旷场实验：探索焦虑与行为学的经典工具
旷场实验（Open Field Test, OFT） 是行为神经科学和药理学研究中最经典、应用最广泛的实验范式之一。它主要用于评估啮齿类动物（如小鼠和大鼠）的自发活动性、探索行为以及焦虑样状态。其设计原理简单却蕴含深刻的行为学意义，为理解动物在面临新奇、空旷且存在潜在威胁（如开放空间带来的捕食风险）环境时的行为反应提供了重要窗口。
一、核心实验装置
旷场实验的核心装置是一个方形或矩形的敞开式箱子（敞箱）：
- 材质： 通常由不透明材料（如深色ABS塑料）构成侧壁，以减少外部干扰和动物对外界的视觉探索；底部则多使用易于清洁的材质。
- 尺寸： 大小因实验动物种类而异。常见规格如小鼠用40cm x 40cm x 30cm（长x宽x高），大鼠用更大尺寸如75cm x 75cm x 40cm或100cm x 100cm x 40cm。足够大的空间能有效营造“空旷”感。
- 区域划分： 通常将箱底虚拟划分为两个主要区域：
- 中央区域： 位于箱底中心，面积通常占总面积的25%-50%（如小鼠实验中常为中心25%的区域）。由于远离相对“安全”的墙壁，动物在中央区域活动被视为风险更高的行为。
- 周边区域： 靠近箱壁的区域。啮齿类动物具有天生的趋触性，倾向于紧贴墙壁或角落活动以寻求安全感。
- 光照： 实验通常在适度均匀的照明下进行（如100-300 Lux）。光照强度是一个关键变量，过强会显著增加动物的焦虑样行为。环境需保持安静、恒温恒湿。
二、实验流程
- 适应与环境控制：
- 实验动物需在标准的饲养环境中饲养至少一周以适应环境。
- 实验前数小时至一天，将动物移入实验操作间以适应环境光照、气味和声音。
- 实验环境需保持安静、一致的光照和温度。
- 严格遵守动物福利伦理规范，实验方案需经伦理委员会审批。
- 测试过程：
- 将单只动物轻柔地放入敞箱的中央区域。
- 动物在设定的时间段内（小鼠常用5-10分钟，大鼠常用10-15分钟）自由探索敞箱。
- 使用安装在箱体上方或侧方的摄像机全程记录动物的行为。现代系统多采用自动化的视频跟踪分析软件。
- 测试结束后，将动物放回饲养笼，并对敞箱进行彻底清洁（通常使用低浓度酒精溶液擦拭），以消除气味痕迹对后续测试动物的影响。不同动物测试之间需留有足够时间让气味消散。
- 同一实验的不同组别或个体通常在一天内的相同时间段进行测试，以减少昼夜节律的影响。
三、核心观测指标与分析
基于啮齿类动物在新奇开放环境中的行为特点，旷场实验主要量化以下关键指标：
- 活动性指标 (Locomotor Activity)：
- 总运动距离： 动物在整个测试期间移动的总路程（厘米或米）。这是衡量动物基础活动水平的重要指标。药物处理、基因修饰或应激可能导致活动性增加或减少。
- 平均速度： 总运动距离除以测试时间（厘米/秒或米/分钟）。
- 运动轨迹图： 直观展示动物在敞箱内的活动路径和偏好区域。
- 焦虑样行为指标 (Anxiety-like Behaviour)：
- 中央区域停留时间： 动物在中央区域停留的总时间（秒）或占总测试时间的百分比。减少的中央区停留时间通常被解释为焦虑水平升高的表现。
- 进入中央区域的次数： 动物从周边区域进入中央区域的次数。次数减少也与焦虑增加相关。
- 中央区域活动距离/比例： 在中央区域内移动的距离占总移动距离的百分比。比例降低表明动物更倾向于在“安全”的周边活动。
- 排便粒数： 动物在测试期间排泄的粪便粒数。通常认为排便增多是应激或焦虑水平升高的伴随现象（尤其在啮齿类动物）。
- 探索行为指标 (Exploratory Behaviour):
- 上述进入中央区的次数和中央区活动量本身也反映了探索新奇环境的意愿，低探索行为常与焦虑或抑郁样状态有关。
- 直立次数： 动物仅用后肢站立（包括完全站立和攀爬箱壁）的次数。反映动物对环境垂直维度的探索行为，也可能受焦虑状态影响。
四、结果解释与应用
- 焦虑评估： 旷场实验是评估啮齿类动物焦虑样行为最常用的工具之一。例如：
- 抗焦虑药物： 通常能增加中央区停留时间、进入中央区次数和中央区活动比例，同时减少排便粒数。
- 致焦虑操作： 如急性应激或某些基因缺陷，通常会导致相反的效果（减少中央区探索，增加周边活动）。
- 活动性评估： 总运动距离和平均速度是评估动物基础活动水平或药物对运动能力影响的直接指标。区分药物对焦虑的影响是特异性的还是继发于运动能力的改变至关重要（例如，某些镇静药物会同时抑制活动和探索行为）。
- 探索行为评估： 反映动物面对新环境时的好奇心和适应性。
- 应用领域：
- 神经精神疾病模型研究： 评估焦虑症、抑郁症动物模型的行为表型。
- 药物筛选与药效评价： 筛选新型抗焦虑药、抗抑郁药、精神兴奋剂等，评价其效果及副作用（如对运动能力的影响）。
- 神经生物学机制研究： 研究特定脑区（如杏仁核、前额叶皮层、海马）、神经环路或神经递质系统（如5-HT、GABA、DA、NE）在焦虑和探索行为中的作用。
- 遗传学研究： 研究特定基因敲除或转基因对焦虑相关行为的影响。
- 环境因素研究： 评估早期应激、环境富集、社会隔离等对行为的影响。
- 认知功能（间接）： 虽然OFT主要用于焦虑和活动性，但探索模式的改变有时也与空间认知或习惯化有关。
五、重要考量与局限性
- 区分焦虑与活动性： 这是解读OFT结果的关键挑战。 任何影响动物活动能力的因素（如镇静、肌肉松弛、疲劳、疾病状态）都可能混淆对焦虑行为的解释。必须结合总运动距离等指标进行综合判断。必要时需配合其他专门测试活动性的实验（如转棒实验）。
- 趋触性： 啮齿类动物天生的趋壁性是其行为基线，实验指标（如中央区探索）是相对于此基线的变化。
- 适应性与重复测试： 动物在重复暴露于同一敞箱时会发生行为习惯化（探索减少，活动降低），因此通常只进行一次测试用于焦虑评估。如需重复测试，需谨慎设计并考虑顺序效应。
- 环境变量： 光照强度、噪音水平、气味残留、清洁程度、测试时间（昼夜节律）等环境因素对结果影响巨大，必须严格控制并保持一致。
- 种属与品系差异： 不同种类的啮齿类动物（如小鼠vs大鼠）甚至同一物种的不同品系，其基础活动水平和焦虑样行为基线可能存在显著差异。选择对照组时必须匹配。
- “焦虑”的间接性： 旷场实验测量的是焦虑样行为，是对动物在特定新异、轻度威胁环境下行为反应的量化，并非直接等同于人类的主观焦虑体验。它是对焦虑相关行为表型的一种有效、可靠的评估手段。
- 动物福利： 实验本身对动物是一种轻度应激刺激，必须严格遵守动物实验伦理准则，尽量减少动物的痛苦和不适。
结论
旷场实验凭借其简便、可靠、可量化及对啮齿类动物焦虑样行为和自发活动性高度敏感的特点，成为行为神经科学领域不可或缺的工具。它为研究者提供了一个强有力的窗口，用以探究焦虑的神经生物学基础、评估精神药物的效果、构建和验证神经精神疾病模型。理解其原理、细致控制实验变量、合理解读关键指标（特别是区分焦虑与活动性），是有效利用这一经典范式获得可靠科学发现的关键。虽然存在局限性，但作为行为学测试组合中的重要一环，旷场实验在推动我们对情绪和行为障碍的理解方面持续发挥着核心作用。