AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)主要應(yīng)用于動(dòng)物的辨別性學(xué)習(xí)，工作記憶及參考記憶的測(cè)試。系統(tǒng)由三個(gè)相同的臂組成。每個(gè)臂盡頭有食物提供裝置，根據(jù)分析動(dòng)物取食的策略即進(jìn)入各的次數(shù)、時(shí)間、正確次數(shù)、錯(cuò)誤次數(shù)、路線等參數(shù)可以反映出實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的空間記憶能力。相對(duì)而言，簡(jiǎn)便、可行，相對(duì)八臂迷宮來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單，有實(shí)用性，現(xiàn)常用于學(xué)習(xí)記憶功能評(píng)價(jià)。

一、系統(tǒng)整體硬件組成

AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)由硬件迷宮裝置、高清采集模塊和AI智能分析軟件三部分構(gòu)成，核心硬件結(jié)構(gòu)圍繞簡(jiǎn)便性設(shè)計(jì)，整體占地小、安裝便捷，適配實(shí)驗(yàn)室常規(guī)行為學(xué)測(cè)試需求：

（一）Y型迷宮本體

迷宮本體為經(jīng)典的Y型三等分放射結(jié)構(gòu)，三個(gè)臂相同，夾角120°，適配小鼠、大鼠不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化尺寸：小鼠型迷宮單臂規(guī)格通常為30~40cm長(zhǎng)×5~8cm寬×10~15cm高，大鼠型迷宮單臂規(guī)格通常為60~80cm長(zhǎng)×10~15cm寬×15~20cm高，臂的兩側(cè)設(shè)置不透明塑料壁，既防止動(dòng)物爬出，也避免動(dòng)物受到外界環(huán)境干擾。迷宮整體放置在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，四周設(shè)置遮光擋板，減少光線、聲音刺激對(duì)動(dòng)物行為的影響。

（二）食物提供與閘門控制模塊

食物驅(qū)動(dòng)型Y迷宮會(huì)在指定臂的末端設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化食物槽，用于放置顆粒狀獎(jiǎng)勵(lì)食物；每個(gè)臂的入口處均配有可手動(dòng)或電動(dòng)控制的閘門，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇性封閉或開(kāi)放特定臂，控制動(dòng)物起始位置與探索范圍，滿足自發(fā)交替、食物獎(jiǎng)賞等不同實(shí)驗(yàn)范式的需求。閘門閉合緊密，不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)物強(qiáng)行擠過(guò)的情況，保障實(shí)驗(yàn)規(guī)則的穩(wěn)定性。

（三）高清圖像采集模塊

迷宮頂部正中心安裝高清紅外高速攝像頭，幀率不低于25fps，分辨率不低于1920×1080，支持紅外補(bǔ)光，可在弱光環(huán)境下清晰捕捉動(dòng)物輪廓與關(guān)鍵位置，不受實(shí)驗(yàn)室光線變化影響，為AI目標(biāo)識(shí)別與行為分析提供穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)。采集模塊支持實(shí)時(shí)輸出視頻流，也可將視頻存儲(chǔ)到本地供后續(xù)離線分析。

（四）AI智能分析軟件模塊

AI模塊是系統(tǒng)的核心，基于預(yù)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)與行為識(shí)別模型，支持一鍵式自動(dòng)化分析，核心功能包括：迷宮臂區(qū)域自動(dòng)標(biāo)定、動(dòng)物連續(xù)軌跡追蹤、進(jìn)臂事件自動(dòng)識(shí)別、行為指標(biāo)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、結(jié)果可視化導(dǎo)出，相較于傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)效率提升數(shù)十倍，同時(shí)除主觀記錄偏差，結(jié)果可重復(fù)性更高。

二、核心原理：基于食物驅(qū)動(dòng)的辨別性學(xué)習(xí)記憶評(píng)估

AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)的核心原理，延續(xù)了放射迷宮基于嚙齒類動(dòng)物本能覓食行為的設(shè)計(jì)邏輯，通過(guò)食物驅(qū)動(dòng)結(jié)合迷宮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型學(xué)習(xí)記憶能力的評(píng)估，相較于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的八臂迷宮，Y迷宮的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，更適合快速篩選和大樣本檢測(cè)：

在經(jīng)典的食物獎(jiǎng)賞型Y迷宮實(shí)驗(yàn)范式中，研究者會(huì)預(yù)先設(shè)置規(guī)則：僅在其中一個(gè)或兩個(gè)指定臂的末端放置獎(jiǎng)勵(lì)食物，其余臂不放置食物，動(dòng)物需要記住“哪個(gè)臂有食物、哪個(gè)臂沒(méi)有食物”，從而形成穩(wěn)定的空間辨別性學(xué)習(xí)。該范式可以區(qū)分兩種不同類型的記憶：

• 工作記憶：指動(dòng)物在單次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)短期獲得的位置信息的保持與利用能力，例如動(dòng)物在找到食物后，不需要重復(fù)進(jìn)入已經(jīng)取走食物的臂，重復(fù)進(jìn)入有食物但已經(jīng)取走食物的臂，即記為工作記憶錯(cuò)誤。工作記憶依賴前額葉皮層與海馬體的協(xié)同功能，對(duì)工作記憶的評(píng)估可以反映腦區(qū)的短期信息處理能力。
• 參考記憶：指動(dòng)物需要長(zhǎng)期保持的規(guī)則性記憶，例如記住“哪一個(gè)臂不會(huì)放置食物”，不放置食物的臂是實(shí)驗(yàn)全程都不會(huì)有獎(jiǎng)勵(lì)的固定區(qū)域，動(dòng)物進(jìn)入該區(qū)域即記為參考記憶錯(cuò)誤。參考記憶屬于長(zhǎng)時(shí)記憶，主要依賴海馬體的編碼存儲(chǔ)功能，參考記憶錯(cuò)誤次數(shù)可以穩(wěn)定反映動(dòng)物長(zhǎng)期空間記憶的保持能力。

除了經(jīng)典的食物獎(jiǎng)賞范式，Y迷宮還支持自發(fā)交替實(shí)驗(yàn)范式——該范式基于嚙齒類動(dòng)物對(duì)新異環(huán)境的自發(fā)探索本能，動(dòng)物會(huì)更傾向于探索未去過(guò)的新臂，不需要食物驅(qū)動(dòng)和預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練，通過(guò)連續(xù)交替進(jìn)入三個(gè)不同臂的正確率，即可快速評(píng)估空間工作記憶能力，這也是Y迷宮相較于其他范式顯著的簡(jiǎn)便性優(yōu)勢(shì)。

相比于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要同時(shí)控制八個(gè)臂的八臂迷宮，Y迷宮僅三個(gè)臂，實(shí)驗(yàn)規(guī)則簡(jiǎn)單，動(dòng)物學(xué)習(xí)速度更快，實(shí)驗(yàn)周期更短，對(duì)實(shí)驗(yàn)者操作要求更低，同時(shí)結(jié)果的穩(wěn)定性并不弱于八臂迷宮，尤其適合大樣本量的藥篩選、基因表型初篩，這也是其“簡(jiǎn)便實(shí)用”特點(diǎn)的核心體現(xiàn)。

AI精細(xì)行為分析系統(tǒng)的引入，進(jìn)一步放大了Y迷宮的優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)Y迷宮實(shí)驗(yàn)需要人工記錄動(dòng)物進(jìn)臂順序和次數(shù)，對(duì)于幾十只甚至上百只的大樣本而言工作量大，AI系統(tǒng)可以批量自動(dòng)分析所有視頻，數(shù)小時(shí)即可完成上百只動(dòng)物的數(shù)據(jù)分析，大大提升了研究效率，同時(shí)可以捕捉人工無(wú)法統(tǒng)計(jì)的猶豫時(shí)間、探索策略等精細(xì)行為特征，提升了結(jié)果的靈敏度。

三、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程

AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)有成熟的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)流程，以常用的食物獎(jiǎng)賞型辨別學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)為例，規(guī)范操作可獲得穩(wěn)定可重復(fù)的結(jié)果：

1. 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備與動(dòng)物適應(yīng)

實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行1~3天的適應(yīng)處理：對(duì)動(dòng)物進(jìn)行逐步限食，將體重控制在自由進(jìn)食體重的80%~85%，既保持動(dòng)物足夠的覓食動(dòng)力，又不會(huì)對(duì)健康造成影響；隨后每天將動(dòng)物放入Y迷宮中，讓動(dòng)物自由探索并熟悉食物獎(jiǎng)勵(lì)，每次適應(yīng)5~10分鐘，連續(xù)適應(yīng)2~3天，消除動(dòng)物對(duì)迷宮環(huán)境的新奇恐懼，穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的探索行為。如果采用自發(fā)交替范式則不需要限食和預(yù)適應(yīng)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天直接測(cè)試即可，進(jìn)一步體現(xiàn)了其簡(jiǎn)便性。

2. 正式實(shí)驗(yàn)

正式實(shí)驗(yàn)根據(jù)研究目的選擇對(duì)應(yīng)范式：食物獎(jiǎng)賞范式中，預(yù)先在指定臂的食物槽放置獎(jiǎng)勵(lì)食物，將動(dòng)物從起始臂放入迷宮中間區(qū)，打開(kāi)所有閘門，啟動(dòng)攝像頭錄制，讓動(dòng)物自由探索覓食，直到動(dòng)物獲取所有獎(jiǎng)勵(lì)食物，或者達(dá)到設(shè)定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間（通常為5~10分鐘），實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將動(dòng)物取出，清理迷宮中的排泄物與氣味，進(jìn)行下一只動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)通常連續(xù)進(jìn)行3~5天，每天一次，用于觀察動(dòng)物學(xué)習(xí)能力的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。自發(fā)交替范式僅需要單次5~10分鐘記錄即可完成評(píng)估，不需要連續(xù)多天訓(xùn)練，非常適合快速檢測(cè)。

3. AI自動(dòng)化分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將所有視頻批量導(dǎo)入AI分析系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)完成四個(gè)步驟的分析：識(shí)別三個(gè)臂和中間區(qū)的邊界，然后通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法穩(wěn)定追蹤動(dòng)物的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡，接著自動(dòng)識(shí)別動(dòng)物進(jìn)入每個(gè)臂的時(shí)間、順序與停留時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)規(guī)則自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各類錯(cuò)誤次數(shù)與行為指標(biāo)，整個(gè)分析過(guò)程不需要人工逐幀核對(duì)，僅需要對(duì)少數(shù)遮擋情況進(jìn)行微調(diào)即可，大大節(jié)省了人力。

4. 結(jié)果輸出

分析完成后一鍵導(dǎo)出所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成可視化運(yùn)動(dòng)軌跡圖、每天錯(cuò)誤次數(shù)變化的學(xué)習(xí)曲線，數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，也可以直接裁剪用于學(xué)術(shù)論文作圖。

四、主要應(yīng)用場(chǎng)景

憑借簡(jiǎn)便實(shí)用的特點(diǎn)，AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)多個(gè)研究領(lǐng)域，核心應(yīng)用場(chǎng)景包括：

（一）認(rèn)知功能與腦區(qū)功能的初步篩選

Y迷宮操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)周期短，非常適合對(duì)基因編輯動(dòng)物進(jìn)行認(rèn)知表型的初篩：對(duì)于構(gòu)建的腦區(qū)特異性基因敲除動(dòng)物模型，可以先通過(guò)Y迷宮快速評(píng)估空間工作記憶和參考記憶是否存在異常，初步明確該基因?qū)φJ(rèn)知功能的影響，再進(jìn)行更復(fù)雜的八臂迷宮、水迷宮驗(yàn)證，大大提升了篩選效率。大量研究已經(jīng)證實(shí)，海馬體或前額葉皮層損傷會(huì)導(dǎo)致Y迷宮中正確交替率顯著下降、錯(cuò)誤次數(shù)顯著增加，AI精細(xì)分析可以穩(wěn)定檢測(cè)到這種變化。

（二）神經(jīng)退行病模型的認(rèn)知表型鑒定

阿爾茨海默病、帕金森癡呆等神經(jīng)退行病的核心特征是進(jìn)行性空間認(rèn)知能力下降，Y迷宮是模型動(dòng)物認(rèn)知表型鑒定的常用工具。相比于八臂迷宮，Y迷宮的操作更簡(jiǎn)單，對(duì)動(dòng)物的應(yīng)激更小，可以快速區(qū)分模型動(dòng)物與野生型動(dòng)物的認(rèn)知差異，尤其適合大樣本量的模型鑒定。AI精細(xì)分析系統(tǒng)還可以檢測(cè)出病癥早期認(rèn)知損傷帶來(lái)的精細(xì)行為變化，比如進(jìn)臂猶豫時(shí)間延長(zhǎng)、探索策略紊亂，比傳統(tǒng)正確率指標(biāo)更早發(fā)現(xiàn)認(rèn)知損傷，為早期干預(yù)研究提供支撐。

（三）認(rèn)知功能創(chuàng)新藥的大規(guī)模篩選

在創(chuàng)新藥研發(fā)的早期階段，通常需要對(duì)大量化合物進(jìn)行藥效初篩，Y迷宮簡(jiǎn)便快速的特點(diǎn)非常適合這種大規(guī)模篩選場(chǎng)景。AI系統(tǒng)可以批量自動(dòng)分析上百只動(dòng)物的行為數(shù)據(jù)，快速獲得各劑量組的錯(cuò)誤次數(shù)、正確率等指標(biāo)，篩選出有認(rèn)知作用的化合物，再進(jìn)行后續(xù)深入的機(jī)制研究，大大縮短了早期研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，這也是Y迷宮相較于八臂迷宮突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（四）環(huán)境神經(jīng)毒物暴露對(duì)認(rèn)知發(fā)育影響的研究

發(fā)育過(guò)程中環(huán)境毒物暴露會(huì)導(dǎo)致子代認(rèn)知功能損傷，這類研究通常需要較大的樣本量來(lái)明確劑量效應(yīng)關(guān)系，Y迷宮的簡(jiǎn)便性恰好滿足這一需求。研究者可以利用AI Y迷宮系統(tǒng)，快速檢測(cè)不同暴露劑量對(duì)子代小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的影響，明確工作記憶和參考記憶的損傷模式，為發(fā)育神經(jīng)毒理學(xué)研究提供穩(wěn)定的檢測(cè)手段。

五、核心評(píng)估指標(biāo)

AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)可以輸出多維度量化指標(biāo)，涵蓋經(jīng)典核心指標(biāo)和AI特有的精細(xì)行為指標(biāo)，滿足不同研究需求：

（一）經(jīng)典核心評(píng)估指標(biāo)

1. 總進(jìn)臂次數(shù)：指實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)物進(jìn)入各個(gè)臂的總次數(shù)，反映動(dòng)物的整體探索活性和運(yùn)動(dòng)能力，用于排除結(jié)果差異是由動(dòng)物運(yùn)動(dòng)能力改變或食欲變化導(dǎo)致的假陽(yáng)性——只有在總進(jìn)臂次數(shù)無(wú)顯著差異的前提下，認(rèn)知指標(biāo)的差異才能確認(rèn)為學(xué)習(xí)記憶能力的真實(shí)變化；
2. 正確進(jìn)臂次數(shù)與正確率：在自發(fā)交替范式中，連續(xù)進(jìn)入三個(gè)不同臂記為一次正確交替，正確交替次數(shù)占總交替次數(shù)的比例即為正確率，正確率越低，說(shuō)明空間工作記憶能力越差；在食物獎(jiǎng)賞范式中，進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的有食物臂記為正確進(jìn)臂，正確次數(shù)越多，說(shuō)明空間辨別學(xué)習(xí)能力越強(qiáng)；
3. 錯(cuò)誤次數(shù)：根據(jù)記憶類型分為兩類，工作記憶錯(cuò)誤次數(shù)指重復(fù)進(jìn)入已經(jīng)取走食物的臂的次數(shù)，反映工作記憶能力，錯(cuò)誤次數(shù)越多能力越差；參考記憶錯(cuò)誤次數(shù)指進(jìn)入始終不放置食物的臂的次數(shù)，反映參考記憶能力，錯(cuò)誤次數(shù)越多能力越差；
4. 各臂停留時(shí)間：指動(dòng)物進(jìn)入不同臂的總停留時(shí)間，認(rèn)知正常的動(dòng)物會(huì)更多停留在有食物的臂，停留時(shí)間分布可以反映動(dòng)物對(duì)空間位置的記憶偏好；
5. 完成任務(wù)潛伏期：指動(dòng)物從放入迷宮到獲取所有食物所用的時(shí)間，潛伏期越短，說(shuō)明空間學(xué)習(xí)記憶能力越強(qiáng)；
6. 運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)：總運(yùn)動(dòng)路程、平均運(yùn)動(dòng)速度，這些參數(shù)也用于輔助排除運(yùn)動(dòng)能力差異對(duì)結(jié)果的干擾。

（二）AI特有的精細(xì)行為評(píng)估指標(biāo)

1. 臂入口猶豫時(shí)間：指動(dòng)物到達(dá)臂入口后，決定進(jìn)入之前停留徘徊的時(shí)間，認(rèn)知能力越差的動(dòng)物記憶提取效率越低，猶豫時(shí)間越長(zhǎng)，這是認(rèn)知損傷早期敏感的標(biāo)志物，無(wú)法通過(guò)人工統(tǒng)計(jì)獲得；
2. 重復(fù)進(jìn)退次數(shù)：指動(dòng)物進(jìn)入某臂后短時(shí)間內(nèi)退出又再次進(jìn)入的次數(shù)，反映記憶保持的穩(wěn)定性，認(rèn)知損傷動(dòng)物會(huì)表現(xiàn)出更多的重復(fù)進(jìn)退行為；
3. 中間區(qū)停留時(shí)間占比：認(rèn)知損傷動(dòng)物由于無(wú)法確定空間位置，會(huì)更多停留在中間區(qū)域不敢探索，更高的中間區(qū)停留占比提示更嚴(yán)重的認(rèn)知損傷；
4. 探索軌跡復(fù)雜度：基于運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算軌跡熵等參數(shù)，認(rèn)知正常的動(dòng)物會(huì)形成更清晰的策略性探索軌跡，熵值更低，而認(rèn)知損傷動(dòng)物的探索更隨機(jī)無(wú)序，熵值更高，該指標(biāo)可以反映動(dòng)物探索策略的合理性。

Y迷宮作為一種簡(jiǎn)化的放射式空間迷宮范式，誕生以來(lái)就以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，AI精細(xì)行為分析技術(shù)的引入，進(jìn)一步將其從人工粗略統(tǒng)計(jì)升級(jí)為自動(dòng)化精細(xì)分析，在保留其簡(jiǎn)便實(shí)用優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，大幅提升了結(jié)果的精度和靈敏度，契合了大樣本篩選、快速檢測(cè)的研究需求，成為認(rèn)知功能評(píng)估領(lǐng)域不可或缺的工具。相比于八臂迷宮，Y迷宮雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可以穩(wěn)定評(píng)估辨別性學(xué)習(xí)、空間工作記憶和參考記憶，能夠滿足大多數(shù)研究的需求，尤其適合藥研發(fā)早期篩選、基因表型初篩等場(chǎng)景，未來(lái)隨著AI行為識(shí)別算法的進(jìn)一步迭代，AI大小鼠Y迷宮精細(xì)行為分析系統(tǒng)還將挖掘出更多與認(rèn)知過(guò)程相關(guān)的精細(xì)行為特征，為神經(jīng)科學(xué)研究提供更加強(qiáng)有力的支撐。