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Open Field 開闊場實驗簡介

SEP 10 ,2021

開闊場實驗Open Field Test (OFT) 是一種原理簡單的行為測試實驗,通常被拿來進行活動力、探索行為以及焦慮相關的研究。這個實驗主要是觀察動物在面對空無一物的開闊場地中最自然的反應,以及是否具有探索新環境的本能。. 在大鼠與小鼠這類囓齒動物身上經常存在著趨向性,這種避開明亮開放空間的行為被認為是一種進化適應行為,亦可以在許多其中物種身上觀察到。開闊場實驗利用物種中的這種恐懼來評估不同層面的焦慮相關行為。比起較為焦慮的動物,比較沒那麼焦慮的一般動物會表現出更積極探索開闊空間的行為;然而,有高度焦慮傾向的動物無論是活動力還是探索力都會大幅下降,它們會儘可能的縮在牆邊或角落處。雖然如此,動物的本能依然會在害怕的情況下驅使它們主動去探索並找出潛在威脅以求事後避免。

 

此實驗是在1930年代由Calvin S. Hall 所研發的,用途即為在一個開闊的空間觀察大鼠的行為 (Hall & Ballechey 1932)。 Hall 與 Ballachey 的實驗使用的是一個方型的行為箱,並且在地板劃線分隔出不同區塊,實驗時會在其中心放置食物 (有隔好避免動物將它吃掉),並觀察動物是否會因食物刺激在中心區域花上更多時間。這樣的實驗設計可以讓學者們看到正向的刺激對於大鼠趨向性以及行為的影響。儘管該實驗在評估焦慮和探索性行為方面很有用,但並未提供具體的焦慮衡量標準,這一點仍然存在許多討論空間。為了克服這個缺陷,現今亦有新型的3D 開闊場實驗可針對焦慮或是恐懼驅使的行為進行更準確的實驗。

 

開闊場實驗通常會搭配其他焦慮相關的實驗一併進行,例如 Elevated Plus Maze高架十字迷宮,並且多半會搭配一些焦慮/抗焦慮藥物一起使用進行治療相關研究。開闊場實驗亦有許多不同種類的變體,例如增加環境複雜度的 Ziggurat task金字塔測驗以及 Novel Object Recognition新物件辨識測驗,這些測驗皆用於評估動物如何對新事物作出反應。

 

硬體設備介紹

開闊場實驗設備非常簡單,通常就是一個四面皆為高牆的中空箱體,且動物不可能攀爬逃出。箱體可為圓形或是方形,大小則視物種而不同,常見的尺寸例如27*27 cm的小鼠箱以及50*50 cm的大鼠箱。牆面視實驗需求可為透明 (以便動物觀察箱外提示物)或是模糊/不可穿透 (阻隔動物受到外界干擾)。地板的部分通常會分成兩個區塊,接近箱體中心的中心區塊以及接近牆壁的周遭區塊,中心與周遭區塊可額外再分割成更小的區塊,以便學者進行更複雜的行為人工判讀或是使用軌跡追蹤軟體進行特定數據運算。

實驗流程說明

開闊場實驗用來評估動物的探索/活動力以及焦慮程度。進行此實驗可將動物分成兩組:進行假處置/給予安慰劑的Sham組以及有給予處置/治療藥物的實驗組,接著再將動物放進箱中觀察牠們的行為並追蹤其軌跡。較無焦慮表現的動物在行為上會比較願意到處閒逛並探索整個箱體,亦會做出許多放鬆的動作例如理毛、站立與休息;然而,較為焦慮的動物會有比較多的時間處於僵直狀態,並且無意探索整個箱體其他區域。

 

在每次實驗開始前,務必要將箱體徹底清潔並消除氣味,以避免實驗受到無謂的刺激所干擾。光源建議從箱體正上方給予,以避免箱內產生陰影遮蔽動物,光源強度只需要足以讓動物探索箱體即可,過強的光源反而會對動物造成壓力。實驗期間的觀察可以透過預先架設好的攝影機與影像軌跡追蹤軟體來達成,例如 Noldus Ethovision XT,攝影機需架設在箱體正上方以獲得最佳視野。開闊場實驗亦可使用人工記錄的方式進行。

 

由於開闊場實驗成效是建立在動物對未知環境的反應,因此這個實驗無需對動物進行任何事前的訓練與適應。整個實驗在操作者將動物放置在箱體正中間時開始,觀察時間需至少5分鐘,期間不得有任何形式的干擾。

 

各種變化型實驗

開闊場實驗其單純的構造使得它擁有許多的改裝空間。一些較為簡單的改裝包含了使用不透明的牆壁、不同種類的燈光、在地板設置危險區域 (電擊)、更改箱體尺寸或是乾脆不要使用基本的圓型與方型箱體,操作者可依自己的實際需求量身訂做理想的開闊場箱體。

 

金字塔測驗(The Ziggurat task) 是一種開闊場實驗的變體,操作者可在箱體中增加許多的金字塔錐體,使得整個箱體出現高低起伏的地型增加探索的複雜度,因此這個測驗同時也可以用來進行空間記憶的相關研究  。 新物件辨識測驗 (Novel Object Recognition task) 也是另一種開闊場實驗的變體,在箱體中增加一些玩具,這些玩具包含了動物原本就熟悉的舊玩具以及從未接觸過的新玩具,此測驗通常用於評估記憶力和對新事物的反應

 

社會挫敗(Social Defeat) 相關的研究亦可使用開闊場實驗設備來進行,例如使用修改過的開闊場實驗箱來進行動物情緒障礙的相關研究。 當然,精神疾病相關的治療藥物與療程亦少不了使用開闊場實驗來進行佐證

 

修改實驗步驟也是可行的一個方法,在某些情況下,您可以增加動物適應的步驟使之熟悉箱內環境。

數據分析

開闊場實驗主要觀察的數據為動物在箱內開闊空間的行為與反應。無焦慮症狀的動物會花上許多的時間探索整個箱內空間 (包含無任何遮蔽物的中心區域),不過如果將一般動物施予焦慮藥物 (或是乾脆直接使用疾病模式動物),這些動物會表現出焦慮的行為,除了避免在中心區域停留,且會將大部分的時間花在牆角等相對封閉的區域。

下列為開闊場實驗常見的量測參數:

 

  • 動物跨越不同區域的次數:例如動物進出特定區域的次數,或是頭部/四肢踏入特定區域的次數
  • 動物進出中心區域的次數
  • 動物停留在中心區域的總時間
  • 動物停留在牆邊 (週邊區域) 的總時間
  • 動物爬壁/站立的次數:一般來說,動物不靠牆進行站立 (Unsupported rearing) 可以作為動物焦慮的指標
  • 動物拉長身體移動的次數:拉長身體也是動物焦慮的一種表現

 

還有許多其他的行為可以被觀察/記錄,例如排便(尿)、理毛等。

長處與限制

開闊場實驗最大的優點就是建立與操作皆非常的簡單,且由於此實驗不需要任何的適應與訓練階段,因此跟其他焦慮相關的行為實驗相比,操作開闊場實驗可以用更快的速度產出數據。實驗單純也利於增加實驗條件或是更改研究方向,例如探討老化、藥物濫用、特定病變對於動物心智與行為的影響。開闊場實驗亦有應用在社會挫敗、絕望或是社交相關的領域上。

 

在焦慮相關研究中,實驗組與對照組在開闊場實驗的表現通常也會有很大的不同,因此很好讓操作者去調整實驗程序或治療方式。除了將沒測過的動物放進開闊場來量測其面對新環境的反應之外,亦有進行過第一次實驗後,重新布置整個箱內空間再用同一隻動物重新測驗的實驗設計,這樣的設計可以測出動物是否能夠理解並學習安全區域所在。

 

雖然開闊場實驗簡單且易於操作,不過這也同時成為了一個它的缺點:動物的行為出自於本身焦慮還是其他外在因素 (例如動物心智是正常的, 不過被嚇到後驚魂未定) 所誘導的,這點有時會受到爭論。此外,如何偵測動物的焦慮程度且有效的量化,這也是開闊場實驗的短處之一,因此我們建議開闊場實驗需要搭配另一種相關實驗 (例如高架十字迷宮實驗),來多方驗證您的實驗結果 。

 

撇開這些限制,開闊場實驗的結果也非常容易被干擾,像是操作者細心程度、動物性別、燈光強度、箱體氣味殘留等,這些細節都有可能影響最後的實驗結果,因此在操作上必須特別留意。

 

重點提示

  • 開闊場實驗是由 C. S. Hall 博士在1930年代所研發的,至今已有近百年歷史
  • 主要是用來探討動物的活動力、探索能力以及焦慮相關的行為
  • 其原理為誘發動物遇到新環境時,會嘗試探索的本能
  • 開闊場實驗的硬體與實驗步驟皆擁有很高的改裝潛力,可視操作者的研究需求進行客製化
  • 開闊場實驗缺乏量化焦慮程度的功能,建議搭配其他種類的行為實驗
  • 開闊場實驗可能無法分辨出動物的行為是因焦慮還是恐懼而驅使的

 

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