曠場實驗：多領域評估嚙齒類動物行為的經典范式

動物行為是動物表達心理和生理的肢體語言，也是動物自身綜合機能的體現；曠場中大小鼠不同行為的分析廣泛應用于衡量生物學,神經科學,藥理學和遺傳學等領域的實驗效果。曠場實驗是評估嚙齒類動物自發活動、焦慮狀態及探索行為的經典行為學方法，基于其對新環境的“趨避性沖突”（既畏懼空曠又渴望探索）設計。

一、系統整體硬件組成

AI曠場行為分析系統由核心實驗箱體、環境控制模塊、圖像采集模塊和智能分析軟件四個部分構成，整體設計追求標準化與可重復性，適配不同實驗室的常規需求：

（一）曠場實驗核心箱體

核心箱體通常為正方形封閉空間，根據實驗動物為小鼠或大鼠設置不同的標準化尺寸：小鼠常用規格為40cm×40cm×40cm，大鼠常用規格為100cm×100cm×50cm，箱體四壁和底部多采用啞光不反光的亞克力材質，可選擇黑色、白色或灰色純色，避免反光干擾攝像頭識別，同時便于清理排泄物與殘留氣味。部分定制化箱體也會設計為圓形，但正方形是目前學術研究中通用的標準結構。箱體結構牢固，無多余凸起，避免動物攀爬或卡滯，保障運動軌跡追蹤的準確性。

（二）環境控制模塊

為了減少外界干擾對動物行為的影響，曠場箱體通常會集成基礎環境控制功能：箱體四周設置遮光板，頂部配備均勻的LED光源，可根據實驗需求調整亮度并保持全程穩定，避免光線不均或環境光線變化影響動物焦慮水平與識別精度；部分系統會搭配隔音裝置，減少外界噪音刺激對動物情緒的干擾；實驗區域通常會配備排氣風扇，維持空氣流通，避免不同動物之間的氣味交叉影響，保障實驗結果的穩定性。

（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，支持紅外補光，即使在弱光環境下也可以清晰捕捉動物輪廓，不受實驗室光線波動影響，為目標識別和軌跡追蹤提供穩定的原始數據。采集模塊支持實時傳輸與本地存儲，既可以進行實時分析，也可以實驗結束后離線批量分析，適配不同實驗室的工作流程。

（四）AI智能分析軟件模塊

AI分析模塊是現代曠場系統的核心，基于預訓練的深度學習目標檢測模型，可自動完成動物識別、軌跡追蹤、行為識別和指標統計，不需要人工逐幀校正即可獲得穩定結果，相較于傳統人工統計效率提升數十倍，結果可重復性大幅提升。軟件支持自定義區域劃分，可靈活根據實驗需求調整分析參數，適配不同的實驗設計。

二、核心實驗原理：基于趨避沖突的行為定量分離

曠場實驗的核心原理，正是利用嚙齒類動物面對空曠開放環境時的本能趨避性沖突：嚙齒類動物作為被捕食者，天生會回避空曠無遮蔽的區域——空曠區域暴露風險高，更容易被天敵發現，因此動物會本能傾向于停留在四周靠近墻壁的區域（周邊區），減少在中心開闊區域（中間區）的停留；但同時，嚙齒類動物又對陌生新環境存在探索欲望，會自發進入未知區域探索。

這種天生的行為沖突，讓研究者可以通過動物在不同區域的行為分布，穩定定量其焦慮水平：動物焦慮程度越高，趨避沖突中“回避暴露”的傾向越強，就會越少進入中間區，在中間區的停留時間和進入次數也越少；反之，焦慮程度越低，探索欲望占上風，動物在中間區的活動就越多。

除了焦慮水平，曠場實驗還可以同時分離出另外兩個核心行為學維度：

• 自發活動水平與運動能力：通過統計動物在整個曠場區域內的總運動路程、平均運動速度、總活動時間，可以直接反映動物的整體運動能力和自發活動水平，排除運動能力差異對焦慮、探索指標的干擾——比如“中間區活動減少”既可能是焦慮升高導致，也可能是動物整體運動能力下降導致，總路程指標可以很好的區分這兩種情況。
• 空間探索能力：動物對新環境的探索特性，也可以通過直立次數、理毛次數、跨格次數等指標定量，反映動物對新環境的探索興趣和認知適應能力。

相比于其他專門的焦慮檢測范式（比如高架十字迷宮、明/暗箱），曠場實驗操作簡單、僅需要單次測試即可同時獲得自發活動、焦慮、探索多個維度的結果，不需要復雜的訓練或預適應，這也是它成為所有行為學研究“標配”基礎實驗的核心原因。

三、標準化實驗流程

曠場實驗操作簡便，遵循標準化流程即可獲得穩定可重復的結果，通用實驗步驟如下：

1. 實驗前環境適應

實驗前1小時，將實驗動物放入測試房間適應環境，讓動物適應房間的光線、噪音等環境條件，避免運輸、抓握帶來的應激影響動物在曠場內的行為。適應過程中不改變動物的飼養條件，避免額外刺激。

2. 實驗參數設置與區域標定

實驗開始前，打開攝像頭和分析軟件，根據箱體尺寸對曠場進行區域劃分：通常將整個曠場區域劃分為“中間區”和“周邊區”，通用劃分規則為中間區為距離四周墻壁10-15cm以上的中心方形區域，剩余區域為周邊區，研究者也可以根據研究需求自定義中間區大小。設置好實驗錄制時長，通常單次曠場實驗的測試時間為5-10分鐘，滿足絕大多數研究的行為統計需求。

3. 正式實驗測試

將實驗動物輕輕從飼養籠取出，放置在曠場的中間區，隨即關閉箱門，啟動攝像頭錄制和實時分析，讓動物在曠場內自由探索活動。計時結束后，將動物輕輕取出，放回原飼養籠，隨后清理曠場箱體內的動物糞便和尿液，用75%酒精或無味液擦拭箱體底部，除上一只動物殘留氣味對下一只動物行為的影響，待酒精揮發后，進行下一只動物的測試。

4. 結果輸出與整理

所有動物測試完成后，AI系統自動統計所有指標，一鍵導出結構化數據與可視化運動軌跡圖，數據可直接導入統計軟件進行分析，軌跡圖也可以直接用于學術論文作圖。

四、主要應用場景

作為基礎通用的行為學范式，曠場實驗被廣泛應用于生物學、神經科學、藥理學和遺傳學等多個領域，核心應用場景包括：

（一）基因編輯動物模型的基礎表型篩選

在構建基因編輯動物模型后，研究者通常就會進行曠場實驗檢測，明確該基因敲除/敲入是否會影響動物的基礎自發活動和運動能力，隨后初步評估情緒相關表型——如果基因編輯導致動物焦慮水平發生改變，曠場實驗可以快速初篩得到結果，再用高架十字迷宮等專門范式進一步驗證。曠場實驗操作簡便、成本低，非常適合大規模基因表型篩選，是很多模式生物研究的測程序。

（二）神經精神類病模型的情緒與運動表型鑒定

焦慮抑郁、阿爾茨海默病、帕金森、亨廷頓舞蹈癥等神經精神類病，通常會伴隨運動能力改變、情緒異常和探索行為下降，曠場實驗是模型鑒定的基礎必做項目：帕金森模型會出現顯著的運動路程減少、運動速度下降，焦慮相關病模型會出現中間區停留時間顯著減少，阿爾茨海默病模型會出現探索行為減少，這些表型都可以通過曠場實驗快速穩定檢測，為模型構建成功提供基礎證據。

（三）精神神經類創新藥品的藥效篩選

在精神神經類創新藥品研發過程中，曠場實驗是常用的早期篩選工具：一方面可以評估藥品對動物基礎運動能力的影響，檢測藥品是否存在運動系統毒性；另一方面可以初步篩選藥品的抗焦慮、興奮藥效，比如抗焦慮藥會顯著增加模型動物在曠場中間區的活動時間，藥品會顯著降低總運動路程，非常適合大規模化合物初篩，幫助研究者快速排除無效或有毒性的化合物，提升研發效率。

（四）神經毒物暴露與發育毒理學研究

發育過程中接觸環境神經毒物，通常會導致子代動物神經發育異常，表現為運動能力改變、情緒異常和探索行為下降，曠場實驗的多維度檢測能力恰好適配這類研究需求。研究者可以通過曠場實驗，快速檢測不同毒物暴露劑量對子代嚙齒類動物行為的影響，明確劑量-效應關系，為發育神經毒性評估提供基礎行為學證據，同時大樣本檢測的成本很低，適合流行病學相關的大樣本量研究。

（五）自發活動與晝夜節律研究

曠場實驗也可以用于長時間連續記錄動物的自發活動，結合自動動物投放裝置，可連續監測數天內動物的活動水平變化，用于研究晝夜節律、睡眠覺醒周期對動物行為的影響，相較于專門的跑輪活動監測，曠場可以同時獲得活動水平之外的焦慮、探索等多個維度信息，提供更豐富的行為學數據。

五、多維度核心評估指標

現代AI曠場行為分析系統可輸出多維度量化指標，覆蓋基礎運動、焦慮水平、探索行為多個維度，滿足不同研究需求：

（一）基礎運動能力核心指標

1. 總運動路程：指實驗全程動物的總移動距離，是反映動物自發活動水平和整體運動能力核心的指標，總路程減少提示運動能力下降狀態，總路程增加提示活動過度或興奮狀態；
2. 平均運動速度：與總路程類似，直接反映動物的運動速度，是運動能力的直接量化指標；
3. 靜止時間占比：動物不移動的時間占總實驗時間的比例，靜止時間越長，提示自發活動水平越低或運動能力損傷越嚴重；
4. 活動區域數/跨格次數：將曠場人為劃分為若干大小相同的方格，動物四肢全部進入新方格記為一次跨格，跨格次數反映整體活動水平，是傳統人工統計時代的經典指標，現在仍廣泛應用于各類研究。

（二）焦慮水平核心評估指標

1. 中間區進入次數：實驗過程中動物進入中間區的總次數，進入次數越多，提示焦慮水平越低；
2. 中間區停留時間占比：動物在中間區停留總時間占實驗總時間的比例，是目前評估焦慮水平核心的指標，停留時間占比越高，說明趨避沖突中探索傾向越強，焦慮水平越低；反之則提示焦慮水平越高；
3. 中間區運動路程占比：動物在中間區的運動路程占總運動路程的比例，和停留時間占比類似，同樣反映焦慮水平，占比越高焦慮越低；
4. 進入中間區潛伏期：實驗開始后動物進入中間區的時間，潛伏期越長，提示對中間區的回避越強，焦慮水平越高。

（三）探索與非運動行為核心指標

1. 直立次數（站立次數）：動物雙前肢離開箱體底部站立的次數，直立是嚙齒類動物探索環境的典型行為，直立次數越多，說明探索欲望越強，也反映動物的肢體運動協調能力；
2. 直立總時長：動物所有直立行為的總持續時間，進一步量化探索行為的強度；
3. 理毛次數與總時長：理毛是動物在新環境中應對應激的典型行為，理毛次數和時長反映動物對應激的應對水平，也可以用于評估重復刻板行為——自閉癥模型動物通常會出現理毛次數顯著增加；
4. 挖洞次數與時長：部分研究也會統計動物挖洞行為的參數，反映動物的刻板行為水平或本能行為改變。