Fear Conditioning 恐懼制約實驗簡介

實驗鼠恐懼制約 (Fear conditioned) 實驗被用在神經科學研究領域已經行之有年，其原理為透過聯想來使動物對特定條件與不適形成連結，進而造成動物開始對特定條件感到害怕。不論是提示 (Cue) 還是情境 (Context) 恐懼制約實驗模式皆很容易在不同物種間建立並重現。

典型的恐懼制約實驗大致上的進行方式，是使用一個對實驗對象不舒服且沒有任何條件的刺激 (Unconditioned stimulus, US) ，例如電擊，此類刺激發生之前會先有一個較無傷害的條件刺激 (Conditioned stimulus, CS) 作為提示，例如特定環境或是特定聲響。動物會在接收到條件刺激後被電擊，進而將兩種刺激產生連結，之後當條件刺激發生的時候，動物就會回想起接下來會被電的不悅感，預先作出警覺產生肢體僵硬的現象 (Freezing)，我們即可透過動物肢體僵硬的時間長短來判斷牠將兩種刺激產生連結的效果如何。 

恐懼制約實驗又可分成以下種類：

情境恐懼制約 (Contextual Fear Conditioning)

此類恐懼制約實驗使用的是特定的環境作為條件刺激，例如將動物移至牆壁有特殊花紋的行為箱內再給予電擊，讓動物建立對於此種環境與電擊之間的連結，之後每當動物再次進入此行為箱內，就會聯想起被電爆的感覺並四肢僵硬。

提示恐懼制約 (Cued Fear Conditioning)

此種恐懼制約實驗即為稍早提的典型實驗模式：使用一個提示刺激來讓提醒動物牠即將被電。進行此種恐懼制約時必需確保動物將正確的提示與電擊作連結，您可以透過替換不同的環境但保留該提示達成此目的 (例如每天都更換行為箱牆壁的花樣，但電刺激前的提示音保持不變) 。

痕跡恐懼制約 (Trace Fear Conditioning)  

此類恐懼制約與提示恐懼制約類似，都是在電擊前給予一個提示刺激，不過痕跡恐懼制約中兩種刺激的間隔時間會長上許多，這會讓動物更難去將兩種刺激建立連結，增加了實驗的複雜性，動物若要在此種條件下建立恐懼制約則會牽涉到更多邊緣系統 (Limbic system)  的腦區 (例如下視丘、杏仁核等) ，雖然痕跡恐懼制約較難建立，不過此實驗可以獲得邊緣系統各腦區彼此聯繫溝通的證明。

逆向痕跡制約 (Backward Trace Conditioning)

逆向痕跡制約通常用來作為其他制約實驗的對照實驗，此種制約實驗將條件刺激放在電擊刺激之後，因此條件刺激不太可能會被動物與恐懼作連結，若在逆向制約實驗中動物被電擊後聽到提示音仍然會僵直，則說明了動物的僵直與電擊無關。

上述恐懼制約實驗如今已成為神經科學相關研究的重要方法，針對邊緣系統及其周遭的腦部功能研究通常都會使用恐懼制約實驗來驗證某些論點，例如某個腦區損傷是否會影響動物在恐懼制約實驗的表現。情境與提示恐懼制約這兩種實驗目前已知和下列腦區的功能有密切關係：杏仁核 (amygdala) 、 海馬迴 (hippocampus) 、大腦額葉皮質 (frontal cortex) 以及扣帶回皮質 (cingulate cortex) 。

現今恐懼制約實驗最常見的硬體配置為一個觀察箱，箱壁為透明壓克力以便於更改花樣製造不同情境，地板則使用柵狀可導電金屬地板，並且將其連接至一個電刺激器，箱上還需要一個喇叭 (發出白噪音與提示音用) 以及影像監控系統，整個觀察箱與所有配件最好能置於安全無人的環境或是置於專用隔音箱內，這樣的配置易於組裝和清潔，且可以應付絕大部分的恐懼制約實驗程序。

提示恐懼制約 (Cued Fear Conditioning) 範例實驗步驟

預先訓練階段

整個恐懼制約實驗任何階段皆需在完全靜音的環境內完成 (使用專用的隔音箱或是專用的實驗室) ，且需與動物居住環境完全隔離或至少保持距離，以避免動物在實驗以外的時間聽到提示音。

將動物從動物房移至實驗環境時，需給予動物60-90分鐘的適應時間才能接著進行實驗。

避免待命的動物透過其他線索學習

若您同時使用2個以上的行為箱進行實驗，那您會需要將兩箱的提示音/電刺激的時間完全同步，避免箱子之間有時間差，進而混淆動物的學習。

理想狀態下，您的所有待測動物最好能夠同時開始進行實驗，不過這也意味著您需要非常多的行為箱以及經費，在需要輪流進行實驗的情況下，您至少需要將實驗過的動物與尚未進行實驗的動物隔離，避免剛被電完的動物向他的室友哭訴 (其實是避免兩種動物的行為相互影響) ，當日的實驗結束後，再讓動物們回到同一個飼育籠內休息。

動物進入行為箱前 (或是進行下一隻動物的實驗前) ，請務必清潔行為箱，避免上一隻動物的氣味殘留干擾接下來的實驗運行。

※以下時間僅供參考，實際所需時間與天數視動物種類與狀況而定

第一階段(訓練期) – 將條件與不適進行連結

將動物放入行為箱後，您需要給予動物2分鐘的時間進行探索與適應，接著可以播放15-30秒的提示音，在提示音的最後2秒同時給予電擊，電擊將隨著提示音的消失而結束。電擊結束後，讓動物在箱內休息一段時間 (至少60秒) 即可進行第二次試驗 (重覆上述流程) 。

在最後一次電擊結束後的休息時間結束後，即可將動物移出行為箱至實驗後的飼育籠內，將動物移出請務必溫柔些，您的動物仍心有餘悸。

第二階段(數據接收期) – 給予條件使之驚嚇

將動物放入行為箱並給予3分鐘的適應時間，適應結束後即可給予3分鐘的提示音並開始記錄動物活動情形與影像，提示音的強度與頻率需與前一日訓練階段時相同，提示音結束後，需再額外記錄1分鐘的數據，記錄完畢後即可移出動物並清理環境。

Control test對照組實驗

您可以進行逆向痕跡制約實驗來當作對照組實驗，只要在第一天訓練將電擊與提示音的順序顛倒即可 (電擊完後再播放提示音) 。結果即可證明動物僵直是受到提示音訓練的結果

數據收集

恐懼制約實驗的數據較為單純，目前最常見的是透過影像以及實驗動物軌跡追蹤/分析軟體 (例如 Noldus Ethovision) 給予提示後動物僵直的時間百分比，實際僵直秒數可能為數秒至數分鐘不等 (視您的電擊強度/秒數/動物狀況而定) ，因此比較僵直時間百分比為最被大家所接受的數據。透過比較不同組別的動物 (例如正常動物與腦損傷動物) 接受到特定提示或情境時僵直的情形即可得知其學習能力的差異。

您可以將動物僵直的時間百分比繪製成如上的圖表 (別忘了補上標準誤差以及顯著記號) ，即可輕易的表達您的各項處置對於動物的學習能力是否有影響。一般來說，腦部擁有病灶或是損傷的動物其學習能力會受影響，較差的學習能力讓動物對於提示音會有較小的反應 (動物可能不會想起提示音後他會被電爆這事情) ，試著改善腦部病灶或損傷 (例如給藥或手術) 可能會增加動物對提示音的反應。

缺點與限制

恐懼制約實驗最常見的缺點為動物的敏感度很高，高到很容易單純被環境或是操作者對待動物的方式所干擾，例如將整籠動物從動物房移到實驗室的過程中太過粗暴，又或是將動物從飼育籠移出至行為箱的過程不夠細心，導致動物在充滿壓力的情況下開始進行訓練或實驗，因此如何對待動物，將他們受到的壓力最小化即為整個恐懼制約實驗最重要的課題。

重點提示

• 恐懼制約實驗主要用來檢測實驗動物的學習能力
• 實驗進行的方式是透過訓練使動物對於某種提示產生聯想，使之回憶起提示出現時接著產生的不悅
• 恐懼制約實驗步驟有多種方法可以進行微調，供學者們進行不同層面的腦部功能研究
• 特定腦區病變或受損的動物其學習能力會受到影響，使之更難將提示與刺激作連結。
• 動物本身受到的壓力，對於恐懼制約實驗的成功與否影響甚大，如何避免給予動物與實驗無關的壓力是非常重要的一環

參考文獻

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