实验室大鼠超声波的情绪意义与测量∗

俞德霖 尹 彬

（福建师范大学心理学院 福建福州 350117）

大鼠（Rattus norvegicus）是生物学、医学、心理学等学科常用的实验动物。在使用大鼠实验中，超声波记录可作为衡量其情绪状态重要的行为学证据。

1 大鼠超声波的分类与情绪意义

青春期和成年大鼠发出的超声波（ultrasonic vocalizations）可分为两大类：22 kHz 范围的超声波与50 kHz 范围的超声波[1]。22 kHz 范围的超声波的声学特征是，频率在20～35 kHz 之间，持续时间较长，可达300 ms 以上，缺乏明显的频率变化。50 kHz 范围的超声波根据声音频率的变化可进一步分为flat 和FM（frequency modulated）2 种：flat-50 kHz 超声波的持续时长在10～100 ms 之间，频率在35～50 kHz 内几乎保持不变；而FM-50 kHz超声波的持续时长在20～150 ms 之间，频率在40～80 kHz 之间，具有较大幅度的波动。

实验表明，不同的超声波频率可反映大鼠的某些特定行为。22 kHz 范围的超声波被认为反映了厌恶和恐惧等消极情绪状态：当大鼠身边有捕食者存在或面对攻击性同类时，会发出22 kHz 范围的超声波[2-3]。在旷场、高架十字迷宫等焦虑样行为测试中，播放22 kHz 范围的超声波，会让被测大鼠有更多的防御性行为，使其大脑中与焦虑、恐惧情绪调节和防御等相关的区域（例如，杏仁核和终纹状核）c-Fos表达增加[4-5]。而50 kHz范围的超声波则会在受到食物奖励，以及和同类进行社会互动等条件下发出，例如，在药理学实验中注射苯丙胺和与同伴进行打闹（playful fighting）时[6-7]。而此类超声波的发出在神经生理上与中脑边缘系统多巴胺能神经元的活性，以及腹侧纹状体伏隔核的多巴胺活性增加有关[8-9]。在50 kHz 范围超声波的2 种子类型的行为学意义上，有学者认为，FM-50 kHz 超声波代表了一种普遍的积极情绪状态，而flat-50 kHz 超声波则代表了一种社会接触（social contact）的通讯[7]。回放50 kHz 范围的超声波则使大鼠在旷场、高架十字迷宫中有更多的探索行为，在生理上能诱导释放多巴胺，使伏隔核中c-Fos阳性神经元增加[4,10]。大鼠超声波的回放效应也从另一个侧面验证了其情绪功能。因此，在研究中可将22 kHz 范围的超声波作为大鼠在实验过程中的消极情绪指标，而将FM-50 kHz 超声波作为大鼠在实验过程中的积极情绪指标，通过对声波信号的编码，量化大鼠的情绪状态。

2 测量方法

实验中最好用采样率为384 kHz 的麦克风录制。根据采样定理，带通信号的最低采样率在带宽的2～4 倍之间[11]。在实际的实验室操作中发现，如果仅使用192 kHz 采样率的麦克风或采样上限为192 kHz 的录音软件录制，在频谱图上实际的频率上限只能达到60 kHz 左右，虽然这对于采集22 kHz 范围的超声波已足够，却不足以涵盖50 kHz 范围的超声波可能覆盖的全部频率范围。因此，如果要对大鼠的超声波进行更全面的测量，使用384 kHz 采样率的麦克风和录音软件更合适。录音软件可使用开源软件Audacity，这款软件最高可达到384 kHz 的采用率和PCM 24 bit 精度的录制。麦克风与大鼠嘴部的距离15～60 cm 为宜，距离太近（＜5 cm）容易采集到大鼠的呼气声、脚步声等噪音，干扰后续的数据分析；而距离太远（＞150 cm）则会导致收集到的声波信号过于微弱，难以被识别。同时，还应注意消除环境背景噪音，例如，周边的电流会产生30 kHz 的电磁干扰，可能影响到对22 kHz 范围超声波的识别。

图1 展示了在实验室采集到的50 kHz 范围的超声波样本：①为FM-50 kHz 超声波，可观察到有明显的频率变化，并出现了方向相反的波峰；②为flat-50 kHz 超声波，在波形上呈一条短平的直线。图2 展示了在实验室采集到的22 kHz 范围的超声波样本；③为22 kHz 范围的超声波，持续时间接近500 ms，波形起伏不大。注意在图1 和图2的纵坐标轴30 kHz 处均有一条明显的直线，即为周边电流产生的电磁噪声。

图1 50 kHz 范围的超声波示例

在对超声波的分析上，可将采集到的音频使用MATLAB 进行快速傅里叶变换（FFT）生成频谱图（图1、图2），由数位经过训练的研究者进行人工筛选，且对人工筛选结果计算评分者信度（inter-rater reliability），即数位实验者统计结果间的 相 关 性[6]。也 可 使 用Avisoft、Ultravox 和 基 于MATLAB 的DeepSqueak[12]等自动化的分析软件对大鼠发出的超声波进行识别与统计。

图2 22 kHz 范围的超声波示例

需要注意的是，当波形变化不大时，flat 与FM有时可能难以区分。建议遇到这种情况时，首先观察波形，如果波形上出现方向相反的波峰，则归到FM 中，否则归到flat 中；其次看频率的变化量（Δfrequency），如果频率的变化量大于5 kHz，则归到FM 中，否则归到flat 中[13]。有时实验室测量条件并不能完全消除背景噪声（包括电磁的），仍然存在干扰，会在软件分析上带来很多的错误识别，需要在软件分析的结果上再进行人工筛选。此外，一些噪声可能在波形与频率上和大鼠发出的超声波比较接近，当从频谱图上无法区分时，可使用Audacity 等专业的音频处理软件改变音频的速率（rate）后播放。根据人耳听到的音色进行区分：噪音的音色比较接近金属摩擦的声音，而大鼠的音色比较接近鸟类的鸣叫。降低音频的速率，既可降低大鼠超声波的音高，使之进入人耳可听范围；又可让持续时间仅10～20 ms 的超声波更易被人识别。22 kHz 范围的超声波可降速至原速的20%～50%，50 kHz 范围的超声波可降速至原速的5%～10%。

3 应用

大鼠的超声波在精神病学和药理学的研究上已得到广泛应用：例如，用22 kHz 范围的超声波评估大鼠焦虑或疼痛的情绪强度[14]，用50 kHz 范围的超声波评估大鼠愉悦的情绪强度[6]。在研究中可统计全记录过程中出现的所有超声波，也可对时间抽样，统计单位时间内的超声波。在具体量化指标的选取上，近5 年的研究以统计超声波的次数与累计持续时间居多，通过对实验组与对照组在声波次数或累计持续时间上的差异检验药效。

在动物行为上，大鼠的超声波也可作为一种编码指标。例如，当大鼠发生攻击行为时，使用声波可区分大鼠的攻击是属于侵犯性的攻击，还是娱乐性的攻击，从而对行为进行更精确的、带有情绪性的编码。与其他测量大鼠情绪的方法，例如，皮质酮、皮肤电等相比，超声波的采集更方便，分析速度更快，并且是无创、非介入的。

还可通过对采集的声波进行实时的快速傅里叶变换，依据频谱图的波形监控实验。例如，在进行T 迷宫等学习与记忆测试之前，发现大鼠发出大量22 kHz 范围的超声波，可能是大鼠被实验者抓取而处于焦虑的情绪状态。这时可适度安抚大鼠，或等大鼠不再发出22 kHz 范围的超声波之后再进行实验，有助于在学习与记忆测试中排除情绪变量的干扰。未来研究者可考虑在涉及到大鼠情绪测量的课题中，采集大鼠的超声波进行分析。