一種新型訓(xùn)練蜜蜂裝置的初步探索

狄納言，高 潔

(1.中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園，昆明 650223;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

雖然蜜蜂Apis 的腦部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是卻具有比較強(qiáng)的學(xué)習(xí)及記憶能力。例如，意大利蜜蜂Apis mellifera 通過(guò)學(xué)習(xí)記憶能夠識(shí)別花粉與花蜜的味道或者顏色，形成永久記憶(Kandel，2001)。蜜蜂的嗅覺記憶是研究嗅覺的經(jīng)典模型，嗅覺在蜜蜂學(xué)習(xí)、覓食過(guò)程中起重要作用(Breed，1983)，意大利蜜蜂擁有163個(gè)嗅覺受體基因(Robertson and Wanner，2006;Weinstock et al.，2006)，具有很強(qiáng)的嗅覺記憶能力(Laska et al.，1999)。蜜蜂的正常活動(dòng)半徑為2-3 km，通過(guò)學(xué)習(xí)和記憶飛行途徑的地形、地貌，能從巢外復(fù)雜的環(huán)境中回到蜂巢(Pahl et al.，2011)。蜜蜂作為研究學(xué)習(xí)記憶行為的重要模式昆蟲，針對(duì)蜜蜂的學(xué)習(xí)與記憶機(jī)制已經(jīng)被各國(guó)各科研工作者用于研究(Menzel，2001)，已被作為研究動(dòng)物學(xué)習(xí)與記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)模型(Hammer and Menzel，1998;鄭火青和胡福良2009;Gronenberg and Couvillon，2010)。

在研究蜜蜂的學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中，通常需要訓(xùn)練蜜蜂。早在1986年Getz 等人依據(jù)巴甫洛夫條件反射原理，在Bitterman 等人的基礎(chǔ)上(1983)，建立條件刺激(CS)結(jié)合非條件刺激(US)的蜜蜂模式(Getz et al.，1986)，訓(xùn)練方法為:用氣體A(CS+，即conditioned stimulus)對(duì)著蜜蜂觸角吹3 s，若蜜蜂伸吻則給予一滴糖漿(US+，即unconditioned stimulus)。蜜蜂均受訓(xùn)一次后，用另一種氣體B(CS-)對(duì)著蜜蜂觸角吹3 s，若蜜蜂對(duì)氣體B 無(wú)反應(yīng)則給予一滴氯化鈉(US-)溶液。如果氣體A 與氣體B 對(duì)比足夠大，則可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練工蜂對(duì)氣體A 有反應(yīng)而對(duì)氣體B 無(wú)反應(yīng)。其中，條件刺激(CS)和非條件刺激(US)控制是關(guān)鍵，關(guān)系訓(xùn)練效果。

本文提出利用軟件控制條件刺激和非條件刺激的時(shí)間、強(qiáng)度(流量)等參數(shù)，研制了一輪可訓(xùn)練10 頭蜜蜂的自動(dòng)訓(xùn)練儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)訓(xùn)練過(guò)程的精確控制，為蜜蜂學(xué)習(xí)記憶行為提供一種更為便捷、高效、精確的方法。

1 材料與方法

蜜蜂訓(xùn)練裝置的主要由刺激系統(tǒng)和蜜蜂旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)、控制器、紅外檢測(cè)器以及計(jì)算機(jī)軟件組成。基于計(jì)算機(jī)控制給予條件刺激(氣味)的氣壓系統(tǒng)、非條件刺激(糖漿)的機(jī)械系統(tǒng)和變換受訓(xùn)蜜蜂位置的旋轉(zhuǎn)臺(tái)。氣壓系統(tǒng)包括:氣瓶、氣泵、氣管和流量計(jì);機(jī)械系統(tǒng)包括:電機(jī)、注射器、飼喂盤和液管。整個(gè)裝置的實(shí)物圖和示意圖如下:

刺激系統(tǒng)，即條件刺激部分與非條件刺激部分結(jié)構(gòu)如圖3 所示，條件刺激利用氣壓系統(tǒng)傳輸:氣泵與流量計(jì)相連，流量計(jì)控制氣流大小;控制器與旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)上的出氣孔相連，通過(guò)電磁閥的開閉控制出氣時(shí)間以及出氣孔(A 孔或B 孔)，同時(shí)訓(xùn)練氣與風(fēng)扇相連，通過(guò)控制器控制風(fēng)扇抽氣，確保訓(xùn)練前、后旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)上沒有殘留氣味，影響下一只蜜蜂受訓(xùn)。由計(jì)算機(jī)軟件控制氣體的開關(guān)信號(hào)，并通過(guò)USB7408N 連接控制器軟件上可設(shè)定氣體通道、氣體時(shí)間、以及抽氣時(shí)間等訓(xùn)練參數(shù)。非條件刺激利用液壓傳輸系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)軟件提供糖漿喂食信號(hào)，通過(guò)USB7408N 連接控制器控制喂食電機(jī)運(yùn)動(dòng)并同步聯(lián)動(dòng)糖漿電機(jī)，將無(wú)菌注射器中的蔗糖糖漿通過(guò)糖漿管運(yùn)輸?shù)叫D(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)上的糖漿滴管，通過(guò)控制臺(tái)控制糖漿時(shí)間以及糖漿流速，糖漿從滴管滴落在糖漿盤上，供蜜蜂取食，以此達(dá)到自動(dòng)喂食蜜蜂的效果。

圖1 蜜蜂訓(xùn)練裝置實(shí)物圖Fig.1 The stimulation apparatus for bee trained

圖2 蜜蜂訓(xùn)練裝置示意圖Fig.2 The diagram of stimulation apparatus for bee trained

圖3 蜜蜂訓(xùn)練裝置條件刺激與非條件刺激部分電路圖Fig.3 The circuit diagram that indicates the conditioned stimulus and the unconditioned stimulus

2 結(jié)果與分析

2.1 訓(xùn)練蜜蜂準(zhǔn)備

選擇一群蜜蜂，在蜂巢門口，于8∶00-10∶00攔截出巢工蜂15-20 頭，將其放入小玻璃瓶?jī)?nèi)(每個(gè)小玻璃瓶?jī)?nèi)放入1-2 頭)，4℃冰水混合物中麻痹至蜜蜂無(wú)活動(dòng)后，取出將其固定在專用的金屬支架上，只留有頭部和觸角可自由活動(dòng)。待蜜蜂蘇醒后，用糖漿輕觸蜜蜂的觸角，誘導(dǎo)蜜蜂伸吻后讓蜜蜂吸食糖漿，直至吃飽。把喂飽的蜜蜂放入暗室2 h(溫度25℃、濕度85%)后取出蜜蜂，糖漿輕觸蜜蜂的觸角檢測(cè)是否伸吻，如果伸吻，表明該蜜蜂具有良好的反應(yīng)能力，可用于訓(xùn)練。每次選擇10 頭放到旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)上用于訓(xùn)練。

2.2 蜜蜂訓(xùn)練方法

采用目標(biāo)氣體和空白(空氣)訓(xùn)練重復(fù)的方法訓(xùn)練蜜蜂。所用供試蜜蜂隨機(jī)分為2 組，一組接受手動(dòng)訓(xùn)練，另一組接受儀器自動(dòng)訓(xùn)練，訓(xùn)練操作方法如下:

2.2.1 自動(dòng)訓(xùn)練方法

目標(biāo)氣體訓(xùn)練:在黑暗通風(fēng)廚內(nèi)，首先打開自動(dòng)訓(xùn)練裝置上的紅光燈罩，然后打開Bee Training 程序，選擇氣體通道并設(shè)定訓(xùn)練前等待時(shí)間、給氣時(shí)間、給糖時(shí)間，以及抽氣時(shí)間等參數(shù)后，儀器將自動(dòng)將1 頭蜜蜂旋轉(zhuǎn)到訓(xùn)練位置(即同時(shí)施于條件刺激和非條件刺激位置)，后停留40 s 讓其熟悉訓(xùn)練臺(tái)，接收條件刺激(CS)5 s(氣體流速33 mL/s)，在條件刺激的第3 秒，給予非條件刺激3 s(溢出糖漿20μL)，讓蜜蜂吸吮糖漿，然后讓蜜蜂在訓(xùn)練位置再停留15 s，下待訓(xùn)1 頭蜜蜂自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到訓(xùn)練位置，重復(fù)以上訓(xùn)練。單只蜜蜂的訓(xùn)練時(shí)間為1 min，10 頭蜜蜂完成訓(xùn)練的時(shí)間為10 min。

空白氣體訓(xùn)練方法:當(dāng)所有蜜蜂都經(jīng)過(guò)一次訓(xùn)練后，所有訓(xùn)練參數(shù)不變，但條件刺激的氣體為空氣，讓所有蜜蜂都接受一次僅有空氣流的空白訓(xùn)練，這個(gè)過(guò)程是為了消除氣流對(duì)蜜蜂的機(jī)械刺激。

每次讓10 頭蜜蜂接受3 次目標(biāo)氣味和3 次空白氣流的刺激訓(xùn)練。訓(xùn)練好的蜜蜂喂飽后放入暗室，待用。

2.2.2 手動(dòng)訓(xùn)練方法

手動(dòng)訓(xùn)練參數(shù)同上，由訓(xùn)練人員手動(dòng)給予蜜蜂條件和非條件刺激。

2.3 訓(xùn)練效果檢測(cè)

2 h 后從暗室拿出蜜蜂，用糖漿檢測(cè)是否伸吻，淘汰沒有伸吻的蜜蜂。將10 頭蜜蜂放入旋轉(zhuǎn)控制臺(tái)，軟件設(shè)定僅給氣，不給糖漿。用目標(biāo)氣味刺激這些蜜蜂，觀察其是否伸吻，再用空氣刺激確定其是否伸吻，如果對(duì)目標(biāo)氣味刺激伸吻且對(duì)空白氣流刺激不伸吻，表明這些蜜蜂已學(xué)會(huì)并記住了該氣味，記錄學(xué)會(huì)并記住氣味的蜜蜂數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

利用上述2種方法，每次訓(xùn)練50 頭蜜蜂，重復(fù)訓(xùn)練6 次，共訓(xùn)練600 多頭蜜蜂。統(tǒng)計(jì)每次50 頭中學(xué)會(huì)和記住目標(biāo)氣味的蜜蜂數(shù)量N，計(jì)算訓(xùn)練的成功率:P=N/50×100%。之后得到6 次訓(xùn)練成功率的平均值。

圖4 蜜蜂訓(xùn)練裝置與手動(dòng)訓(xùn)練成功率比較Fig.4 The success rate of apparatus and manually operated for training bees

使用蜜蜂訓(xùn)練裝置自動(dòng)訓(xùn)練蜜蜂數(shù)共301 頭;手動(dòng)訓(xùn)練蜜蜂數(shù)共304 頭，蜜蜂訓(xùn)練裝置的平均成功率為58.47%，手動(dòng)訓(xùn)練蜜蜂的平均成功率為49.67%。試驗(yàn)結(jié)果使用SPSS19.0 進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，結(jié)果表明:使用蜜蜂訓(xùn)練裝置，訓(xùn)練成功率顯著高于手動(dòng)訓(xùn)練(χ2=9.822，P=0.002)，說(shuō)明蜜蜂訓(xùn)練裝置對(duì)蜜蜂的訓(xùn)練效果優(yōu)于手動(dòng)訓(xùn)練。

3 結(jié)論與討論

蜜蜂訓(xùn)練裝置作為一種新型的訓(xùn)練蜜蜂儀器，具有更為精準(zhǔn)、快捷的優(yōu)勢(shì)。蜜蜂訓(xùn)練裝置的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為:

首先，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制條件和非條件刺激，能控制施放刺激方式，單獨(dú)或同時(shí)，以及刺激蜜蜂的時(shí)間和強(qiáng)度，讓受訓(xùn)蜜蜂建立有效的條件反射。并且位于糖滴管下方紅外檢測(cè)器自動(dòng)記錄蜜蜂展吻問數(shù)，如是否展吻和展吻次數(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練、檢測(cè)的自動(dòng)化，并且訓(xùn)練結(jié)果自動(dòng)保存，極大提高訓(xùn)練效率。

其次，蜜蜂訓(xùn)練裝置可對(duì)氣體通道自動(dòng)選擇，通過(guò)軟件控制2個(gè)氣瓶閥門開關(guān)。使用空氣消除蜜蜂對(duì)氣流、位置的感知，控制給氣量可以降低試驗(yàn)誤差，避免因給氣量的不同而導(dǎo)致蜜蜂記憶差異，讓蜜蜂更快建立“氣味—獎(jiǎng)勵(lì)”這一條件反射。

再次，蜜蜂訓(xùn)練裝置縮短訓(xùn)練時(shí)間，蜜蜂訓(xùn)練裝置1 min 針對(duì)1 頭蜜蜂進(jìn)行訓(xùn)練，一輪10 頭蜜蜂訓(xùn)練一次需10 min，提高訓(xùn)練效率。

此外，旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練臺(tái)可加載LED 紅光燈罩，消除視覺對(duì)蜜蜂的影響，減少環(huán)境對(duì)訓(xùn)練結(jié)果的影響。在下一步工作中，將增加自動(dòng)刺激觸角裝置，在器件的選擇、電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，特別要注意非條件刺激控制部分的改進(jìn)，提高訓(xùn)練蜜蜂的精度和成功率。

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