八臂迷宫的工作原理及其在各类研究中的应用介绍
2026-09-01 来源:本站 点击次数:80八臂迷宫要求啮齿类动物同时记住8条通路，并且不能重复进入同一条通路。本文将带大家了解这套迷宫的工作原理，梳理当下借助它开展的前沿研究方向 —— 从神经炎症到髓鞘生物学；同时也会介绍，借助自动化行为追踪技术，迷宫的每一轮实验都可以转化为精准、客观的实验数据。
想象一下，假设你有8件待办事项，每件事要去往一条独立街道，且每条街道只能前往一次。你出发之后，每走到一条街道尽头，都必须依靠记忆，判断接下来该去往哪一条街。原路折返会浪费时间；一旦遗忘已经去过哪些地方，就可能买不到想要的商品。
从阿尔茨海默症到普通衰老，在大量神经系统疾病中，这种 “记住哪些地方去过、哪些尚未到访” 的决策能力，往往是最先受损的功能。过去近50年间，八臂迷宫正是把这类记忆损伤，转化成科研人员可以量化测量的指标。
什么是八臂迷宫？
八臂迷宫拥有一个小型圆形中心区，向外延伸出8条臂，如同车轮辐条；每条臂的末端可放置食物奖赏。该装置由奥尔顿（Olton）和塞缪尔森（Samuelson）于1976年设计，用于研究大鼠如何记忆不断变化的选择序列，也就是所说的“序列学习”。历经近半个世纪，这套迷宫至今仍被广泛使用，核心优势在于：不同于简单的旷场实验或高架十字迷宫，它会让动物在单次实验中完成一整套连续决策，仅一次测试就能获得大量决策相关数据，而非仅得到单个行为结果。
它也归属于空间记忆测试体系，同体系还有其他经典范式：比如莫里斯水迷宫，依靠外部环境线索引导动物寻找隐藏平台；以及Y迷宫，要求动物在三条臂之间交替穿梭。科勒（Kohler）及其团队对比了传统八臂迷宫与新一代无需食物剥夺的自动化版本后指出：该迷宫最大的价值，是可以在单次实验中区分两套记忆系统，且无需开展大量前期训练[1]。
八臂布局的基础构型甚至已经跳出记忆研究范畴。朗基洛（Ronquillo）团队借助动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)搭建了一套三维八臂迷宫，用来研究动物的焦虑样行为。实验中，小鼠需要持续在开阔暴露的通路和更安全的通路之间做出选择[2]。这提醒我们：迷宫真正的创新点，并不是臂末端的食物奖赏，而是实验过程中可被持续记录、追踪的一次次行为抉择。
工作记忆与参考记忆概念听上去十分相近，但八臂迷宫可以将二者有效区分。
- 参考记忆：是动物对实验任务形成的稳定认知，也就是清楚哪些臂会设置食物奖赏。
- 工作记忆：是单次实验过程中实时动态的记忆，即记住哪些设有奖赏的臂已经到访过。
研究人员可以灵活配置迷宫：全部臂都投放奖赏，就可以单独检测工作记忆；仅固定部分臂设置奖赏，则可同时检测参考记忆。借此科研人员能够精准定位实验想要探究的记忆损伤类型。
八臂迷宫的各类研究应用
阿尔茨海默症与神经保护研究
修复大脑自身的稳态代谢通路，能否改善受损的记忆功能？加尔（Gall）团队使用链脲佐菌素构建散发性阿尔茨海默病大鼠模型，该模型可以模拟部分疾病特征 —— 大脑胰岛素抵抗。实验持续40天，给部分模型大鼠施加褪黑素干预，利用EthoVision系统记录并分析八臂迷宫实验结果。
结果显示，褪黑素处理组大鼠的工作记忆、参考记忆错误次数均低于未干预模型组；同时大脑内小胶质细胞与星形胶质细胞激活水平下降——这是神经炎症的标志性损伤[3]。
另一组研究中，金（Kim）团队采用5xFAD转基因小鼠（过表达突变型淀粉样前体蛋白）开展八臂迷宫实验。系列研究分别测试微电流单独干预、微电流联合阿尔茨海默病药物多奈哌齐的效果。数据表明，小鼠迷宫行为表现得到改善，同时大脑淀粉样斑块负荷与神经炎症水平降低[4,5]。不过在该团队最新一项预实验中，微电流联合多奈哌齐方案，相比单独使用多奈哌齐，仅呈现出改善的趋势，并未达到统计学显著性差异[6]。这也提醒我们：并非所有联合干预方案都能达到预期。
饮食与神经炎症
动物的饮食结构、大脑炎症水平，是否会影响迷宫任务中的行为表现？开展褪黑素研究的同一课题组进一步探究：补充维生素D，能否修复维生素D缺乏大鼠的记忆能力。
数周内，维生素D缺乏大鼠完成了包括八臂迷宫在内的全套行为学检测，全部数据由 EthoVision采集分析。维生素D缺乏组大鼠，在莫里斯水迷宫与八臂迷宫中表现最差；补充胆钙化醇（维生素D3）的大鼠学习能力显著提升。但有趣的是，各组小鼠在新物体识别实验中没有表现出差异。这说明：某一种干预手段带来的记忆改善效果，不一定能在全部记忆范式中复现[7]。
还有一项同样使用EthoVision分析的研究，直接聚焦神经炎症机制。朴（Park）团队给小鼠注射脂多糖（一种细菌毒素，可稳定诱发大脑炎症与行为障碍），部分小鼠使用植物源抗氧化物质奎宁酸进行干预。接受奎宁酸处理的小鼠，八臂迷宫犯错次数更少，同时海马区胶质细胞激活标志物水平降低[8]。
饥饿感与探索行为
大脑的饥饿信号被抑制后，动物记忆食物位置的能力是否会随之改变？斯塔克（Stark）团队特异性抑制小鼠嗅球内的生长激素促分泌素受体（GHSR，饥饿激素饥饿素的作用受体）。
测试过程中，这类小鼠进入迷宫臂的次数变少，整体移动距离缩短，觅食动机下降。但对比正确奖赏臂与无效臂的选择正确率，实验组和对照组没有差异[9]。简言之：动物觅食的驱动力下降，但其底层的空间记忆能力并未受损。
衰老、基因与性别差异
同一套迷宫，能否检测出因基因、性别不同而产生的记忆衰退差异？博尔贝利（Borbely）团队比较了年轻和年老且缺乏TRPA1受体的小鼠。TRPA1 受体以感知温度与疼痛为人熟知，但也存在于大脑中。老年野生型小鼠在八臂迷宫中错误次数显著增多，找到奖赏前的探索时间也比青年小鼠更长。反观老年TRPA1缺乏小鼠，衰老带来的记忆衰退程度更轻。
值得注意的是，这批老年小鼠在Y迷宫、莫里斯水迷宫中，并未观测到显著记忆差异。这意味着：另外两套范式无法捕捉到的衰老相关记忆改变，被八臂迷宫成功检测出来[10]。森特什（Szentes）团队研究生长抑素受体亚型sst4缺乏小鼠，全部行为测试（含八臂迷宫）均基于EthoVision平台记录。缺乏该受体后，迷宫行为改变仅出现在雌性小鼠，雄性不受影响；同时衰老反而提升雌性小鼠的工作记忆得分，雄性小鼠则无变化[11]。
大型手术后的记忆恢复研究
生殖系统手术十分常见，这类手术是否会影响大脑功能？克贝勒（Koebele）团队对大鼠开展子宫切除手术（部分同步切除卵巢），持续观察长达一年，反复使用水版八臂迷宫开展测试。手术处理组大鼠的工作记忆错误多于假手术对照组，这种记忆缺陷，在术后6周、7个月甚至1年后依然存在[12]。
学习在大脑中留下印记：少突胶质细胞与八臂迷宫
学习全新事物，除了改变大脑内化学信号，是否还会实实在在重塑大脑神经环路？
清水（Shimizu）团队训练小鼠完成全自动门控八臂迷宫，整套实验从追踪到闸门控制全部由EthoVision完成。成功的迷宫训练，会促使任务核心脑区（前额叶皮层、海马）生成更多新生少突胶质细胞 —— 这类细胞负责为轴突包裹绝缘髓鞘。
当科研人员通过基因手段阻断小鼠生成新髓鞘，小鼠的八臂迷宫任务表现就会变差；训练过程中生成少突胶质细胞最多的小鼠，行为成绩也最优[13]。该研究充分展现了迷宫自动化的能力：EthoVision除了记录每一次入臂行为，还可以编程直接控制迷宫闸门。
上述所有研究，都面临行为实验的共性痛点：大量试验会产生海量需要统计的个体决策，人工打分不仅效率低下，还极易引入人为误差。正如少突胶质细胞相关研究所示，自动化不只是自动计分，更可以实现整套迷宫实验的运行管控。
依托深度学习识别算法，EthoVision可以追踪动物的鼻尖、身体中心、尾根位置。只有当动物真正完成入臂行为，系统才会记录入臂事件，识别重复入臂错误。软件能够自动输出入臂序列、潜伏期、错误数量等指标，科研人员无需再逐帧查看模糊的实验录像手动统计。
最新版本EthoVision 19新增诺达思校准卡，几秒内即可完成迷宫场景校准；AI追踪模型进一步优化，录像结束片刻就能输出实验数据。八臂迷宫实验的核心就是统计各类行为，而这套系统带来的数据一致性，让科研人员能够可靠识别细微的记忆损伤，或是证实不存在记忆损伤。
展望未来
自奥尔顿与塞缪尔森打造初代八臂迷宫至今已过去50年，这套装置依旧焕发全新科研价值：广泛应用于阿尔茨海默症动物模型、饮食与神经炎症、摄食调控环路、基因与性别差异、髓鞘生物学，以及生殖手术后长期认知改变等方向。
这些方向迥异的研究，并未围绕同一种疾病或分子机制，却共同依托八臂迷宫的设计内核：迫使动物做出连续不断的选择，将记忆转化为可以统计的行为序列。精准的自动化统计，让科研人员可以信任细微的实验效应，同样也可以客观解读无差异的实验结果。
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参考文献
- Kohler, J.; Mei, J.; Banneke, S.; Winter, Y.; Endres, M.; Emmrich, J.V. Assessing spatial learning and memory in mice: Classic radial maze versus a new animal-friendly automated radial maze. Front. Behav. Neurosci. 2022, 16, 1013624.
- Ronquillo, J.; Nguyen, M.T.; Rothi, L.Y.; Bui-Tu, T.-D.; Yang, J.; Halladay, L.R. Nature and nurture: Comparing mouse behavior in classic versus revised anxiety-like and social behavioral assays. Genes Brain Behav. 2023, 22, e12869.
- Gall, Z.; Boros, B.; Kelemen, K.; et al. Melatonin improves cognitive dysfunction and decreases gliosis in the streptozotocin-induced rat model of sporadic Alzheimer’s disease. Front. Pharmacol. 2024, 15, 1447757.
- Kim, E.H.; Lee, W.S.; Kwon, D.R. Microcurrent Therapy Mitigates Neuronal Damage and Cognitive Decline in an Alzheimer’s Disease Mouse Model. Int. J. Mol. Sci. 2024, 25, 6088.
- Kim, E.H.; Lee, W.S.; Lee, J.H.; Kwon, D.R. Microcurrent therapy as the nonpharmacological new protocol against Alzheimer’s disease. Front. Aging Neurosci. 2024, 16, 1344072.
- Kim, E.H.; Lee, Y.J.; Moon, Y.S.; Kwon, O.D.; Kwon, D.R. Evaluation of microcurrent as an adjunct to donepezil therapy in an Alzheimer’s disease mouse model: a pilot study. Front. Aging Neurosci. 2025, 17, 1689593.
- Gall, Z.; Csudor, A.; Savel, I.-G.; Kelemen, K.; Kolcsar, M. Cholecalciferol Supplementation Impacts Behavior and Hippocampal Neuroglial Reorganization in Vitamin D-Deficient Rats. Nutrients 2024, 16, 2326.
- Park, Y.; Paing, Y.M.M.; Cho, N.; et al. Quinic Acid Alleviates Behavior Impairment by Reducing Neuroinflammation and MAPK Activation in LPS-Treated Mice. Biomol. Ther. 2024, 32, 309-318.
- Stark, R.; Zigman, J.M.; Andrews, Z.B. GHSRs in the olfactory bulb suppress food motivation and promote exploration without altering spatial memory in male mice. J. Neuroendocrinol. 2025, 37, e70096.
- Borbely, E.; Payrits, M.; Hunyady, A.; Mezo, G.; Pinter, E. Important regulatory function of transient receptor potential ankyrin 1 receptors in age-related learning and memory alterations of mice. GeroScience 2019, 41, 643-654.
- Szentes, N.; Tekus, V.; Mohos, V.; Borbely, E.; Helyes, Z. Exploratory and locomotor activity, learning and memory functions in somatostatin receptor subtype 4 gene-deficient mice in relation to aging and sex. GeroScience 2019, 41, 631-641.
- Koebele, S.V.; Bernaud, V.E.; Northup-Smith, S.N.; et al. Gynecological surgery in adulthood imparts cognitive and brain changes in rats. Horm. Behav. 2023, 155, 105411.
- Shimizu, T.; Nayar, S.G.; Swire, M.; et al. Oligodendrocyte dynamics dictate cognitive performance outcomes of working memory training in mice. Nat. Commun. 2023, 14, 6499.
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