摘要 自1930年Tolman和Honziks建立首个T型迷宫学习记忆行为实验方法以来,斯金纳箱、巴恩斯迷宫、Morris水迷宫、新物体识别、跳台、避暗、奖励性操作式条件反射等范式相继出现。本文系统梳理大小鼠学习记忆研究中常用的11种行为学范式,覆盖原理、装置参数、操作流程、核心指标与优劣势,并给出横向对比表,供我们选择合适的行为学检测方法时参考。
📑 目 录
一、引言
二、学习与记忆:分类与神经基础
三、联想学习与非联想学习
四、十一类行为学范式(Morris水迷宫 → 5/9孔测试箱)
五、范式横向对比与选用建议
六、结语
学习记忆是生物体基本的认知功能,是指大脑接受外界信息,经过加工处理,转换成内在的心理活动,从而获取知识或应用知识的过程(姜宁,2022)。由于神经系统中神经和认知机制的复杂性,理解人类记忆和学习缺陷的任务是艰巨的;记忆对生存和理解世界至关重要,其形成和提取的机制仍是当前研究和讨论的活跃领域(Lang B, 2023)。
国际科学界已经认识到,细胞、分子和组织器官水平的研究无法完全反映数以百亿计的神经元以及神经突触组成的神经系统,在对外界刺激经过复杂的生理、生化加工过程后所产生的综合整体效应(姜宁,2022)。从整体和综合的角度开展认知科学研究,已成为世界各国科学家关注的重点。基于动物行为实验的学习记忆能力评价方法,已成为研究其发生机制和寻找有效防治措施的最可靠手段。
🎯 主要应用领域
🧠 认知功能障碍疾病 —— 阿尔茨海默病、血管性痴呆等
💊 功效评价 —— 改善学习记忆的药物与保健品
🚀 特因环境 —— 航天等环境所致认知损伤及防护措施研究
自1930年Tolman和Honziks首次建立14个单元的T型迷宫学习记忆行为实验方法以来,斯金纳箱、巴恩斯迷宫、Morris水迷宫实验、新物体识别实验、跳台实验、避暗实验、奖励性操作式条件反射实验等相继出现(姜宁,2022)。一百多年来,动物模型一直是研究正常和紊乱的学习与记忆的绝佳替代方案(Sharma S, 2010)。
注:行为学范式均存在混杂干扰因素,单一范式不足以判定学习记忆损伤,实验需要同步排除运动能力、视力、痛觉、嗅觉、焦虑水平、动物品系 / 性别等变量,建议多范式联合验证。
在一个被广泛引用的定义中,学习被称为由于实践而发生的或多或少的永久性行为改变(Sharma S, 2010);而根据Eric Kandel的说法,学习与记忆是一个连续的过程——学习是我们获取关于世界的知识的过程,记忆则是编码、存储和后来检索这些知识的过程。学习是改变后续行为的过程,记忆是记住过去经验的能力,二者互为表里却并不等同(Sharma S, 2010)。
20世纪80年代,Squire提出了基于不同记忆功能所涉神经结构的分类方法,引入“陈述性”与“非陈述性”记忆的二分法,这一分类至今仍与现代记忆模型相关(Lang B, 2023)。空间记忆通常被概念化为情景记忆的亚型,因为它在时空框架内存储信息,而Nadel和O’Keefe的认知图理论表明空间记忆依赖于海马。

陈述性记忆包括对地点、事物和人等事实的知识及其意义,可进一步细分为语义记忆(与特定事件或经历无关的一般知识和概念)与情景记忆(与特定时间和地点相关的具体事件或个人经历)。越来越多的证据表明,小鼠也可能具有某种形式的语义记忆,能够学习和记忆环境中物体的位置以及同种个体的身份(Lang B, 2023)。
联想学习是指生物体学习将无关刺激联系起来,形成刺激-反应对,从而产生特定行为的过程;它涉及将两个或多个同时发生的事件联系起来,使得一个事件的发生能够可靠地预测另一个事件的发生(Lang B, 2023)。非联想学习则是指行为因单一刺激而发生变化,无需将该刺激与其他刺激配对,其中习惯化和敏化是重要的适应性反应。经典条件作用与操作条件作用是最常见的联想学习形式,也是训练动物时最常用的技术(Lang B, 2023)。
许多动物(包括脊椎动物和无脊椎动物)都具有联想学习能力。理解这两种学习形式的区别,是选择恐惧条件化、被动/主动回避、操作式条件反射等范式的前提。
🥇 联想学习:刺激与刺激/反应建立联结
经典条件作用(如场景恐惧条件化)与操作条件作用(如触屏鼻刺取食、主动回避)。
🥈 非联想学习:单一刺激下的行为改变
习惯化与敏化,使动物能够调节其对环境中不同刺激的行为反应。
空间记忆对于任何动物在环境中导航、寻找食物来源或庇护所至关重要。在小鼠研究中有多种空间记忆测试,迷宫类装置是最常用的形式(Lang B, 2023)。以下按迷宫类空间记忆、识别记忆、情绪记忆、操作式条件化的顺序展开。

Morris水迷宫:隐藏平台与池外视觉提示
Morris水迷宫(Morris,1981年)是研究空间学习和记忆的常用测试。该测试最初为大鼠开发;大鼠、小鼠均存在对游泳的厌恶,仅耐受程度存在物种差异;小鼠版本利用小鼠对游泳的厌恶作为行为驱动(Lang B, 2023)。将动物置于圆形水池中,要求其找到水面正下方的隐藏平台(从实验对象视角不可见),水池周围设有视觉提示以帮助定位。测试持续数天,常用指标包括找到平台的时间、行进的距离和游泳路径。
💡 优势:依赖啮齿动物逃离水的自然动力,是一种基于行为学的厌恶激励因素,避免使用强光或噪音等人工压力源,也无需食物奖励与食物剥夺——这一点对老年啮齿动物尤其重要。大多数动物可相对轻松完成任务,且因大鼠小鼠天生的游泳能力,所需训练最少,便于高效采集数据;同时水在整个试验中保持同样激励作用,任务不受饱腹感影响,有助于全程保持稳定动机与一致表现(Bevilacqua L, 2026)。
注意:品系差异会显著影响小鼠游泳能力与任务表现;需要排除运动能力、视力、浮力差异对结果的干扰。

巴恩斯迷宫:圆形平台的孔洞与避难暗箱
巴恩斯迷宫(Barnes,1979年)是经典的陆地空间记忆测试。实验原理是啮齿类动物本能不喜欢明亮的灯光和噪音,倾向于逃到黑暗的地方(郑利平,2025)。迷宫为圆形平台,周围有许多贯穿平台的小孔(一般20个),随机在其中一孔底部放置一个盒子作为动物避难所,其余19孔底部也放置盒子,但尺寸小到动物无法进入;平台上方放置一盏200W白炽灯提供强光刺激,同时为动物提供视觉参考。
实验将动物置于平台中央,施加强光、噪声和风等刺激,允许其自由探索,记录找到正确洞穴的时间和进入错误洞穴的次数(郑利平,2025)。设备主流材质为 ABS 塑料,实验需要维持平台高度,实验间隙必须充分擦拭清除气味线索,避免动物依靠嗅觉完成任务。
💡 优势:陆地任务,不存在游泳带来的应激;可评价学习、工作记忆、空间参考记忆。对部分小鼠品系友好,部分品系在水迷宫中表现不佳时可选用该范式(Sharma S,2010)。
🔸 局限:学习过程可能非常缓慢甚至完全无法学习——可能因缺乏应激刺激,动物表现出更多探索行为而非逃避反应;也可能激发序列策略等非空间策略从而影响表现;若迷宫未适当清洁,动物还可能利用“芳香线索”来解题(Sharma S, 2010)。

Y迷宫:三臂等角布局与中央三角区
Y迷宫实验作为一种识别记忆检测手段,用于检测动物的短期空间记忆能力。它利用啮齿类动物天生喜爱探索新环境的特性开展,迷宫内部不设置阳性或阴性刺激物(Ghafarimoghadam M,2022)。
📐 装置 —— Y型有机玻璃,三条互呈夹角的臂分别标记为A、B、C;各臂长40 cm、宽15 cm、高30 cm,三臂由一块边长15 cm的等边三角形底板相连。
🌙 环境 —— 记忆检测需在黑暗、安静、无干扰环境中进行,实验前动物未接触过该装置。
⏱ 流程 —— 将动物放置于起始臂(A臂)端口,静置1 min后开启臂门正式开始,记录10 min内动物进入各臂的次数。
✅ 入臂判定 —— 动物四肢完全跨入臂内算作一次进入。
📊 核心指标:① 10min内的总入臂次数(同时可作为动物运动能力的评价指标);② 实际交替次数,即动物连续依次进入3条不同臂的次数,并由此计算转换率(Ghafarimoghadam M,2022)。
💡 优势:评估空间工作记忆、探索与重复行为的常用工具,操作相对简便、非侵入、可多指标评估,且具有一定跨物种适用性。
🔸 局限:易受个体差异、环境因素和标准化不足影响;且“臂进入”判定阈值等实验细节会显著影响自发交替率等核心指标的可比性(Echefu B,2025)(Kim J, 2023)。


八臂径向迷宫:中央平台与八条放射臂
八臂径向迷宫测试由Olton和Samuelson于1976年开发,用于评估大鼠的记忆和空间学习能力(Ghafarimoghadam M,2022)。装置由八边形中心区域和八个径向弹出臂组成,木制或塑料装置放置在距地面60至100厘米处,迫使动物依赖房间远端空间线索。每条臂末端设食物容器,其设计方式使得从中央平台看不到食物内容。放射状结构确保动物检查完每条臂末端的食物后必须返回中央平台,再选择其他臂;同时在迷宫周围墙壁放置海报或窗户等标志帮助动物导航也很重要。
🥇 工作记忆
所有臂的容器都装满食物,动物每条臂只能搜索一次;每次训练中动物需记住哪些臂之前装有食物,多次搜索同一臂表明工作记忆受损。
🥈 参考记忆
仅将食物放置在某些臂上,动物应只进入这些臂;进入没有食物的臂表明空间记忆存在障碍(Ghafarimoghadam M,2022)。
📊 核心指标:每次训练的错误数量(重复进入先前搜索过的臂)、正确选择的数量、第一个错误的位置、每次训练搜索的相邻臂数量,以及动物检查每条臂所需的时间。
🔸 注意:八臂迷宫在评估空间工作记忆方面高效且应用广泛,但需警惕动机混淆、线索利用、策略替代、敏感性受限等问题,并通过实验设计(如排除链式策略、控制饥饿程度)加以应对(Vorhees CV, 2014)。

新物体识别:熟悉化训练与新颖物体测试
新物体识别实验(Novel Object Recognition,NOR),亦称物体识别测试(Object Recognition Test,ORT),于20世纪80年代被开发为大鼠的记忆测试方法。该实验广泛用作小鼠和大鼠的记忆测试,利用动物的自然探索行为和新奇偏好(Swiercz AP, 2025)。
① 训练环节 —— 动物被放置于装有两只相同三维物体的场地内,给予一定时间探索这些物体。
② 测试环节 —— 经过一段延迟后(短时 / 长时记忆依靠间隔时长区分),将动物放回原场地,其中放置一个旧物体和一个新物体。
③ 指标 —— 测量动物探索每个物体所花费的时间,以偏好分数表示用于新颖物体的相对时间量,通常以占总时间的百分比或差异指数形式呈现(Swiercz AP, 2025)。
💡 优势:依赖啮齿类动物探索新奇事物的自然倾向,无需大量训练环节,也无需任何正强化或负强化来激发行为,因此比其他测试压力小得多,耗时也远少于Morris水迷宫或Barnes迷宫(后两者可能需一周甚至更长时间)。ORT还可方便地加以修改,以检查学习与记忆的不同阶段(获取、巩固、回忆),评估不同类型记忆(如空间记忆),或评估不同的保持间隔(短时记忆与长时记忆)(Lueptow LM. 2017)。
🔸 关键注意:探索测试中所使用的具体参数对诱发新颖性偏好至关重要。成功偏好测试的关键包括:选择偏好程度相当的物体,排除动物对某物体的先天固有偏好;摆放位置会产生空间偏好,需要组间平衡物体位置;避免选用动物可攀爬的物体、调整光照和昼夜节律、选择适当的熟悉化与测试之间的间隔时间等(Swiercz AP, 2025)。

场景恐惧条件化:条件刺激与非条件刺激的配对
恐惧无论是先天的还是习得的,都是生存所必需的基本情绪。对恐惧事件的学习及其后续记忆,能够增强我们识别和应对威胁的能力,从而帮助我们适应不断变化的新环境(Trent S,2025)。恐惧条件反射是一种广泛使用的行为任务,用于评估多种物种的学习和记忆;该范式既可用于探究恐惧学习,也可用于探测记忆,并且在评估短时记忆(STM)向长时记忆(LTM)的巩固过程中具有重要价值。
🔧 硬件 —— 测试箱、控制器、电击与声音装置、计算机、红外摄像头。
Day 1,适应期 —— 将小鼠放入测试箱适应10 min,不给予电击和声音刺激。
Day 2,学习期 —— 适应3 min后训练5个循环:每个训练包括声音刺激(70 dB、5000 Hz、30 s)作为条件性刺激,以及最后1s电击刺激(0.5 mA、1 s)作为非条件性刺激,每轮训练间隔30 s至60 s。
Day 3,场景性条件恐惧 —— 不给予电击和声音刺激,将小鼠放入测试箱5 min。
Day 4,线索性条件恐惧 —— 改变测试箱气味与环境条件,只给予声音刺激,操作方法同训练期。
📊 核心指标:统计三个阶段小鼠的僵直时间。僵直是啮齿类动物的一种防御行为,通常呈现较为刻板的蹲伏及摇摆,除正常呼吸外没有其他肌肉活动,用以表达恐惧。所处静止状态的时间(正常呼吸除外)即为僵直时间的判断标准,它表明小鼠对条件恐惧刺激的记忆程度(李祥磊,2020)。
💡 优势:评估小鼠海马依赖性联想学习与记忆的成熟、客观、可量化的经典范式,既能考察获得与保持、区分短期与长期记忆,也能评估恐惧泛化。
🔸 注意:需留意训练强度、焦虑/活动度等干扰因素,并在必要时结合线索条件恐惧及其他行为学方法以排除混杂,从而获得更准确的结论(Oliveira AM, 2011)。

自动化触屏操作箱:啮齿动物以吻部触屏完成认知任务
触摸屏平台为评估认知功能提供了新途径。啮齿动物通常通过迷宫进行评估,而人类则采用计算机化任务或纸笔测试等更广泛的工具;近期的进步,如无实验者干扰的自动化触摸屏平台,减少了压力和变异性,使行为分析更准确且可重复(Martins TC, 2025)。人类用手指触摸屏幕,啮齿动物依靠吻部触碰屏幕上的视觉刺激完成任务;将受CANTAB启发的范式应用于啮齿动物,提高了测试的转化效度,使得与人类评估直接比较成为可能。
🔗 技术延展:触摸屏技术与脑电图和光遗传学等功能的结合,使得行为和神经活动能够同时记录,实现高时间分辨率和最小的人工干扰,为不同专业的神经科学家提供了高度标准化、实验者干预最小、转化潜力强的研究手段(Martins TC, 2025)。
💡 适用:在人类和啮齿动物模型的认知评估中具备重要转化潜力,适用于强迫症、亨廷顿病、卒中及药物干预等多种疾病场景。
🔸 注意:在学习与记忆、动机、注意力和反应时间等领域,证据质量较低但仍相当可观(Martins TC, 2025)。

被动回避测试的经典设计是为了评估小动物神经疾病的非陈述性-联想情绪连接记忆。“被动回避”用于解释动物学会避免痛苦刺激的实验:虽然在黑暗环境中搜索是啮齿类动物的先天特征(无条件反应或行动模式),但在训练中动物会了解到,只要进入黑暗的容器,它就可能会受到电击(Ghafarimoghadam M, 2022)。
📐 箱体 —— 两个箱体,每个长宽均为20cm、高30cm。
⚪ 明室 —— 安全区,内壁为浅色。
⚫ 暗室 —— 非安全区,内壁为黑色。
🚪 隔门 —— 明暗两室之间隔墙底部中央设铡刀式滑动门。
⚡ 电击 —— 暗室底部布设不锈钢电击栅杆,通过导线与电刺激仪相连,可输出频率50 Hz、电流1 mA的电刺激,刺激时长约3 s。
Day 1,学习训练 —— 实验前每只小鼠或大鼠需置于实验环境中适应至少30 min;随后将动物缓慢放入明室,5 s后开启滑动门,允许其进入暗室。动物后肢完全跨入暗室所用的时间记为步入潜伏期(Step-Through Latency,STL);只有STL不超过100 s的动物方可纳入研究。动物一旦进入暗室发生退缩逃离,需要立刻终止电击。
Day 2,记忆提取 —— 训练结束24 h后开展测试,记录动物进入暗室的耗时;动物进入暗室,或是凭借过往记忆5 min内始终不进入暗室,测试即结束。
📊 指标解读 —— 初始步入潜伏期是反映动物运动能力与记忆提取功能的重要指标;模型组与对照组的STL通常无显著差异,提示动物获取新知识、新技能相关的运动能力未发生改变(Ghafarimoghadam M,2022)。
💡 优势:评估小鼠联想性情绪记忆的经典、简便手段,尤其适合海马-杏仁核依赖的记忆研究及药物筛选。
🔸 局限:评估维度较单一、易受非认知因素干扰、个体差异大,通常需要与其他任务(如水迷宫)联合使用,才能较全面地评价学习记忆功能(Adelöf J, 2019)。

大小鼠跳台记录系统
啮齿动物存在本能的趋地探索倾向,待在高台时,会本能跳下平台去探索箱底区域。装置箱底为可通电金属栅,动物被放置在平台,一旦四足全部跳下、接触底部金属栅,立刻给予足底电击(负性厌恶刺激)。动物由此习得关联:平台 = 安全,箱底栅格 = 危险,跳下会遭受电击,学会抑制跳下的本能行为。
📐 箱体 —— 亚克力箱体,25×25×50cm。
🔩 箱底 —— 铺设直径1 mm的不锈钢平行金属杆,间距1 cm,通过导线与电刺激仪相连。
台阶 —— 箱体旁设置一处台阶,高2.5 cm、宽7.5 cm。
Day 1训练 —— 将每只动物轻置于装置的方形平台上,记录其跳下平台前的停留时间;小鼠四足全部落到底部金属杆的瞬间,立即给予电刺激(0.5 mA/s);训练阶段在平台停留超过20 s者应剔除。
Day 2测试 —— 分别于训练结束后1h检测短期记忆、训练结束后24h检测长期记忆;受试动物跳下平台后放回平台,不再施加电刺激,记录其在平台上的停留时间作为记忆评价指标。代表记忆功能完全正常的最长停留时间为180 s。(Ghafarimoghadam M, 2022)
🔴 电击强度警示:电流强度与跳下平台的潜伏期相关。对于雄性Wistar大鼠,0.3-0.5 mA刺激2 s可产生约50 s的跳下潜伏期;0.8 mA、1 mA对应的潜伏期分别可达180 s和600 s。受电击后动物的躯体反应会随电击强度与个体敏感性而存在差异,可表现为尖叫、竖毛、躯体蜷缩、眼球突出,甚至跳跃。应当避免施加过强电击,防止动物出现僵住不动的现象(Ghafarimoghadam M,2022)。
📌 总体评价:一种简易、快速的学习记忆试验。与避暗法配合使用,可用于研究记忆的获得、巩固与再现等多个阶段;亦有研究指出,对记忆获得和记忆巩固的损害,跳台法较避暗法更敏感——这既是其特点,也意味着它在不同记忆阶段的评估上可能存在偏向。该方法依赖足底电击作为负性刺激,受电击强度影响明显,需要严格控制刺激参数。

主动回避实验同样可用于评估联合记忆的习得过程。在该实验中,动物可依据灯光、声音等条件刺激(CS),对后续出现的伤害性痛刺激形成预判;动物建立痛觉与条件刺激之间的关联后,感知到条件刺激时便跑至穿梭箱对侧隔间,以此规避痛刺激(Ghafarimoghadam M,2022)。
📐 箱体 —— 穿梭箱60×40×30 cm,内设两个独立隔间;底部均为不锈钢平行金属杆;箱内设高度1 cm的亚克力隔板,将底面分隔为两个独立区域,两个隔间可分别实施电刺激。
💡 条件刺激 —— 若CS为光,则每个隔间顶部装配一盏灯;若CS为声音,则在两隔间之间的箱壁上安装小型扬声器。
阶段一 环境适应 —— 将动物置于其中一个隔间,允许其在两隔间之间自由活动10-15min。
阶段二 训练 —— 通过条件刺激与痛刺激的配对,使动物学会主动回避。
💡 优势:操作相对简单、能定量评估联想学习和记忆保持,且电击参数可控、可与情境/线索学习结合。
🔸 局限:受电击伦理、动物运动与焦虑等混淆因素、慢性过程模拟不足、设备标准化困难以及较长学习周期等制约。选用时应根据研究目的(如恐惧记忆、药物干预、情境+线索学习)平衡这些优缺点(Kajs BL,2022)。

刺激/响应孔阵列与强化物奖励盒
五项选择连续反应时间任务测试箱(5-CSRTT)由Robbins及其同事于20世纪70年代末设计,用于评估大鼠行为的认知方面(Bensadoun JC,2004)。1999年,T. Humby及其同事发表了第一项关于适用于测试小鼠的九孔盒的研究(所以该装置也通常被称为“9孔盒”,即使现在流行使用5孔设备),证明了小鼠操作室使用五项选择的串行反应时间任务来评估不同品系小鼠注意力功能的功效。
🔘 相邻刺激/响应孔 —— 每个孔结合了一个用于呈现视觉刺激的位置和一个用于检测响应的红外光电管光束,各孔在前部弧形墙壁上水平排列。
🍪 后墙弹匣 —— 强化物放置于井中,装有用于检测鼻刺以获取食物奖励的光束。
💻 计算机控制 —— 可对行为进行无偏见测量:认知方面(辨别试验中的选择准确性、对刺激的反应时间)与运动/动机方面(运动时间、强化后暂停、反应间延迟)。
🎯 研究取向:利用九孔盒的研究通常旨在评估离散大脑区域与认知、运动功能细微方面之间的功能联系,特别关注基底神经节和大脑皮层区域之间的相互作用(Bensadoun JC,2004)。
💡 优势:能多维、与人类可比地评估注意、冲动与执行功能,并可通过参数调控和神经环路操作精细解析认知成分。
🔸 局限:对任务参数和遗传背景高度敏感、训练周期长,且更侧重“注意/执行”而非经典学习记忆。若研究目标专指学习记忆,建议与其他经典记忆范式联用(Staal,2012)。
下表按本文所述内容整理,便于在实际课题设计中快速定位候选范式。

🔸 选用提示:单一范式的结论往往受制于其自身的动机基础、应激水平与策略自由度。若条件允许,建议以一个主范式 + 一个不同记忆系统/不同动机基础的次级范式互相印证,并在方案阶段就锁定入组标准(如STL阈值、停留时间剔除标准)、刺激参数与清洁流程,以最大程度降低批间变异。
学习记忆作为生物体最基本的认知功能之一,其研究对于理解大脑工作机制、探索认知功能障碍的发病机制以及开发有效的干预策略具有重要意义。从Morris水迷宫到巴恩斯迷宫,从Y迷宫到八臂迷宫,从新物体识别实验到场景恐惧实验,各种行为学范式从不同角度揭示了学习记忆的多维面貌。
每一种行为学范式均存在固有的混杂因素,动物品系、性别、昼夜节律、应激水平、痛觉、运动能力、感官功能都会改变行为结果,单一范式不足以充分证明学习记忆功能损伤。我们应根据研究目的、动物模型和实验条件,选择合适的行为学检测方法,以期获得可靠、可重复的研究结果。
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