一種大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)及其使用方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)及其使用方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的大鼠行為學(xué)量化實(shí)驗(yàn)中，一般使用的是電驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)，通過(guò)控制電驅(qū)動(dòng)跑 步機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，來(lái)控制大鼠的跑步速率，但是電驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)存在以下弊端，一是電驅(qū)動(dòng)跑 步機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定的電磁場(chǎng)，大鼠的腦電信號(hào)非常微弱，一般在微伏級(jí)，該電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)大鼠的 腦電信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)和分析腦電信號(hào)；二是需要添加額外的屏 蔽裝置，但是屏蔽裝置占面積大，使用操作不便，而且價(jià)格昂貴。
[0003] 現(xiàn)有的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)中多是利用食物誘導(dǎo)形成條件反射使大鼠運(yùn)動(dòng)，但是該方法存 在明顯的弊端，一是在實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)大鼠進(jìn)行長(zhǎng)期的饑餓處理，體質(zhì)下降，有些大鼠甚至處 于病態(tài)，影響腦電信號(hào)；二是饑餓狀態(tài)會(huì)影響大鼠的情緒，有研究表明情緒影響腦電信號(hào)； 三是無(wú)法靈活地控制大鼠連續(xù)運(yùn)動(dòng)，難以采集大鼠在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的腦電信號(hào)；四是大 鼠邊咀嚼邊跑動(dòng)，咀嚼對(duì)腦電信號(hào)的干擾很大，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的分析。
[0004] 現(xiàn)有的跑步機(jī)裝置上很少有同步標(biāo)記大鼠特定行為的裝置，只能通過(guò)肉眼或攝像 裝置標(biāo)記，但是由于肉眼觀察后再操作或攝像設(shè)備的延遲，標(biāo)記不準(zhǔn)確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步標(biāo) 記，很難識(shí)別大鼠在特定行為下對(duì)應(yīng)的腦電信號(hào)。
[0005] 此外，現(xiàn)有的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)大鼠運(yùn)動(dòng)缺陷癥狀的評(píng)價(jià)只有運(yùn)動(dòng)時(shí)間一項(xiàng)指標(biāo)， 不能準(zhǔn)確、全面的量化評(píng)價(jià)，缺乏一種較為完善的大鼠行為學(xué)量化評(píng)價(jià)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種大鼠行為紅外線識(shí)別 系統(tǒng)及其使用方法和應(yīng)用。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)，包括記錄顯示器、跑步機(jī)、信號(hào)采集系統(tǒng)、若干個(gè) 紅外探測(cè)器以及用于讀取大鼠腦電信號(hào)的裝置，其中，若干個(gè)紅外探測(cè)器分別與大鼠的行 為發(fā)生處對(duì)應(yīng)安裝；所有紅外探測(cè)器和用于讀取大鼠腦電信號(hào)的裝置均與信號(hào)采集系統(tǒng)連 接，信號(hào)采集系統(tǒng)與記錄顯示器連接，將大鼠的特定行為同步記錄在大鼠的腦電信號(hào)中。
[0009] 優(yōu)選的，所述跑步機(jī)為手搖式跑步機(jī)，其包括轉(zhuǎn)桿、用于供大鼠跑步的滾筒以及安 裝在滾筒一側(cè)的阻擋桿，所述轉(zhuǎn)桿與滾筒連接，用以控制滾筒轉(zhuǎn)速。該跑步機(jī)便于靈活地控 制大鼠連續(xù)運(yùn)動(dòng)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，不再依賴食物形成條件反射，有效地避免了咀嚼干擾 腦電信號(hào)，而且手工搖動(dòng)，可以避免電驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)電磁場(chǎng)對(duì)腦電信號(hào)的干擾。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述滾筒的兩側(cè)還分別設(shè)置有轉(zhuǎn)輪，所述阻擋桿安裝在轉(zhuǎn)輪上。轉(zhuǎn) 輪的直徑大于滾筒的直徑，由于大鼠溜邊跑動(dòng)，能有效地避免大鼠從跑步機(jī)上跌落，而且阻 擋桿安裝在轉(zhuǎn)輪上可以更方便地與紅外探測(cè)器相對(duì)安裝，避免大鼠阻擋紅外探測(cè)器。
[0011] 優(yōu)選的，所述紅外探測(cè)器包括紅外避障傳感器和上拉電阻，上拉電阻與紅外避障 傳感器信號(hào)輸出端連接。紅外避障傳感器是NPN型光電開(kāi)關(guān)，輸出狀態(tài)是0,1，即數(shù)字電路 中的高電平和低電平。該紅外探測(cè)器能夠自動(dòng)檢測(cè)大鼠的特定行為，并且能夠觸發(fā)信號(hào)采 集系統(tǒng)以"標(biāo)記"的形式同步記錄在大鼠的腦電信號(hào)中，幾乎沒(méi)有延遲。
[0012] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上拉電阻的阻值為1ΚΩ。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在該阻值的定值電阻下， 紅外探測(cè)器的靈敏度更高，延遲更小。
[0013] 優(yōu)選的，所述用于讀取大鼠腦電信號(hào)的裝置為頭皮記錄電極。頭皮記錄電極可以 通過(guò)貼合在頭皮上獲得頭皮的腦電信號(hào)，不需要通過(guò)手術(shù)植入電極，對(duì)大鼠沒(méi)有造成創(chuàng)傷， 沒(méi)有引入更多的影響因素，更加方便操作。
[0014] 所述紅外線識(shí)別系統(tǒng)的使用方法，包括如下步驟：
[0015] 1)當(dāng)大鼠在跑步機(jī)上跑動(dòng)時(shí)，觀察大鼠的行為，并將紅外探測(cè)器設(shè)置在大鼠特定 行為發(fā)生位置的相應(yīng)位置上；用以記錄大鼠的特定行為。
[0016] 2)跑步機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)，使大鼠在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)，將大鼠的特定行為記錄在大鼠的腦 電信號(hào)中，分析大鼠的特定行為與腦電信號(hào)之間的關(guān)系。
[0017] 優(yōu)選的，步驟1)中，大鼠的特定行為為邁前肢、抬頭或失誤等?？梢詫⒋笫蟮奶囟?行為與大鼠的相應(yīng)的腦電信號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)，更加有利于研究大鼠的行為。
[0018] 優(yōu)選的，步驟2)中，跑步機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為12r/min。在該旋轉(zhuǎn)速度下，大鼠連續(xù) 跑動(dòng)，可以保證較好的實(shí)驗(yàn)效果，更好的分析大鼠連續(xù)跑動(dòng)、特定行為與腦電信號(hào)之間的關(guān) 系。
[0019] 所述大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)在建立帕金森綜合癥大鼠行為學(xué)量化評(píng)價(jià)體系中 的應(yīng)用。
[0020] 本系統(tǒng)可以用于建立帕金森綜合癥大鼠行為學(xué)量化評(píng)價(jià)體系，進(jìn)而根據(jù)評(píng)價(jià)體系 得出大鼠病情的嚴(yán)重程度。
[0021] 紅外識(shí)別的原理：
[0022] 紅外探測(cè)器與Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)字輸入端口（Digital Input)相連，正常 處于導(dǎo)通狀態(tài)而輸出高電平（5V)，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)（即被目標(biāo)物阻擋時(shí)）因電路中斷而輸 出低電平（OV)，該低電平觸發(fā)信號(hào)采集系統(tǒng)，從而記錄為一次"事件"。
[0023] 本發(fā)明的有益效果：
[0024] (1)跑步機(jī)手工驅(qū)動(dòng)，有效地避免了電驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)電磁場(chǎng)對(duì)腦電信號(hào)的干擾；
[0025] (2)紅外探測(cè)器與信號(hào)采集系統(tǒng)配合，可以檢測(cè)跑步機(jī)轉(zhuǎn)速，也可以檢測(cè)大鼠特定 運(yùn)動(dòng)行為，并以"事件"的形式同步記錄在腦電信號(hào)中，用于分析大鼠特定運(yùn)動(dòng)行為下腦電 信號(hào)的變化；
[0026] (3)本發(fā)明的跑步機(jī)，便于靈活地控制大鼠連續(xù)運(yùn)動(dòng)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，不再依 賴食物形成條件反射，有效地避免了咀嚼干擾腦電信號(hào)；
[0027] (4)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，并且便于靈活搬動(dòng)。
[0028] (5)可以量化評(píng)價(jià)患病大鼠運(yùn)動(dòng)缺陷癥，比如帕金森綜合癥、癲癇等。
[0029] (6)可以用于創(chuàng)建大鼠行為學(xué)量化評(píng)價(jià)體系。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的跑步機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為實(shí)施例3中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠在不同轉(zhuǎn)速評(píng)測(cè)中最長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間比較示意 圖；
[0032] 圖3為實(shí)施例3中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠在不同轉(zhuǎn)速測(cè)評(píng)中步頻比較示意圖；
[0033] 圖4為實(shí)施例3中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠在不同轉(zhuǎn)速評(píng)測(cè)中失誤次數(shù)比較示意圖；
[0034] 圖5為實(shí)施例3中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠在不同轉(zhuǎn)速評(píng)測(cè)中不連續(xù)運(yùn)動(dòng)頻率比較示 意圖；
[0035] 圖6為頭皮腦電信號(hào)截取片段；
[0036] 圖7為紅外探測(cè)器的原理示意圖。
[0037] 其中，1、轉(zhuǎn)輪，2、紅外探測(cè)器，3、滾筒，4、阻擋桿，5、轉(zhuǎn)桿，6、支架，7、數(shù)據(jù)傳輸線。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0039] 一種大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)，包括記錄顯示器、跑步機(jī)、Plexon信號(hào)采集系統(tǒng) (購(gòu)買于美國(guó)Plexon公司，是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的采集腦電信號(hào)的機(jī)器，可以采集大鼠 活體狀態(tài)下的腦電信號(hào)，并且可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，用于后續(xù)分析；傳統(tǒng)的技術(shù)只能采集麻 醉狀態(tài)的腦電信號(hào)，但麻醉劑會(huì)對(duì)腦電信號(hào)產(chǎn)生影響）、若干個(gè)紅外探測(cè)器2以及用于讀取 大鼠腦電信號(hào)的裝置，其中，跑步機(jī)上設(shè)置阻擋桿4, 一個(gè)紅外探測(cè)器2與阻擋桿4的位置對(duì) 應(yīng)設(shè)置；其他紅外探測(cè)器2分別與大鼠的行為發(fā)生處對(duì)應(yīng)安裝；所有紅外探測(cè)器2和用于 讀取大鼠腦電信號(hào)的裝置均與Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)連接，Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)與記錄顯 示器連接，將大鼠的特定行為同步記錄在大鼠的腦電信號(hào)中。
[0040] 如圖1所示，跑步機(jī)為手搖式跑步機(jī)，其包括轉(zhuǎn)桿5、用于供大鼠跑步的滾筒3以及 安裝在滾筒3 -側(cè)的阻擋物，所述轉(zhuǎn)桿5與滾筒3連接，用以控制滾筒3轉(zhuǎn)速。跑步機(jī)的阻 擋物為阻擋桿4。
[0041] 滾筒3的兩側(cè)還可以分別設(shè)置有轉(zhuǎn)輪1，所述阻擋桿4安裝在轉(zhuǎn)輪1上。
[0042] 與阻擋桿4相對(duì)應(yīng)的紅外探測(cè)器2安裝在于跑步機(jī)的一側(cè)，阻擋桿4在轉(zhuǎn)輪1的 帶動(dòng)下每旋轉(zhuǎn)一周都會(huì)阻擋紅外探測(cè)器2的光線，根據(jù)時(shí)間，得到跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0043] 如圖7所示，紅外探測(cè)器2包括紅外避障傳感器和和阻值1ΚΩ的上拉電阻，上拉 電阻與紅外避障傳感器信號(hào)輸出端連接。
[0044] 紅外探測(cè)器2與Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)字輸入端口（Digital Input)的連接， 正常處于導(dǎo)通狀態(tài)而輸出高電平（5V)，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)（即被目標(biāo)物阻擋時(shí)）因電路中斷 而輸出低電平（OV)，該低電平觸發(fā)Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)，從而記錄為一次"事件"。
[0045] 實(shí)施例1
[0046] 使用所述大鼠行為紅外線識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，包括如下步驟：
[0047] 1)訓(xùn)練帕金森綜合癥大鼠，使大鼠形成在跑步機(jī)上連續(xù)跑動(dòng)的條件反射；
[0048] 實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)跑步機(jī)訓(xùn)練，跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速為12r/min，實(shí)驗(yàn)者目視秒表，手 持轉(zhuǎn)桿，每5s勻速旋轉(zhuǎn)1圈，連續(xù)旋轉(zhuǎn)30min ;訓(xùn)練大鼠連續(xù)運(yùn)動(dòng)，控制跑步機(jī)向大鼠頭部 方向旋轉(zhuǎn)，由于恐懼，大鼠迅速轉(zhuǎn)身并跑動(dòng)，多次訓(xùn)練后，大鼠消除恐懼心理，形成條件反 射，在跑步機(jī)上連續(xù)跑動(dòng)。
[0049] 2)當(dāng)大鼠在跑步機(jī)上連續(xù)跑動(dòng)時(shí)，觀察大鼠的行為（伸前肢），記下大鼠行為發(fā)生 的位置；將紅外探測(cè)器設(shè)置在大鼠行為發(fā)生位置的相應(yīng)位置上，當(dāng)大鼠伸前肢時(shí)，阻擋紅外 探測(cè)器的光線，系統(tǒng)會(huì)以"事件"的形式記錄，進(jìn)而記錄下大鼠的特定行為；
[0050] 3)勻速啟動(dòng)跑步機(jī)，用Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)記錄大鼠的腦電信號(hào)，使大鼠在跑步 機(jī)上連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并將大鼠的特定行為同步記錄在大鼠的腦電信號(hào)中，如果大鼠伸前肢，則通 過(guò)紅外探測(cè)器將信號(hào)傳遞到Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)，Plexon信號(hào)采集系統(tǒng)將信號(hào)輸出到計(jì) 算機(jī)進(jìn)行顯示，顯示的形式為在大鼠的腦電信號(hào)中打了一次標(biāo)。
[0051] 通過(guò)分析打標(biāo)的位置和相應(yīng)位置處大鼠的腦電信號(hào)，就可以知道帕金森綜合癥大 鼠在做邁前肢時(shí)的動(dòng)作時(shí)，其腦電信號(hào)是怎樣的。
[0052] 實(shí)施例2
[0053] 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)施例1是相同的，不過(guò)實(shí)驗(yàn)用大鼠改用患有癲癇的大