在神经科学领域，如何准确评估实验动物的空间学习与记忆能力，一直是研究者关注的核心问题。巴恩斯迷宫（Barnes Maze）凭借其低压力、高特异性等优势，成为该领域不可或缺的研究工具。作为提供创新型行为学研究工具及解决方案的专业厂商，诺达思为您系统梳理这一经典范式。
1. 什么是巴恩斯迷宫？
巴恩斯迷宫是神经科学研究中常用的行为学实验范式，用于评估啮齿类动物的空间学习能力、记忆水平以及认知灵活性。该实验装置由卡罗尔・A・巴恩斯（Carol A. Barnes）研发，主体为一个圆形高架平台，平台边缘均匀分布若干孔洞。其中一个孔洞为 “逃逸孔 / 目标孔”，向下连通一处避光密闭的逃避盒；其余孔洞要么保持开放，要么做封堵处理，动物无法由此逃离平台。
该范式利用了啮齿动物天生厌恶开阔强光环境的特性。实验时将动物放置于明亮平台的中央，动物会产生逃离平台的动机，需要找到唯一的安全逃逸孔。逃逸孔相对于房间内固定视觉参照物的位置保持不变，因此动物需要运用异中心空间学习（即记住目标孔相对于外部地标的位置）才能高效完成任务。
巴恩斯迷宫被广泛用于研究各类神经、精神疾病模型啮齿动物的空间记忆损伤，研究方向涵盖阿尔茨海默病、创伤性脑损伤、自闭症谱系障碍以及自然衰老等。
研究者选择巴恩斯迷宫的核心原因
– 相比莫里斯水迷宫，应激水平更低：无需游泳，不存在水温带来的实验干扰因素
– 实验结果反映的是空间记忆能力，而非动物运动能力或应激生理状态
– 数十年大量已发表文献充分验证了该范式的可靠性
2. 历史与发展
1979 年，卡罗尔・巴恩斯在论文《衰老相关记忆缺陷：大鼠的神经生理学与行为学研究》（Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat，发表于《Journal of Comparative and Physiological Psychology》）中首次报道该迷宫范式。最初版本平台直径 122 厘米，设置 18 个孔洞，用于研究老年 Long‑Evans 大鼠的记忆损伤。直到 1995 年，该实验方案才完成小鼠版本的适配改造。
巴恩斯迷宫常与另外两种经典范式并列讨论：
莫里斯水迷宫（MWM）——需要游泳寻找水下平台。
八臂迷宫（RAM）——使用食物奖励引导动物进入各臂。
与前两者不同，巴恩斯迷宫不涉及强迫游泳或食物/水剥夺等强烈厌恶刺激，因此是一种相对低压力的选择（Harrison等，2006）。
重要文献时间线
1979年 —— Barnes在大鼠衰老研究中描述了原始范式。
1989年 —— Barnes团队及Markowska团队将该任务用于药理学和反转学习研究。
1995年 ——首次完成适配小鼠的实验方案改造。
1997年 —— Vorhees将其用于产前神经毒素暴露相关研究。
2001年 —— Paylor团队研究Lhx5缺陷小鼠相关研究。
2007年 —— Sunyer等人确立专门针对小鼠的标准化实验流程。
2010年 —— Wong-Goodrich团队评估全脑照射后自主运动对小鼠的影响。
2014年 —— Meyer 等人开展生长受限幼鼠的瘦素相关实验。
2017年 —— Rudobeck 等人利用该模型研究空间辐射与 APP/PSEN1 小鼠阿尔茨海默病理改变。
3. 装置与设备
该装置为一个圆形平台，架高约95–100厘米。平台周边距边缘不远处均匀分布一圈孔洞。多数巴恩斯迷宫设有20个孔，但也有其他孔数规格可选。目标孔下方设有一个内凹的暗色逃避盒，从平台表面无法看见。目标孔的位置可以变更，整个平台也可旋转，这使得实验者能在保持目标相对于远端视觉线索位置不变的同时，随意改变其在房间中的绝对位置。
平台颜色与受试动物形成对比，以便视频追踪软件区分主体与背景。为了方便评分时参照，孔洞按远离目标孔的方向编号：右侧孔位从+1开始，左侧从−1开始，正对目标孔的孔位标记为0。
可选配置
- 可拆卸式逃避盒支架，便于清洁
- 旋转式顶盖与暗色逃避盒
- 加厚亚克力顶盖，以消除迷宫内部的视觉线索
- 假底板，用于封闭非目标孔
- 额外巢箱
巴恩斯迷宫有多种颜色可供选择，但蓝色或灰色是首选，以便与受试动物形成最大程度的对比
4. 如何选择：巴恩斯迷宫 vs. 莫里斯水迷宫？
巴恩斯迷宫与水迷宫都是研究空间学习记忆的成熟范式，各有优劣。选择时，需要结合您的模型、实验室条件及既往发表文献的延续性来权衡。
巴恩斯迷宫的优势
- 无需游泳，避免了强迫游泳带来的应激和皮质酮水平升高。
- 水迷宫中的游泳会降低核心体温，从而影响表现，此问题即使控制水温也只能部分缓解。
- 水迷宫中，动物可能出现漂浮行为——这本身即是强迫游泳实验中用作行为绝望的指标。巴恩斯迷宫则完全规避了这一干扰因素。
巴恩斯迷宫的局限性
- 由于缺乏强烈的厌恶刺激，学习速度可能偏慢；有时会加入白噪音或蜂鸣器等温和应激源以增强逃避动机。
- 通常需要比水迷宫更多的训练次数——常见为15–20次训练（部分方案可达40次），而水迷宫约需12次。
- 部分文献提示，该范式在年轻成年（3–5月龄）C57BL/6J小鼠中验证最为充分，其他年龄或品系的可靠性相对不确定。
实践建议：需要考量实验室是否已经具备成熟的某一套范式；查阅该动物模型过往发表文献更常采用哪一种范式；同时关注实验物种 / 品系是否极度厌恶游泳（小鼠天生游泳能力弱于大鼠）。
5. 分步实验方案
本流程基于多篇文献汇总整理，仅作为实验参考。请研究者自行查阅更多文献，评估是否需要调整实验方案。试验次数、时长务必结合动物模型特性。
实验前准备
- 在测试室内架设迷宫，调节适当光照强度。光照越强，厌恶感越强，学习速度越快；但基线焦虑水平较高的动物可能在稍暗光线下表现更佳。
- 在迷宫周围放置3–4个远端视觉参照物（参照物最长边约30厘米），确保动物在平台任意位置均能看见。
- 在首次试验前及每次试验之间，彻底清洁装置（使用30–70%乙醇喷雾，以洁净纸巾擦拭），以消除前次动物遗留的嗅觉线索。
第1天——适应期
- 将动物连同饲养笼一起移至测试室，适应环境至少30分钟。
- 将逃避盒安装至平台。
- 用您偏好的抓取方式（尾部、手或套管法），将动物直接放入逃避盒中，停留1分钟。
- 随后将动物置于平台中央，约10秒后释放。
- 让动物自由探索最多5分钟，或直至其进入逃避盒。如有必要，轻轻引导其前往目标孔——切勿强迫——并让其在内停留1–2分钟，然后放回饲养笼。
第2天起——训练/获取
- 适应试验与首次训练之间至少间隔1小时。
- 将逃避盒重新定位至不同于适应阶段的位置，此后该位置在所有获取试验中保持固定不变。
- 每天进行若干次试验，每次时长3–5分钟；常见方案为每日2–4次试验，试验间隔约15分钟；持续4–10个测试日，具体视模型所需试验量而定。
- 将动物置于起始杯下，延迟10秒后释放。记录动物探查非目标孔的次数（记为错误数）及到达/进入目标孔的潜伏期（时间）。
- 动物进入逃避盒即结束试验；超过设定最大时长（通常3分钟）同样终止。如果动物始终没有找到目标孔，温和引导其进入逃避盒，停留 1‑2 分钟，该次试验记为超时失败。
- 每次试验之间务必清洁装置。
探索试验——评估参照记忆
- 首次探索试验通常在最后一次获取训练结束后约3天进行（或按其他已发表方案，在测试第5天进行）。
- 移除逃避盒或封闭目标孔，使动物无法逃逸。
- 试验持续60–90秒，同前记录错误数与潜伏期。
- 7天后（约第12天）可进行第二次探索试验，以评估较长间隔后的记忆保持情况。
6. 搜索策略与数据分析
巴恩斯迷宫的两项核心参数为：探头探查错误孔洞的次数（错误数）、到达并进入目标孔的潜伏期。总路径长度和移动速度是有用的辅助指标，尤其在区分“真正的学习提升” 和 “运动能力、动机改变带来的结果干扰”。
有一个很容易被忽略的关键点：动物的搜索策略分类。两只动物即便潜伏期完全一致，背后反映的空间学习水平可能截然不同。
- 随机型：动物穿越中央区域，检查孔洞时无明显规律可循，与目标位置无关。
- 序列型：动物沿平台边缘系统性地移动，按顺序（顺时针或逆时针）逐个检查相邻孔洞，直至找到目标。特别小鼠在执行这种策略时，沿边缘移动速度很快，潜伏期可能与直接搜索相当，但由于过程中检查了更多错误孔洞，其错误数显著更多。有些动物即使目标孔旁有直接视觉标记，仍会在所有试验中持续偏好该策略。
- 直接型（空间型）：动物径直走向目标孔或紧邻的孔位，表明其已学会目标孔相对于远端线索的位置。
随着重复测试，动物通常按照上述顺序逐步演进策略——随机→序列→直接。追踪这一策略转变本身即是衡量学习的有效指标。若不结合策略分析，仅依赖错误数或潜伏期，可能会对动物表现产生偏颇判断。
统计学相关提示
- 每组动物样本量建议10‑30只，采用方差分析结合 Bonferroni 事后校正，一般可以达到 p＜05 的统计检出效力。
- 对照组通常在训练中表现出稳定、明确的进步；疾病模型和衰老模型则呈现较慢的学习曲线。
- 追踪软件（如动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)）内置巴恩斯迷宫模板——将逃生孔圆圈拖拽至视频图像中正确位置，指定目标孔，系统即可自动记录定位并进入逃生盒的潜伏期、记录错误孔次数及移动距离等数据。
7. 改装与迷宫变体
研究者基于特定的科学问题，开发了多种方案和硬件改良方式：
- 幕布环绕——防止动物利用设定视觉地标之外的远端房间线索形成空间关联（Harrison等，2006；Rosenfeld & Ferguson，2014）。
- 通往饲养笼的逃生管——可选延伸装置，使逃生盒直接连接至动物原饲养笼。
- 假底板——封闭非目标孔，有助于塑形行为或简化早期试验。
- 图案化巴恩斯迷宫（延迟匹配位置）——Faizi 等人 2012 年优化的变体，一共 40 个孔洞，分为内圈、中圈、外圈，用于评估超越基础参考记忆的认知灵活性。
- 随机排布式巴恩斯迷宫：孔洞伪随机排布，抑制动物采用序列式这类非空间搜索策略。
- 八臂巴恩斯迷宫——结合八臂迷宫与巴恩斯迷宫的特点（Paganelli等，2004）。
- 亦可通过其他方案变动（Attar等，2013）增加任务难度。
8. 优势与局限总结
优势
- 相较于游泳范式，应激水平更低——无浸水，无体温干扰。
- 实验表现主要反映异中心空间学习能力，较少受运动能力、应激生理状态干扰。
- 拥有数十年、多种疾病模型下经交叉验证的成熟方案。
局限
- 部分动物逃逸动机不足，存在不响应任务的个体，这类情况并不少见。
- 大量训练次数可能导致过度训练，使学习曲线趋于平坦。
- 若缺乏足够厌恶动机，动物可能仅在平台上探索而非积极参与任务，光照和清洁方案至关重要。
- 实验结果会受动物基础焦虑水平影响；药物、基因编辑都可能改变焦虑水平，可通过降低光照强度缓解该问题。
- 除空间记忆以外，焦虑、自发探索能力等多种行为都会影响原始行为数据。解读错误数、潜伏期结果时，必须同步参考动物的搜索策略分类。
精选参考文献
Barnes, C.A. (1979). Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J. Comp. Physiol. Psychol. 93(1):74–104.
Barnes et al. (1989). Effects of 3,4-diaminopyridine in age-related improvement of short-term spatial memory.
Markowska et al. (1989). Spatial memory and reversal tasks in aged rats using the Barnes Maze.
Vorhees, C.V. (1997). Prenatal neurotoxin exposure and spatial learning.
Paylor, R. et al. (2001). Spatial learning in Lhx5-deficient mice.
Sunyer, B. et al. (2007). Barnes maze protocols adapted for mice.
Harrison, F.E. et al. (2006). Low-stress alternative behavioral testing and search-strategy analysis in the Barnes maze.
Rosenfeld, C.S. & Ferguson, S.A. (2014). Barnes maze testing strategies with small and large rodent models.
Attar, A. et al. (2013). Protocol variations increasing Barnes maze task difficulty.
Faizi, M. et al. (2012). Thy1-hAPP(Lond/Swe) mouse model and the Patterned/Delayed Matching to Place Barnes maze.
Paganelli, R.A. et al. (2004). The Radial Arm Barnes Maze.
Wong-Goodrich, S.J.E. et al. (2010). Voluntary running and spatial memory after whole-brain irradiation.
Meyer, L.R. et al. (2014). Neonatal leptin treatment in growth-restricted mice and spatial memory.
Rudobeck, E. et al. (2017). Space radiation and Alzheimer’s pathology in APP/PSEN1 transgenic mice.
He, S. and Corscadden, L. (2022). Maze Engineers Maze Catalog — Barnes Maze product imagery and specifications.
Noldus Information Technology. Basic Behavioral Neuroscience in Rodents — The Barnes Maze (Cognition & Memory), pp. 47–50.
