СПОСОБ ОЦЕНКИ КОГНИТИВНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ КРЫС В ПРОБЛЕМНОЙ КАМЕРЕ ГРИГОРЬЕВА Российский патент 2016 года по МПК A61B5/16 G09B23/28 

Изобретение относится к физиологии поведения, в частности к экспериментальному исследованию когнитивных функций мозга животных, и в прикладном аспекте - в фармакологии, при изучении поведения животных для тестирования когнотропных препаратов, повышающих умственные способности.

Проблемную среду для крыс и других мелких животных в физиологии и фармакологии поведения создают сами экспериментаторы. В естественной среде обитания ее создает сама природа или представители конкурирующих видов. Созданные людьми в экспериментальной психологии среды называют антропогенными. Сущность решаемой проблемы или задачи заключалась в том, чтобы как можно быстрее голодному животному удовлетворить пищевую потребность, избавиться или избежать воздействия аверсивного (неприятного, опасного) раздражителя. Для изучения этих форм пищедобывательного или оборонительного поведения созданы проблемные камеры и лабиринты различной сложности.

Проблемная камера Скиннера (Skinner box)

Первую, широко известную в научном мире, проблемную камеру, для лабораторных крыс с автоматической подачей пищевых таблеток предложил Б. Скиннер (Skinner box). Крысу помещают в камеру, она может сутками сидеть в ней, но при реализации исследовательского инстинкта случайно, не преднамеренно, она нажимает на какой-то выступающий из стенки камеры рычаг и получает пищевое подкрепление /3/. При повторном и последующих нажатиях этот пищевой рефлекс закреплялся, а поведение крысы называют оперантным. Оно представляет собой однообразное стереотипное нажатие лапкой на педаль для получения пищи. От классического условного рефлекса отличается только тем, что отсутствует начальное действие условного раздражителя.

Недостаток этого изобретения в том, что отсутствует какая-либо проблема у животного, которую необходимо понять, а соответственно и когнитивной задачи, которую надо решать. Есть только пищевая мотивация, которую оно удовлетворяет более частым нажатием на педаль в камере.

Проблемный ящик Торндайка (E.L. Thorndike)

Внутри закрытого подвесной дверкой ящика голодная кошка, рядом с ящиком ей видна пища через решетчатую стенку. Исследуя все внутри ящика, кошка находит свесившуюся с потолка веревочку, случайно потянув за которую, она тем самым открывает подвесную дверку ящика и выходит из него к пищевому подкреплению /3/.

Со временем этот процесс освобождения кошки из заточения ускоряется ввиду научения методом «проб и ошибок», «trial and error». Проявляется закон упражнения (Law of exercise) - повторение этих эффективных действий обеспечивает становление и закрепление стереотипа, что полностью исключает произвольные действия животного. «Закон эффекта» (Law of effect) заключается в том, что полезное действие, вызывающее удовольствие, закрепляется и усиливает связь между ситуацией и реакцией, а вредное, вызывающее неудовольствие, ослабляет связь и исчезает /3/.

Недостатки те же самые, все поведение непреднамеренное и случайное. Различие существует только в том, что не на рычаг надо нажимать, а за веревочку тянуть. Здесь и там только «…случай - бог изобретатель!» /3/.

Эдвард Толмен изучал когнитивные способности крыс в лабиринтах различной сложности, где основным элементом была повторяющаяся Т-образная структура каналов с одним входом и двумя выходами. В такой системе из трех составляющих, один из выходов ведет в тупик, а другой - в продолжение лабиринта и к выходу /4/. Усложнение устройства создавалось увеличением числа этих однообразных элементов. При таком создании проблемы для испытуемых крыс и ее решения вероятность случайного выбора была всегда равна только 50%.

Именно поэтому вопрос наличия рассудочной деятельности у животных, постулированный Э. Толменом, до сих пор остается нерешенной и дискуссионной проблемой. Поскольку задача для крыс в экспериментах Толмена была проста, статически однообразна, ставил ее перед животным сам экспериментатор и созданное им устройство. Все эти способы определяют только 2 компонента когнитивной деятельности мозга - память (mnesis), научение и умение (pracsis), нет главного составляющего когнитивного процесса - познания (gnosis) какой-либо закономерности действий, нет и понимания смыслового содержания задачи. Результатом было только ускорение выхода из лабиринта к пищевому подкреплению и располагало только к научению за счет примитивных форм нервной деятельности, без включения управляемых мозгом действий. Закреплялись машинальные стереотипные движения, повышалась ловкость выполнения действий наугад. Эксперименты продолжались в течение длительного времени, больше месяца. Недостатком является и тот факт, что задачу или проблему перед животным ставил сам создатель устройства. Тем не менее, именно Эдвард Толмэн ввел в экспериментальную психологию понятие «когнитивная карта мозга» или map cognitive /4/. Это понятие у нас в настоящее время переименовали в «дорожную карту», возможно, потому, что латинское слово cogito и английское cogitated имеет многозначный перевод с психологическим подтекстом - мыслить, понимать, познавать, усваивать, планировать.

В психофизиологии когнитивные способности и подобные феномены называли: моделью потребного будущего, акцептором результатов действия, гипотезой, моделью проблемной среды, экстраполяцией. Скорее всего, это план и программа всех действий, их последовательности и чередования во времени, которые приведут к правильному решению и достижению оптимального по всем параметрам результата.

В нашей проблемной камере (ПК) /2/ имеет место динамический поток вероятностных событий, изменений, которые ставят животному проблему, требуют от него каждый раз целенаправленных действий и постоянного принятия решений по выбору направления побежки. Существует закономерность этих изменений, которую необходимо понять и усвоить. Далеко не у всех, но мозг некоторых особей может отображать и понимать это, в зависимости от уровня своих когнитивных способностей. Именно тогда и только у них появляется правильный управляемый, произвольный выбор пути, ведущий к цели более коротким, но самым эффективным путем. Закономерность изменений в целостном поисковом цикле понятна экспериментатору и должна стать такой же понятной подопытной крысе: не ходи в одну и ту же дверь дважды, трижды она закрыта (заблокирована) и для каждой следующей побежки, находи только другой выход. О том, что этот принцип усвоен животным, свидетельствуют безошибочные побежки во всех поисковых циклах.

Во время поиска в камере постоянно востребованы все три компонента когнитивного поведения: гнозис (gnosis) - процесс познания, праксис (pracsis) - умение выполнять целенаправленные действия и память (mnesis).

Определение и расчет когнитивного показателя, по проценту правильных побежек по отношению к общему количеству всех побежек значительно занижает истинную оценку когнитивного уровня.

Предлагаемый способ исследования когнитивных способностей крыс предполагает наличие устройства /1, 2, 5/, краткое описание которого дается.

ПК представляет собой усеченную гексагональную пирамиду из оргстекла, в середине боковых стенок которой вырезаны 6 отверстий, прикрытых подвесными сенсорными дверками с регистрацией прикосновений изнутри камеры. Блокирование дверки сохраняет ее чувствительность к прикосновениям, но не пропускает животное во внешнюю среду, регистрируя при этом ошибочно принятые решения крыс вспышкой лампочки над выходом из ПК. Во время тестирования ПК закрывают крышкой с люком в центре. До тестирования вырабатывают оперантный рефлекс активного избегания (ОРАИ). Тестирование состоит из шести циклов, то есть 6 помещений крысы в камеру, пока без ошибок или с ошибками будут найдены все 6 выходов. Продвижение крысы от центра камеры к выходу из нее называют в физиологии поведения побежками. В американском и английском - excursion. Начинают тестирование с первой побежки при всех 6 открытых дверках, затем использованную для выхода дверку блокируют, что уменьшит количество выходов до 5, и следующую побежку к этой же, но уже закрытой дверке, считают ошибкой. Первая побежка в первом цикле всегда результативна, каким бы ни был выбор направления, все выходы ПК открыты, но она уменьшит число выходов на 1, а на последнем шестом поисковом цикле останется неблокированной только 1 дверка из 6.

Циклом называют помещение крысы в камеру и выход из нее через незаблокированную дверку, которую надо найти. Поэтому циклов может быть только 6, согласно с числом выходов из камеры, но побежек может быть значительно больше ввиду совершаемых ошибочных побежек /5/.

Задача изобретения - существенная коррекция способа расчета индивидуальных когнитивных способностей крыс, которая позволит с высокой степенью достоверности оценить их у крыс в ПК. Именно в тех условиях, когда вероятность случайного выбора правильного решения не остается постоянной и равной 50%, а закономерно увеличивается от начала и до конца тестирования.

Сущность изобретения заключается в том, что проводят шесть циклов тестирования, правильные безошибочные побежки всегда оценивают в 100%, независимо от номера поискового цикла, а ошибочные побежки во втором поисковом цикле оценивают 16,6%, в третьем 33, 3%, в четвертом цикле 50%, пятом 66,6%, в шестом последнем цикле 83,3%, такое закономерное увеличение обуславливает уменьшение числа неблокированных выходов из камеры, в случаях неоднократных ошибок их число умножают на процент соответствующего цикла, все суммируют и делят на общее число побежек, что характеризует индивидуальный уровень когнитивных способностей.

Стопроцентно безошибочные побежки во всех 6 циклах указывают на способность данного животного к построению вероятностного прогноза и высокую когнитивную способность. Индивидуальный уровень когнитивных способностей 50% и ниже свидетельствует о том, что поведение поиска выхода из камеры у этих животных носит только рефлекторный характер, который полностью исключает использование когнитивных ресурсов мозга. Выше 50% до не достигнутых 100% в разной мере выявляют прослойку животных, способных к обучению и накоплению опыта.

Сравнительный анализ расчета когнитивных способностей одной и той крысы, в одном и том же тестировании:

1. Прежний способ расчета по средней величине без учета номеров цикла тестирования и стоимости ошибки: Сумма побежек с правильным и неправильным выбором направления была равна - 17, что составляло 100%, из них правильных может быть только 6. Составляют пропорцию 17 - 100%, а 6 - х%. 600/17=35,29%. Эта величина была названа нами когнитивным показателем (КП). КП ниже 50%, как в данном случае считают низким, что свидетельствует о полном отсутствии когнитивных способностей, как это было в данном случае.

2. Тот же опыт, те же - 17 побежек, но теперь с расчетом КП по средней величине, но с учетом номеров поискового цикла, на которых были совершены ошибки. Те же 6 правильных побежек и 11 ошибочных = 17. Чаще всего ошибки тестируемые крысы совершают на 5 и 6 циклах. В данном случае именно так: на 5 цикле 5 ошибок, на 6 цикле -6. Цена 1 ошибки на 5 цикле = 66,6%, на 6 цикле - 83,3%. Вычисляем и находим среднюю величину КП. Первые 4 цикла безошибочны, каждый из них по 100%. В 5 и 6 циклах стоимость ошибок соответствует 66,6 и 83,3% соответственно, умножаем первую на 5, а вторую величину на 6, суммируем итоговые величины и делим полученную сумму на 17 - общее число побежек, и получаем КП, равный 72,5%.

(100+100+100+100+66,6*5+83,3*6)/17=72,5%.

Заключение: когнитивные способности этой крысы не только не отсутствуют, а близки к среднему уровню, так как значительно превышают 50% - вероятность случайного выбора, на 22,5%. Достоверность расчета восстановлена, что важно для статистической обработки и оценки результатов тестирования, особенно в психофармакологии при тестировании когнотропных препаратов.

Технический результат использования изобретения заключается в получении достоверных результатов оценки когнитивных способностей крыс. В общем плане изучения высшей нервной деятельности это имеет важное теоретическое, а в последующем и практическое значение.

Когнитивные способности являются основными в высшей нервной деятельности у животных и человека; это - память, планирование и прогнозирование, решение проблем, поэтому создание когнотропных лекарств является одной из самых актуальных задач в коррекции психической деятельности, как и процесс, их экспериментальной проверки - тестирования, в частности с использованием и применением данного способа.

Источники информации

1. Григорьев Н.Р. Метод исследования поисковой активности и отказа от поиска в эксперименте у крыс. Журн. высш. нерв. деят. 1996. 46(2): 400-405.

2. Григорьев Н.Р., Чербикова Г.Е., Юрьев Е.Ю. Проблемная камера для измерения индивидуального уровня когнитивных способностей крыс. Патент на изобретение RU №2432902, 2011.

3. Д. Мак-Фарленд. Поведение животных. Психобиология, этология и эволюция. Москва «Мир», 1988, 519 с.

4. Edward С. Tolman. Cognitive maps in rats and men. The Psychological Review. 1948, 55(4), 189-208 p.

5. N.R. Grigor′ev, T.A. Batalova, E.F. Kirichenko, A.A. Sergievich and G.E. Cherbikova. Typological Features in the Behavior of Rats. Neuroscience and Behavioral Physiology, 2008. Vol. 38, No. 6, 597-603 p.

6. Seligman M.E.P. Helplessness: On depression development and death. San Francisco. Freeman. - 1975. - 273 p.

Изобретение относится к физиологии и фармакологии поведения, в частности экспериментальному исследованию высших функций мозга, а именно когнитивных способностей животных, а также в психофармакологии для тестирования когнотропных препаратов, которые улучшают умственные способности. Оценку когнитивных способностей крыс осуществляют в проблемной камере Григорьева, состоящей из шести циклов тестирования - 6-ти помещений крысы в камеру, пока без ошибок или с ошибками будут найдены все 6 выходов. При этом правильные безошибочные побежки всегда оценивают в 100%, независимо от номера поискового цикла, а ошибочные побежки во втором поисковом цикле оценивают 16,6%, в третьем - 33,3%, в четвертом цикле - 50%, пятом - 66,6%, в шестом последнем цикле - 83,3%, принимая во внимание уменьшение числа неблокированных выходов из камеры. Когнитивные способности крысы рассчитывают, суммируя в % результаты правильных побежек и неправильных побежек. Причем при допущении неправильных побежек, соответствующий процент умножают на количество неправильных побежек, а затем сумму делят на количество всех побежек. При этом результат ниже 50% свидетельствует о рефлекторном характере поведения, выше 50%, но не достигая 100% - на тенденцию к обучению и приобретению опыта, 100% уровень указывает на высокий уровень когнитивных способностей тестируемой крысы. Способ позволяет с высокой степенью достоверности оценить когнитивные способности крыс в ПК Григорьева за счет того, что вероятность случайного выбора является переменной от начала и до конца тестирования.

Это тот самый рубеж, с которого стоимость ошибки начнет увеличиваться до 66,6% на пятом цикле и до 83,3% на шестом, где потребность в когнитивных способностях максимально увеличена.

Тестирование при полной блокаде всех дверок запрещено, поскольку нет выбора и нет возможности решения проблемы. Поэтому 7-го цикла, когда все дверки заблокированы, нет. У тестируемых животных в такой безвыходной ситуации возникает и развивается поведенческая депрессия и формируется состояние «learned helplessness (выученной беспомощности)» и наступает смерть (7).

По данным наших публикаций, высокий индивидуальный уровень когнитивных способностей имеют только 10-12% тестируемых крыс. Именно их и можно причислить к статусу «интеллектуально одаренных» животных, другим этого не дано. Возможно, ввиду малочисленности этой группы животных проблема наличия или отсутствия когнитивных способностей до настоящего времени является дискуссионной.

Когнитивные способности являются самыми главными в высшей нервной деятельности, это - память, внимание, планирование и прогнозирование, умение решать проблемы и осуществлять целенаправленную деятельность. Создание и тестирование когнотропных лекарств является одной из самых актуальных задач в психофармакологии и психиатрии. Использование этого способа может стать значимым и валидным тестом в экспериментальных исследованиях при поиске когнотропных лекарств.

Способ оценки когнитивных способностей крыс в проблемной камере Григорьева, состоящий из шести циклов тестирования, то есть 6-ти помещений крысы в камеру, пока без ошибок или с ошибками будут найдены все 6 выходов, при этом правильные безошибочные побежки всегда оценивают в 100%, независимо от номера поискового цикла, а ошибочные побежки во втором поисковом цикле оценивают 16,6%, в третьем - 33,3%, в четвертом цикле - 50%, пятом - 66,6%, в шестом последнем цикле - 83,3%, принимая во внимание уменьшение числа неблокированных выходов из камеры; когнитивные способности крысы рассчитывают, суммируя в % результаты правильных побежек и неправильных побежек, причем при допущении неправильных побежек, соответствующий процент умножают на количество неправильных побежек, а затем сумму делят на количество всех побежек, причем результат ниже 50% свидетельствует о рефлекторном характере поведения, выше 50%, но не достигая 100% - на тенденцию к обучению и приобретению опыта, 100% уровень указывает на высокий уровень когнитивных способностей тестируемой крысы.