经济高效的开源自动化装置用于检测小鼠的可迁移推理

教小鼠做出逻辑推断

想象能向一只小鼠提出一个逻辑问题——如果 A 比 B 好，B 比 C 好，那么 A 和 C 哪个更好？这种称为“可迁移推理”的能力是人类思维的基本组成部分，在精神分裂症和阿尔茨海默病等病症中会受损。论文介绍了 AutoTI，一种低成本、完全自动化的装置，使科学家能够以远超以往的精度、速度和规模来探测小鼠的此类推理能力。

用于复杂思维的简单箱体

研究的核心是一个小型透明箱，内有六个伸鼻探测孔：前壁上有五个作为“项目”的孔，后壁有一个用于启动每次试验的孔。当小鼠探入后壁孔时，前壁的两个孔会点亮，动物必须做出选择。点到“更好”的孔会获得少量水奖励并伴随短促音调，而错误选择则触发一阵噪声并进入短暂超时。通过精心控制哪些孔对会点亮以及哪个孔给奖励，研究者们在不同时同时展示完整序列的情况下，把五个孔之间的隐藏次序教给小鼠，比如 A>B>C>D>E。

幕后开源硬件

AutoTI 完全基于开源电子与软件运行，使得一个完整测箱的成本约等于一台普通笔记本电脑的价格。一块小型微控制器板连接探鼻孔、电磁阀和扬声器，另有独立程序控制俯视摄像头，记录小鼠的每一个动作。任务逻辑以公开代码编写，所有硬件设计文件均可下载，既可手工组装，也可向供应商订购。这意味着任何实验室——不仅限于资金雄厚的实验室——都能构建多个箱体并并行测试多只小鼠，使得大规模、严格受控的动物推理实验更为可行。

在无人干预下探测小鼠逻辑

使用 AutoTI，团队训练了数十只小鼠学习重叠的孔对选择——先学会 A 胜过 B，然后 B 胜过 C，依此类推。经过数周每天短时、全自动化的训练后，许多小鼠高精度掌握了这些构建性比较。关键测试是在动物面临从未同时见过的 B 与 D 配对时进行。要做对这一对，小鼠必须在脑中拼接过去的经验——如果 B 胜过 C，C 胜过 D，那么 B 应该胜过 D。大多数小鼠正是这样做的，选择 B 的频率远高于偶然概率，许多小鼠在首次尝试时就几乎每次都答对。这种行为与人类结果相似，表明动物并非仅仅记住特定孔对，而是形成了内部的顺序感。

空间布局何时有利——何时掩盖真相

研究者还探讨了孔的物理布局如何影响小鼠所学的内容。在一种布置中，五个孔按左右位置排列，使隐藏的次序与空间位置一致；仅凭偏好一侧就能帮助动物获胜。在另一种布置里，同样的五个孔被重新排列，使得顺序不能直接从空间位置读出。在直接的空间布局下，小鼠学得更快，但其行为缺乏真正层级知识的两个经典特征：它们没有在隐藏次序上间距较大的配对中表现更强，也没有出现“端点”项目更易判断的特征。只有在去除了空间捷径的更困难布局中，这些标志才出现，这表明在更具挑战性的排列中，小鼠确实在构建内部关系图，而不是依赖简单的侧偏差。

通过运动读取心理活动

由于 AutoTI 持续录制视频，团队得以超越简单的对错评分，研究小鼠在箱内的运动方式。表现优秀的小鼠从启动孔到正确选择路径迅速且直接，基本忽略从未获得奖励的孔。表现较差的动物则四处游荡，覆盖更长距离、路径更低效。推理能力最强的动物还更频繁地出现头部扫视动作，一种以往研究将其与啮齿类动物的深思熟虑相关联的行为。这些细微的运动模式为判断小鼠何时“认真思考”提供了新的行为视角，从而为将特定脑活动信号与推理不同阶段联系起来打开了大门。

这对大脑与机器有何意义

归根结底，AutoTI 的价值不在于巧妙的硬件本身，而在于该硬件所能实现的研究。凭借一种廉价、可扩展且免手工干预的方法来测试小鼠的逻辑推理，研究者现在可以将该任务与逐细胞记录或操控脑活动的工具结合使用。这将有助于揭示诸如海马与前额叶皮层等脑区如何协作，构建知识的内部地图并在新情境中用它们进行推断。由于类似的推理在多种精神和神经退行性疾病中受损——且是人工智能系统面临的一个关键挑战——AutoTI 方法为基础神经科学、疾病研究与构建更像大脑那样推理的机器之间搭建了一座强有力的桥梁。

引用: Margarian, S., Chen, Y., Waheed, J. et al. Cost-effective, open-source, automated apparatus for testing transitive inference in mice. Sci Rep 16, 13071 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43430-x

关键词: 可迁移推理, 小鼠认知, 自动化行为, 关系记忆, 开源神经科学