阴性结果。

急性束缚应激在雄性小鼠中增加了对蔗糖瓶的偏好，但这并没有导致蔗糖选择百分比的变化，因为它被同时发生的学习缺陷（学习率α的降低）所掩盖。

在雌性小鼠中，急性应激降低了糖水偏好，这主要是由于选择大小比率的降低，而非选择蔗糖的百分比的变化。

研究者通过光遗传学抑制mPFC神经元来探究其对糖水偏好的影响，特别是在SPT的不同阶段抑制神经元。

光遗传学抑制mPFC神经元仅在会话开始时降低糖水偏好，表明这种降低是通过学习缺陷（学习率α的降低）而非快感缺失介导的。

这些结果表明，对SPT行为的急性变化的解释需要考虑学习缺陷的可能性，而不仅仅是快感缺失。

本研究通过详细的实验和计算分析，揭示了SPT中糖水偏好的复杂性，并强调了在研究神经精神疾病时，需要仔细考虑行为范式的多个方面。通过提供Python工具箱SweetiePy，研究者可以帮助其他研究者更好地分析和解释SPT数据，从而为神经精神疾病的治疗和行为神经基础的理解提供新的见解。