樸弋戈,劉楊,唐業忠,陳勤*
(1.中國科學院成都生物研究所,成都610041;2.中國科學院大學,北京100049)
1938年,美國心理學家斯金納總結并提出了“操作性條件反射”(Skinner,1938)。操作性條件反射是通過將自發行為受刺激強化影響而與刺激相聯系,在正性獎勵與負性懲罰的作用下,引導實驗個體完成特定行為,是動物行為、認知研究中的經典訓練方法,在模式動物中產生了豐富的研究成果(Huston &Borbely,1973;Wengeretal.,2004;Brembs,2011;Valenteetal.,2012)。爬行類、鳥類與哺乳類共享一些基本生理與行為特征,又因中樞神經的結構差異,具有認知能力的差別(Macphail,1982)。目前,多數認知研究僅在鳥類與哺乳類中開展,較少涉及爬行類。隨著認知科學的發展,對于爬行類的認知研究亦開始起步(Vonk &Shackelford,2012;Wilkinson &Huber,2012;Matsubaraetal.,2017)。然而,爬行類中學習行為研究取得的發展仍較有限,且多集中于紅腿陸龜Geochelonecarbonaria、納爾遜偽龜Pseudemysnelsoni等少數物種或類群(Wilkinson &Huber,2012)。因此,該領域亟待探究更多的物種,在更大的分類尺度上比較多種爬行動物的學習能力(Matsubaraetal.,2017)。
蛇類作為爬行綱Reptilia中種類數量最豐富、分布最廣泛的類群之一(Kerkkampetal.,2017),在生物學及諸多交叉領域都有重要的研究價值(Grachevaetal.,2010;Lillywhite,2014;Botheetal.,2019)。蛇類的學習行為研究亦取得了一定的進展(Holtzmanetal.,1999;Stoneetal.,2000;Place,2005;Burghardt,2013;Emeretal.,2015;Friesen,2017),但仍限于少數物種,且較少涉及蝮亞科Crotalinae蛇類。蝮亞科蛇類具有高度靈敏的頰窩器官,可接收環境中的紅外信息(Noble &Schmidt,1937;Bullock &Cowles,1952),與經視覺感官接收的光學信息一起形成獨特的“視覺”(Goris,2011)。獨特的信息輸入增強了蝮蛇對環境的感知能力(Kardong &Mackessy,1991;Embaretal.,2018);但額外輸入的信息是否影響蝮蛇的行為決策,與其他蛇類或有鱗類相比,學習等認知能力是否存在區別尚不明確。
參考有鱗目Squamata學習行為的既有研究,本研究使用Y迷宮作為實驗裝置,采用既有研究中曾使用的3種懲罰刺激,以短尾蝮Gloydiusbrevicaudus進行操作性條件反射訓練?;贛atsubara等(2017)的研究思路,使用現有的實驗設計探究其他類群(蝮亞科)的學習行為,為在更大的分類尺度上進行比較研究提供基礎數據。
短尾蝮是我國廣泛分布的一種蝮亞科蛇類(趙爾宓,2006),個體相對較小,在蝮蛇行為學研究中可操作性強。本實驗選取10條實驗室飼養的短尾蝮,包括3條雄性和7條雌性(表1)。受進食、蛻皮等情況影響,所有實驗均僅選取其中部分個體參與。

表1 樣本形態測量數據Table 1 Morphological measurement of the specimens
實驗動物均單獨飼養于飼養箱(長32 cm×寬22 cm×高19 cm)中。飼養箱內以報紙作為墊料,放置一水盆供蛇自由飲用,同時提供爬蟲躲避穴(長23 cm×寬16.5 cm×高7.5 cm)供蛇隱藏。飼養房內溫度設定為25 ℃。光周期設定為12 h∶12 h,光照時間為08∶00—20∶00。使用實驗小鼠以1周1次喂食,實驗進行期間不提供食物。實驗前遮蔽蛇的雙眼,使用1層醫用膠布后覆蓋1層黑色膠布,適應24 h以上。若蛇已進食,則至少2 d后再進行遮蔽。若蛇臨近蛻皮,則該個體不參與實驗,待其蛻皮完成后進行。
基礎Y迷宮使用厚度3 mm黑色亞克力材料制成。迷宮各部分均為長方體,主體尺寸為長30 cm×寬20 cm×高15 cm,兩臂尺寸均為長30 cm×寬11 cm×高15 cm,與主體部分相連,夾角約50°。以金屬網(長20 cm×寬15 cm,孔徑5 mm×5 mm)(Manjarrez &Vacaleón,2018)將主體部分分為適應區(20 cm×20 cm)和選擇區(20 cm×10 cm)(圖1)。使用規格為1 cm×1 cm的正方形白色電熱陶瓷片(XH-RP1010;江蘇星河電子科技,江蘇宿遷)組裝成2個圖形(圖2),作為兩側迷宮臂的指示物。圖形均使用20個陶瓷片串聯拼裝,保證圖形發熱面積一致。實驗過程中,2個圖形串聯通電30 V,擺放于迷宮臂盡頭,呈現紅外信息輔助蝮蛇進行定位、學習。指定“”圖形所在一側的迷宮臂為安全區(無懲罰刺激),“+”圖形所在一側的迷宮臂為懲罰區。實驗中迷宮擺放朝向、圖形位置與實驗動物的實驗順序均隨機。實驗間隔期間使用肥皂水擦拭整個迷宮并吹干,以減少殘留氣味因素的干擾。

圖1 Y迷宮裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Y-maze

圖2 指示圖形Fig.2 Indicating shapes
蛇類進食頻率低、耐饑餓能力強,以食物作為獎勵難以維持實驗定量、定期進行(Kellogg &Pomeroy,1936;Wilkinson &Huber,2012)。此外,蝮蛇作為典型的伏擊型捕食者,常長時間蜷縮一處(Clark,2016),游走性較差,故主要使用懲罰刺激驅使其離開迷宮起始區而進入迷宮兩臂。
1.3.1 水刺激盡管許多蛇類可入水游泳(趙爾宓,2006),但多數蛇類仍積極離開水體。先前研究中使用半水棲型平原束帶蛇Thamnophisradix與水棲型南部水蛇Nerodiafasciata的水迷宮實驗均取得了較好的實驗結果(Kellogg &Pomeroy,1936;Fuenzalida &Ulrich,1975)。
第一組實驗中,迷宮傾斜5°擺放,主體位于斜面下方,兩臂位于斜面上方。迷宮底部墊以砂紙,增大摩擦力以輔助蛇爬行。于適應區頂部開一小孔(直徑4 mm),以塑料軟管連接至水槽。實驗時,將短尾蝮引入適應區后關閉金屬網,待其適應10 min。適應結束后,打開金屬網,計時10 min,允許蛇自由爬行。若計時3 min蛇仍未離開適應區,則將水流自適應區頂部小孔注入,待水淹沒至迷宮兩臂分叉處后停止注水。該水位迫使蛇離開淹沒的適應區,向干燥的斜面上方(即迷宮兩臂)爬行。以蛇身體前段三分之一進入某一側迷宮臂判斷為其進入該側。若蛇進入懲罰區,則用金屬蛇鉤以3 s/次頻率輕壓其頭部(Morietal.,2016)迫使其離開。若蛇進入安全區,則計時停止,記錄其逃出時間,實驗結束。若實驗計時滿10 min蛇仍未進入安全區,則使用蛇鉤小心將蛇引入安全區,該時間記錄為10 min。
第二組實驗中,迷宮擺放于平面,內部注水,水深12 cm。同時撤去金屬網,使用尺寸略小于適應區的一金屬網籠(長20 cm×寬19 cm×高11 cm,孔徑5 mm×5 mm)懸掛于適應區水面上方。實驗時,將短尾蝮引入金屬網籠,待其適應5 min后,將金屬網籠沉入水中,打開網籠計時,允許蛇自由游動,尋找離開水體的出口。懲罰區出口封閉,無法逃出;安全區出口開放,可以逃出。待蛇經出口爬出時計時停止,記錄其逃出時間,實驗結束。若實驗計時滿5 min蛇仍未逃出,則使用木棒將蛇引入出口,該時間記錄為5 min。
每條蛇每天進行5次實驗,實驗間隔20 min(Fuenzalida &Ulrich,1975)。
1.3.2 高溫刺激已有研究顯示頰窩對蝮蛇的體溫調節具有意義,保留頰窩的蝮亞科蛇類均可準確進入低溫躲避處,遮蔽頰窩的蝮亞科蛇類或無頰窩的其他蝰科Viperidae蛇類則無法完成這一行為(Krochmal &Bakken,2003;Krochmaletal.,2004)。本實驗借鑒Krochmal和Bakken(2003)的實驗設計:以高溫作為懲罰刺激,Y迷宮主體部分加熱、維持溫度高于40 ℃(該溫度為蝮亞科蛇類的脅迫溫度),迫使蛇尋找出口逃離。
本實驗使用加熱墊置于基礎迷宮主體下方,持續通電提供高溫刺激(圖3),迷宮兩臂不作加熱處理。Y迷宮上方覆以一透明打孔亞克力板防止蛇逃逸。該板厚1 cm,尺寸60 cm×60 cm,打孔排列為28×28(行×列),孔內徑9 mm,相鄰兩孔邊緣間距為1 cm。實驗時,將蛇引入適應區,適應1 min后,打開金屬網并開始計時,任其自然爬行。以蛇身體前段三分之一進入迷宮兩臂之一判斷為進入該側。若蛇進入安全區,停止計時,實驗結束。若蛇進入懲罰區,則以木棒經上方亞克力板的小孔穿入,輕敲其頭部,直至迫使其離開該側。實驗以10 min內蛇進入安全區為止,記錄該時間。若超過10 min,蛇仍未進入安全區,則用木棒輕觸蛇,引導其進入,該時間記錄為10 min。實驗結束后,蛇停留于安全區10 min以降低體溫。

圖3 加熱Y迷宮裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the heating Y-maze
每條蛇每天進行4次實驗,實驗間隔1 h(Holtzmanetal.,1999;Stoneetal.,2000;Friesen,2017)。
1.3.3 輕敲刺激使用輕觸或輕敲的方法在一些蜥蜴的學習行為探究中是一種較為成熟的方法(Amiel &Shine,2012;Sunetal.,2014;Chungetal.,2017;Dayananda &Webb,2017;Kangetal.,2018)。因此,本實驗嘗試給予輕敲刺激迫使短尾蝮逃離適應區,Y迷宮中僅安全區可免于該懲罰刺激,以訓練實驗動物持續逃入安全區。每6次實驗為一組,設定學習標準為:在一組連續6次實驗中出現5次首次選擇正確(Chungetal.,2017;Kangetal.,2018),達到該標準的動物被認為基本學會持續逃入安全區域。
參考Lemaster和Mason(2001)將Y迷宮修改為無墻迷宮。撤除迷宮全部垂直面,僅保留原迷宮底面。迷宮放置于金屬支架上,抬高距離地面60 cm,以防止實驗過程中蛇爬下迷宮。同時,使用雙層黑色塑料袋和金屬框架制作一個矩形圍帳(長72 cm×寬70 cm×高70 cm),實驗時將抬高的迷宮置于其中以減少外界環境的干擾。使用熱熔膠固定32支塑料短管垂直于迷宮底面,為蛇提供爬行的支點。塑料管直徑1 cm、高2 cm,排成1列,塑料管間隔2.5 cm(圖4)。實驗時,將短尾蝮置于迷宮上,使用一金屬網籠(長15 cm×寬10 cm×高11 cm,孔徑5 mm×5 mm)將蛇罩住,待其適應5 min。適應結束后,提起金屬網籠,允許蛇自由爬行,計時10 min。蛇在爬動過程中不給予刺激;若蛇連續15 s未發生運動,則給予輕敲刺激。使用木棒以1 s/次的頻率輕敲蛇的尾基部(泄殖腔背側),直至其開始運動。以蛇身體前段三分之一進入迷宮臂某一側判斷為其進入該側。若蛇進入懲罰區,則以木棒輕敲其頭部迫使其離開。若蛇進入安全區,計時停止,記錄其逃出時間,實驗結束。若10 min后蛇仍未進入安全區,則使用蛇鉤將蛇輕輕引入安全區域,該時間記錄為10 min。

圖4 無墻Y迷宮裝置示意圖(A)與實物圖(B)Fig.4 Schematic diagram (A) and photo (B) of the wall-less Y-maze
每條蛇每天進行4次實驗,實驗間隔1 h。

水刺激與高溫刺激實驗以選擇正確率與隨機選擇(50%)存在顯著差異為標準,達到該標準的實驗動物判斷為基本習得訓練行為。
第一組實驗使用2號、3號與5號共3條個體,進行8 d共計115次有效訓練。其中,2號個體在第8天實驗開始前受外傷,僅有7 d實驗數據。3條個體在訓練過程中表現出差異化的行為,但均未達到學習標準;其選擇正確率與逃出時間見圖5。

圖5 第一組水刺激實驗選擇正確率(A)與逃出時間(B)Fig.5 Choice accuracy (A) and escape time (B) in the water stimulation experiment 1
2號個體正確率始終未達到隨機水平(50%),其逃出時間也最長。實際在7 d共35次實驗內,該個體在24次實驗中停留于適應區水體,未表現出明顯移動。3號個體選擇正確率在8 d 實驗內5次高于50%,但與隨機水平之間的差異無統計學意義(P>0.05),其逃出時間在8 d實驗內未見明顯變化(P>0.05)。5號個體選擇正確率在第4天、第5天與第6天逐步提高,但隨后降低,正確率與隨機水平之間的差異無統計學意義(P>0.05),其逃出時間在8 d實驗內無顯著變化(P>0.05)。
第二組實驗使用3號與4號共2條個體,進行9 d共88次有效訓練,但2條個體均未達到學習標準。個體選擇正確率與逃出時間見圖6。

圖6 第二組水刺激實驗選擇正確率(A)與逃出時間(B)Fig.6 Choice accuracy (A) and escape time (B) in the water stimulation experiment 2
3號個體選擇正確率在前6 d實驗中逐步提高,隨后降低至低于隨機水平,其正確率與隨機選擇差異無統計學意義(P>0.05);該個體逃出時間在前4 d實驗中逐漸縮短,但隨后恢復至較長時間,在8 d實驗內未見明顯變化(P>0.05)。4號個體選擇正確率總體仍低于50%,與隨機水平間的差異無統計學意義(P>0.05),其逃出時間在 8 d 實驗內未表現出顯著變化(P>0.05)。
實驗一共分為3期進行。第一期實驗使用3號、4號個體,進行5 d共計34次有效實驗,實驗個體未表現出習得訓練行為,其選擇正確率與逃出時間見圖7。

圖7 高溫刺激第一期實驗選擇正確率(A)與逃出時間(B)Fig.7 Choice accuracy (A) and escape time (B) in the high temperature experiment 1
3號個體選擇正確率在前3 d實驗中維持在較低水平,后稍有增長,但總體與隨機水平(50%)之間的差異無統計學意義(P>0.05),其逃出時間在5 d實驗內的差異無統計學意義(P>0.05)。4號個體選擇正確率始終低于50%,其逃出時間在實驗過程中未表現出顯著差異(P>0.05)。
第二期實驗使用1號、5號個體,進行9 d共計75次有效實驗,實驗個體未表現出習得訓練行為,其選擇正確率與逃出時間見圖8。

圖8 高溫刺激第二期實驗選擇正確率(A)與逃出時間(B)Fig.8 Choice accuracy (A) and escape time (B) in the high temperature experiment 2
1號與5號個體的選擇正確率于隨機水平(50%)上持續波動,差異無統計學意義(P>0.05)。3號與5號個體的逃出時間在9 d的實驗過程中未表現出顯著差異(P>0.05)。
綜合前2期實驗的結果,第三期實驗每次實驗時間延長至20 min。使用6號、7號與10號個體,進行5 d共計56次有效訓練,除6號個體外,其他實驗個體未達到學習標準,其選擇正確率與逃出時間見圖9。

圖9 高溫刺激第三期實驗選擇正確率(A)與逃出時間(B)Fig.9 Choice accuracy (A) and escape time (B) in the high temperature experiment 3
6號個體選擇正確圖形的次數顯著高于隨機水平(50%)(P=0.012),但成功率隨實驗天數增加呈下降趨勢,其逃出時間總體呈增加趨勢,但隨實驗天數增加未表現出顯著差異(P>0.05)。7號個體的選擇成功率略呈下降趨勢,與隨機水平之間的差異無統計學意義(P>0.05),逃出時間在5 d實驗內變化差異無統計學意義(P>0.05)。10號個體選擇正確率與隨機水平之間的差異無統計學意義(P>0.05),逃出時間在實驗過程中無顯著變化(P>0.05)。
無墻迷宮實驗使用6~10號共5條個體,進行5 d共計91次有效實驗,逃出時間見圖10。

圖10 無墻迷宮實驗逃出時間Fig.10 Escape time in the wall-less Y-maze experiments
在5 d實驗中,全部實驗個體均未達到學習標準;多數個體在每天4次實驗中正確、錯誤選擇各2次,即為隨機選擇(50%)。在連續實驗中,盡管9號個體逃出時間明顯縮短,7號、10號個體的逃出時間也表現出下降趨勢,但全部個體逃出時間在5 d實驗內均未表現出顯著差異(P>0.05)。
本實驗使用水、高溫和輕敲作為懲罰刺激,驅使短尾蝮離開適應區、進入迷宮安全區一側逃離懲罰刺激,以此訓練短尾蝮學習識別安全區信號的行為。3個不同刺激的實驗中,盡管部分個體在短期內曾表現出選擇正確率上升和逃出時間縮短的現象,但統計學上未表現出習得訓練行為。
習慣化是動物在重復刺激下對該刺激行為反應降低的現象,是一種基礎的學習形式(Harris,1943),在動物界極為常見,蛇類的行為學研究中亦有發現(Glaudas,2004;Place,2005;Place &Abramson,2008)。水刺激懲罰實驗說明,這一強度較低的刺激難以長時間維持,實驗動物很快表現出對水環境的適應性,不再積極逃離,無法持續進行條件反射訓練。水刺激懲罰實驗中,可見短尾蝮停留、浸泡于水體中的現象。在第一組115次實驗中,共計32次觀察到該現象,其中24次存在于2號個體,該個體明顯較適應水環境。3號和5號個體的不逃離行為共發生8次,其中3次均發生于第2天實驗,另外5次集中于最后3 d實驗。這種行為導致3號和5號個體的選擇正確率下降與逃出時間延長,表明蛇已逐步適應水刺激,不再傾向于移動、躲避。第二組實驗顯著增加了注水量,主要參考平原束帶蛇的實驗設計與步驟,但仍未能觀察到短尾蝮的學習跡象。第二組共計88次實驗,33次蛇停留于水體中的時間超過實驗時間,其中19次發生于最后4 d實驗中。這一現象同第一組實驗一致,表示蛇對水刺激已逐漸適應,不再積極逃離水體。
實驗過程中部分個體存在明顯的趨觸性行為,即蛇的身體緊靠垂直面、沿迷宮壁爬行;這一行為在多數蛇類中均可觀察到(Ford &O’Bleness,1986;Costanzo,1989;Greeneetal.,2001)。趨觸性行為顯著混淆了實驗結果:短尾蝮并非主動選擇進入某一側,其選擇取決于首先接觸的迷宮壁,隨后則沿壁爬行被動進入對應一側迷宮臂。因此,蛇類Y迷宮實驗中應注意考慮消除趨觸性的影響。高溫刺激懲罰實驗中,第三期實驗中的6號個體選擇正確的次數顯著高于隨機水平,然而該個體并非學會了持續進入安全區。在未經訓練的第1天實驗中,6號個體表現出100%的正確率,并在第2天實驗中維持了這一正確率。盡管圖形位置為隨機決定,實際在該個體前2 d(共8次)的實驗中,7次實驗內安全區位于右側。在預實驗的12次空白實驗中,6號個體并未表現出顯著的方向偏好性。隨著實驗進行,該個體的正確率逐步下降;同時,其逃出時間反而逐步上升。以上數據說明,6號個體的較高正確率可能僅為小概率事件。
實驗過程中,高溫刺激對短尾蝮的驅避作用并不明顯。第一期和第二期實驗共109次實驗中,存在23次蛇停留不動、直至實驗結束的情況。在第三期實驗中,實驗時間延長至20 min;但在共計56次實驗中,仍存在15次相同的情況。部分個體明顯更耐熱,3號、4號與7號個體可忍受加熱時間達25 min而無明顯行動。這一現象在以往研究中亦存在(Krochmal &Bakken,2003;Krochmaletal.,2004);為解決這一問題,Krochmal等(2004)將迷宮溫度進一步升高至45 ℃甚至50 ℃以迫使實驗動物逃離迷宮。本實驗也嘗試了這種方法。當短尾蝮置于迷宮中體溫升高至較高溫度時,可觀察到其呼吸頻率顯著增高(Seebacher &Franklin,2005)。隨后蛇產生“驚恐式”竄逃行為,表現為身體顫動、急速而無序地爬行。此時,若蛇進入懲罰區域,即使給予其高頻率(1 s/次)輕敲頭部的懲罰亦不能迫使其返回溫度較高的迷宮主體部分;該狀態下蛇對致死溫度的躲避行為已不具備條件反射訓練的可行性。
相較于水刺激與高溫刺激實驗,輕敲刺激實驗有效避免了趨觸性。逃出時間顯著縮短,絕大多數實驗在5 min內完成;表明輕敲刺激強度較高,短尾蝮對該刺激存在明顯逃避行為。在實驗過程中可觀察到蛇面對木棒敲擊時表現出較激烈的反應,其典型行為為蛇的頭部朝向木棒嘗試攻擊,同時身體蜷縮、倒退進入某一側迷宮臂。91次實驗中,記錄到6次因試圖躲避刺激時竄逃而摔下迷宮的現象,同時存在約10次撲咬木棒的行為。
綜合全部實驗,實驗現象體現出單一懲罰刺激的缺陷。在Y迷宮實驗中,需要有效刺激驅使蛇離開起始區域,并作為懲罰區域對應的懲罰。在一系列先前研究曾使用或本研究嘗試使用的懲罰刺激中,構成了由弱到強漸變的多種刺激。然而,對于強度較低的弱刺激,如強光(預實驗中嘗試使用)、水(水刺激懲罰實驗)、振動(Crawford &Holmes,1966)等,蛇表現出明顯的適應性(即習慣化),實驗進行數天后蛇對于該刺激的行為反應弱化甚至不再逃避。對于強度較高的刺激,如電擊(Wolfle &Brown,1940;Mills,1970)、輕敲刺激等,蛇行為反應過激,突然竄逃、掙扎、撲咬的現象持續存在,不利于條件反射的訓練。加熱刺激雖是較為合適的中強度刺激,但具有時間累計效應的特點,實驗中短尾蝮表現出了較強的耐熱能力,延長了加熱時間,失去了訓練的可行性。
短尾蝮在相似的實驗設計下的學習表現弱于先前研究中的平原束帶蛇、西部菱背響尾蛇Crotalusatrox、彩虹石龍子Lampropholisdelicata等動物(Fuenzalida &Ulrich,1975;Krochmal &Bakken,2003;Chungetal.,2017)。爬行動物類群中,蛇類與蜥蜴具有一定的學習能力,但認知能力弱于龜鱉類與鱷類(Northcutt,2013)。因此,可能原因之一為安全區位置的隨機變換增加了學習難度。實驗中刺激亦可能影響了動物的本能反應。短尾蝮雖是地棲型蝮蛇,但自然環境中存在降雨等水刺激,因此持續使用水刺激時,蛇可逐步對刺激形成習慣化。蝮蛇為變溫動物,體溫隨環境溫度波動。使用加熱刺激時,刺激初期蛇體溫較低,其本能行為可能更傾向于停留原處、升高體溫,由此延長了加熱時間,直至體溫過熱引起竄逃行為。在無墻迷宮實驗中,因刺激強度較高,持續刺激時蛇的本能可能由逃離轉為防御性攻擊行為。在攻擊行為中,短尾蝮頭部朝向木棒,已無法觀察身后迷宮臂是否為安全區域,不利于學習訓練。
綜上,由實驗現象可見短尾蝮表現出“低敏感度、高耐受性”的特點。懲罰實驗效果提示,在動物條件反射訓練中,實驗設計應符合動物在實驗即時環境中的自然行為(即時本能)(Place,2005)。建議在未來的行為學實驗中,多使用其自然行為作為動物認知能力的判斷依據。
致謝:感謝日本京都大學福田將矢博士與中國科學院成都生物研究所孫曉倩同學在實驗操作過程中給予的幫助,感謝中國科學院成都生物研究所兩棲爬行動物研究室各位老師在實驗設計、修改過程中提供的指導。