動(dòng)物行為是動(dòng)物表達(dá)心理和生理的肢體語言，也是動(dòng)物自身綜合機(jī)能的體現(xiàn)；曠場(chǎng)中大小鼠不同行為的分析廣泛應(yīng)用于衡量生物學(xué),神經(jīng)科學(xué),藥理學(xué)和遺傳學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)效果。曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是評(píng)估嚙齒類動(dòng)物自發(fā)活動(dòng)、焦慮狀態(tài)及探索行為的經(jīng)典行為學(xué)方法，基于其對(duì)新環(huán)境的“趨避性沖突”（既畏懼空曠又渴望探索）設(shè)計(jì)。

一、系統(tǒng)整體硬件組成

AI曠場(chǎng)行為分析系統(tǒng)由核心實(shí)驗(yàn)箱體、環(huán)境控制模塊、圖像采集模塊和智能分析軟件四個(gè)部分構(gòu)成，整體設(shè)計(jì)追求標(biāo)準(zhǔn)化與可重復(fù)性，適配不同實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)需求：

（一）曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)核心箱體

核心箱體通常為正方形封閉空間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為小鼠或大鼠設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)化尺寸：小鼠常用規(guī)格為40cm×40cm×40cm，大鼠常用規(guī)格為100cm×100cm×50cm，箱體四壁和底部多采用啞光不反光的亞克力材質(zhì)，可選擇黑色、白色或灰色純色，避免反光干擾攝像頭識(shí)別，同時(shí)便于清理排泄物與殘留氣味。部分定制化箱體也會(huì)設(shè)計(jì)為圓形，但正方形是目前學(xué)術(shù)研究中通用的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。箱體結(jié)構(gòu)牢固，無多余凸起，避免動(dòng)物攀爬或卡滯，保障運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤的準(zhǔn)確性。

（二）環(huán)境控制模塊

為了減少外界干擾對(duì)動(dòng)物行為的影響，曠場(chǎng)箱體通常會(huì)集成基礎(chǔ)環(huán)境控制功能：箱體四周設(shè)置遮光板，頂部配備均勻的LED光源，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整亮度并保持全程穩(wěn)定，避免光線不均或環(huán)境光線變化影響動(dòng)物焦慮水平與識(shí)別精度；部分系統(tǒng)會(huì)搭配隔音裝置，減少外界噪音刺激對(duì)動(dòng)物情緒的干擾；實(shí)驗(yàn)區(qū)域通常會(huì)配備排氣風(fēng)扇，維持空氣流通，避免不同動(dòng)物之間的氣味交叉影響，保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

（三）高清圖像采集模塊

箱體正上方安裝高清紅外攝像頭，幀率不低于25fps，分辨率不低于1920×1080，支持紅外補(bǔ)光，即使在弱光環(huán)境下也可以清晰捕捉動(dòng)物輪廓，不受實(shí)驗(yàn)室光線波動(dòng)影響，為目標(biāo)識(shí)別和軌跡追蹤提供穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)。采集模塊支持實(shí)時(shí)傳輸與本地存儲(chǔ)，既可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，也可以實(shí)驗(yàn)結(jié)束后離線批量分析，適配不同實(shí)驗(yàn)室的工作流程。

（四）AI智能分析軟件模塊

AI分析模塊是現(xiàn)代曠場(chǎng)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)模型，可自動(dòng)完成動(dòng)物識(shí)別、軌跡追蹤、行為識(shí)別和指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，不需要人工逐幀校正即可獲得穩(wěn)定結(jié)果，相較于傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)效率提升數(shù)十倍，結(jié)果可重復(fù)性大幅提升。軟件支持自定義區(qū)域劃分，可靈活根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整分析參數(shù)，適配不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

二、核心實(shí)驗(yàn)原理：基于趨避沖突的行為定量分離

曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的核心原理，正是利用嚙齒類動(dòng)物面對(duì)空曠開放環(huán)境時(shí)的本能趨避性沖突：嚙齒類動(dòng)物作為被捕食者，天生會(huì)回避空曠無遮蔽的區(qū)域——空曠區(qū)域暴露風(fēng)險(xiǎn)高，更容易被天敵發(fā)現(xiàn)，因此動(dòng)物會(huì)本能傾向于停留在四周靠近墻壁的區(qū)域（周邊區(qū)），減少在中心開闊區(qū)域（中間區(qū)）的停留；但同時(shí)，嚙齒類動(dòng)物又對(duì)陌生新環(huán)境存在探索欲望，會(huì)自發(fā)進(jìn)入未知區(qū)域探索。

這種天生的行為沖突，讓研究者可以通過動(dòng)物在不同區(qū)域的行為分布，穩(wěn)定定量其焦慮水平：動(dòng)物焦慮程度越高，趨避沖突中“回避暴露”的傾向越強(qiáng)，就會(huì)越少進(jìn)入中間區(qū)，在中間區(qū)的停留時(shí)間和進(jìn)入次數(shù)也越少；反之，焦慮程度越低，探索欲望占上風(fēng)，動(dòng)物在中間區(qū)的活動(dòng)就越多。

除了焦慮水平，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)還可以同時(shí)分離出另外兩個(gè)核心行為學(xué)維度：

• 自發(fā)活動(dòng)水平與運(yùn)動(dòng)能力：通過統(tǒng)計(jì)動(dòng)物在整個(gè)曠場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的總運(yùn)動(dòng)路程、平均運(yùn)動(dòng)速度、總活動(dòng)時(shí)間，可以直接反映動(dòng)物的整體運(yùn)動(dòng)能力和自發(fā)活動(dòng)水平，排除運(yùn)動(dòng)能力差異對(duì)焦慮、探索指標(biāo)的干擾——比如“中間區(qū)活動(dòng)減少”既可能是焦慮升高導(dǎo)致，也可能是動(dòng)物整體運(yùn)動(dòng)能力下降導(dǎo)致，總路程指標(biāo)可以很好的區(qū)分這兩種情況。
• 空間探索能力：動(dòng)物對(duì)新環(huán)境的探索特性，也可以通過直立次數(shù)、理毛次數(shù)、跨格次數(shù)等指標(biāo)定量，反映動(dòng)物對(duì)新環(huán)境的探索興趣和認(rèn)知適應(yīng)能力。

相比于其他專門的焦慮檢測(cè)范式（比如高架十字迷宮、明/暗箱），曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、僅需要單次測(cè)試即可同時(shí)獲得自發(fā)活動(dòng)、焦慮、探索多個(gè)維度的結(jié)果，不需要復(fù)雜的訓(xùn)練或預(yù)適應(yīng)，這也是它成為所有行為學(xué)研究“標(biāo)配”基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的核心原因。

三、標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)流程

曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，遵循標(biāo)準(zhǔn)化流程即可獲得穩(wěn)定可重復(fù)的結(jié)果，通用實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1. 實(shí)驗(yàn)前環(huán)境適應(yīng)

實(shí)驗(yàn)前1小時(shí)，將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物放入測(cè)試房間適應(yīng)環(huán)境，讓動(dòng)物適應(yīng)房間的光線、噪音等環(huán)境條件，避免運(yùn)輸、抓握帶來的應(yīng)激影響動(dòng)物在曠場(chǎng)內(nèi)的行為。適應(yīng)過程中不改變動(dòng)物的飼養(yǎng)條件，避免額外刺激。

2. 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與區(qū)域標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)開始前，打開攝像頭和分析軟件，根據(jù)箱體尺寸對(duì)曠場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分：通常將整個(gè)曠場(chǎng)區(qū)域劃分為“中間區(qū)”和“周邊區(qū)”，通用劃分規(guī)則為中間區(qū)為距離四周墻壁10-15cm以上的中心方形區(qū)域，剩余區(qū)域?yàn)橹苓厖^(qū)，研究者也可以根據(jù)研究需求自定義中間區(qū)大小。設(shè)置好實(shí)驗(yàn)錄制時(shí)長(zhǎng)，通常單次曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間為5-10分鐘，滿足絕大多數(shù)研究的行為統(tǒng)計(jì)需求。

3. 正式實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物輕輕從飼養(yǎng)籠取出，放置在曠場(chǎng)的中間區(qū)，隨即關(guān)閉箱門，啟動(dòng)攝像頭錄制和實(shí)時(shí)分析，讓動(dòng)物在曠場(chǎng)內(nèi)自由探索活動(dòng)。計(jì)時(shí)結(jié)束后，將動(dòng)物輕輕取出，放回原飼養(yǎng)籠，隨后清理曠場(chǎng)箱體內(nèi)的動(dòng)物糞便和尿液，用75%酒精或無味液擦拭箱體底部，除上一只動(dòng)物殘留氣味對(duì)下一只動(dòng)物行為的影響，待酒精揮發(fā)后，進(jìn)行下一只動(dòng)物的測(cè)試。

4. 結(jié)果輸出與整理

所有動(dòng)物測(cè)試完成后，AI系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)所有指標(biāo)，一鍵導(dǎo)出結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與可視化運(yùn)動(dòng)軌跡圖，數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，軌跡圖也可以直接用于學(xué)術(shù)論文作圖。

四、主要應(yīng)用場(chǎng)景

作為基礎(chǔ)通用的行為學(xué)范式，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)和遺傳學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，核心應(yīng)用場(chǎng)景包括：

（一）基因編輯動(dòng)物模型的基礎(chǔ)表型篩選

在構(gòu)建基因編輯動(dòng)物模型后，研究者通常就會(huì)進(jìn)行曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，明確該基因敲除/敲入是否會(huì)影響動(dòng)物的基礎(chǔ)自發(fā)活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)能力，隨后初步評(píng)估情緒相關(guān)表型——如果基因編輯導(dǎo)致動(dòng)物焦慮水平發(fā)生改變，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可以快速初篩得到結(jié)果，再用高架十字迷宮等專門范式進(jìn)一步驗(yàn)證。曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、成本低，非常適合大規(guī)模基因表型篩選，是很多模式生物研究的測(cè)程序。

（二）神經(jīng)精神類病模型的情緒與運(yùn)動(dòng)表型鑒定

焦慮抑郁、阿爾茨海默病、帕金森、亨廷頓舞蹈癥等神經(jīng)精神類病，通常會(huì)伴隨運(yùn)動(dòng)能力改變、情緒異常和探索行為下降，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是模型鑒定的基礎(chǔ)必做項(xiàng)目：帕金森模型會(huì)出現(xiàn)顯著的運(yùn)動(dòng)路程減少、運(yùn)動(dòng)速度下降，焦慮相關(guān)病模型會(huì)出現(xiàn)中間區(qū)停留時(shí)間顯著減少，阿爾茨海默病模型會(huì)出現(xiàn)探索行為減少，這些表型都可以通過曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)快速穩(wěn)定檢測(cè)，為模型構(gòu)建成功提供基礎(chǔ)證據(jù)。

（三）精神神經(jīng)類創(chuàng)新藥品的藥效篩選

在精神神經(jīng)類創(chuàng)新藥品研發(fā)過程中，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是常用的早期篩選工具：一方面可以評(píng)估藥品對(duì)動(dòng)物基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)能力的影響，檢測(cè)藥品是否存在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)毒性；另一方面可以初步篩選藥品的抗焦慮、興奮藥效，比如抗焦慮藥會(huì)顯著增加模型動(dòng)物在曠場(chǎng)中間區(qū)的活動(dòng)時(shí)間，藥品會(huì)顯著降低總運(yùn)動(dòng)路程，非常適合大規(guī)模化合物初篩，幫助研究者快速排除無效或有毒性的化合物，提升研發(fā)效率。

（四）神經(jīng)毒物暴露與發(fā)育毒理學(xué)研究

發(fā)育過程中接觸環(huán)境神經(jīng)毒物，通常會(huì)導(dǎo)致子代動(dòng)物神經(jīng)發(fā)育異常，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)能力改變、情緒異常和探索行為下降，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的多維度檢測(cè)能力恰好適配這類研究需求。研究者可以通過曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，快速檢測(cè)不同毒物暴露劑量對(duì)子代嚙齒類動(dòng)物行為的影響，明確劑量-效應(yīng)關(guān)系，為發(fā)育神經(jīng)毒性評(píng)估提供基礎(chǔ)行為學(xué)證據(jù)，同時(shí)大樣本檢測(cè)的成本很低，適合流行病學(xué)相關(guān)的大樣本量研究。

（五）自發(fā)活動(dòng)與晝夜節(jié)律研究

曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也可以用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄動(dòng)物的自發(fā)活動(dòng)，結(jié)合自動(dòng)動(dòng)物投放裝置，可連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)天內(nèi)動(dòng)物的活動(dòng)水平變化，用于研究晝夜節(jié)律、睡眠覺醒周期對(duì)動(dòng)物行為的影響，相較于專門的跑輪活動(dòng)監(jiān)測(cè)，曠場(chǎng)可以同時(shí)獲得活動(dòng)水平之外的焦慮、探索等多個(gè)維度信息，提供更豐富的行為學(xué)數(shù)據(jù)。

五、多維度核心評(píng)估指標(biāo)

現(xiàn)代AI曠場(chǎng)行為分析系統(tǒng)可輸出多維度量化指標(biāo)，覆蓋基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)、焦慮水平、探索行為多個(gè)維度，滿足不同研究需求：

（一）基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)能力核心指標(biāo)

1. 總運(yùn)動(dòng)路程：指實(shí)驗(yàn)全程動(dòng)物的總移動(dòng)距離，是反映動(dòng)物自發(fā)活動(dòng)水平和整體運(yùn)動(dòng)能力核心的指標(biāo)，總路程減少提示運(yùn)動(dòng)能力下降狀態(tài)，總路程增加提示活動(dòng)過度或興奮狀態(tài)；
2. 平均運(yùn)動(dòng)速度：與總路程類似，直接反映動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)速度，是運(yùn)動(dòng)能力的直接量化指標(biāo)；
3. 靜止時(shí)間占比：動(dòng)物不移動(dòng)的時(shí)間占總實(shí)驗(yàn)時(shí)間的比例，靜止時(shí)間越長(zhǎng)，提示自發(fā)活動(dòng)水平越低或運(yùn)動(dòng)能力損傷越嚴(yán)重；
4. 活動(dòng)區(qū)域數(shù)/跨格次數(shù)：將曠場(chǎng)人為劃分為若干大小相同的方格，動(dòng)物四肢全部進(jìn)入新方格記為一次跨格，跨格次數(shù)反映整體活動(dòng)水平，是傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)時(shí)代的經(jīng)典指標(biāo)，現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用于各類研究。

（二）焦慮水平核心評(píng)估指標(biāo)

1. 中間區(qū)進(jìn)入次數(shù)：實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)物進(jìn)入中間區(qū)的總次數(shù)，進(jìn)入次數(shù)越多，提示焦慮水平越低；
2. 中間區(qū)停留時(shí)間占比：動(dòng)物在中間區(qū)停留總時(shí)間占實(shí)驗(yàn)總時(shí)間的比例，是目前評(píng)估焦慮水平核心的指標(biāo)，停留時(shí)間占比越高，說明趨避沖突中探索傾向越強(qiáng)，焦慮水平越低；反之則提示焦慮水平越高；
3. 中間區(qū)運(yùn)動(dòng)路程占比：動(dòng)物在中間區(qū)的運(yùn)動(dòng)路程占總運(yùn)動(dòng)路程的比例，和停留時(shí)間占比類似，同樣反映焦慮水平，占比越高焦慮越低；
4. 進(jìn)入中間區(qū)潛伏期：實(shí)驗(yàn)開始后動(dòng)物進(jìn)入中間區(qū)的時(shí)間，潛伏期越長(zhǎng)，提示對(duì)中間區(qū)的回避越強(qiáng)，焦慮水平越高。

（三）探索與非運(yùn)動(dòng)行為核心指標(biāo)

1. 直立次數(shù)（站立次數(shù)）：動(dòng)物雙前肢離開箱體底部站立的次數(shù)，直立是嚙齒類動(dòng)物探索環(huán)境的典型行為，直立次數(shù)越多，說明探索欲望越強(qiáng)，也反映動(dòng)物的肢體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力；
2. 直立總時(shí)長(zhǎng)：動(dòng)物所有直立行為的總持續(xù)時(shí)間，進(jìn)一步量化探索行為的強(qiáng)度；
3. 理毛次數(shù)與總時(shí)長(zhǎng)：理毛是動(dòng)物在新環(huán)境中應(yīng)對(duì)應(yīng)激的典型行為，理毛次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)反映動(dòng)物對(duì)應(yīng)激的應(yīng)對(duì)水平，也可以用于評(píng)估重復(fù)刻板行為——自閉癥模型動(dòng)物通常會(huì)出現(xiàn)理毛次數(shù)顯著增加；
4. 挖洞次數(shù)與時(shí)長(zhǎng)：部分研究也會(huì)統(tǒng)計(jì)動(dòng)物挖洞行為的參數(shù)，反映動(dòng)物的刻板行為水平或本能行為改變。