清醒大/小鼠视觉目标主动关注训练系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103314871 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103314871 A *CN103314871A* (21)申请号 201310263320.1 (22)申请日 2013.06.28 A01K 15/02(2006.01) (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市高新区科学大道 100 号郑州大学电气工程学院 (72)发明人 师黎 万红 李志辉 尚志刚 刘新玉 陈书立 张磊 (74)专利代理机构 郑州异开专利事务所 ( 普通 合伙 ) 41114 代理人 韩华 (54) 发明名称 清醒大 / 小鼠视觉目标主动关注训练系统 (。

2、57) 摘要 本发明公开了一种清醒大 / 小鼠视觉目标主 动关注训练系统， 包括主控单元、 行为限制高台、 视觉刺激呈现单元、 红外眼动监控单元、 基本控制 器、 给水奖励单元、 视频监控单元。本发明优点在 于有效提高受试动物对视觉目标的主动关注， 缩 短受试大 / 小鼠建立关注视觉目标与行为反馈之 间条件反射的时间， 延长实验过程中受试大 / 小 鼠对视觉目标的主动关注时间。同时本发明支持 多种视觉认知实验范式， 易于扩展， 通用性强。本 发明在视觉系统神经元编码、 脑认知功能、 药物评 估、 神经网络可塑性等研究领域具有重大的应用 价值和实验需求。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 。

3、页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103314871 A CN 103314871 A *CN103314871A* 1/1 页 2 1. 一种清醒大 / 小鼠视觉目标主动关注训练系统， 其特征在于 ： 包括主控单元 （12） 、 行为限制高台、 视觉刺激呈现单元、 红外眼动监控单元、 基本控制器 （11） 、 给水奖励单元、 视 频监控单元 ； 所述行为限制高台由伸缩支架 （1） 和设置在其顶部的上开口凹槽 （2） 及设置 在所述上开口凹槽 （2） 内的食盘 （3） 、。

4、 微动开关组成 ； 所述视觉刺激呈现单元为间隔设置在 上开口凹槽 （2） 一侧支架 （4） 上的显示屏 （5） ； 所述红外眼动监控单元为设置在上开口凹槽 （2） 前上方用于监控大鼠眼睛动作的红外视频监控器 （6） ； 所述视频监控单元为设置在训 练场后上方用于训练场监控的视频监控器 （7） ； 所述给水奖励单元为设置在上开口凹槽 （2） 上方的储水瓶 （8） ， 所述储水瓶 （8） 的出水管 （9） 延伸至所述食盘 （3） 位置， 在所述出水管 （9） 上设置有电控阀 （10） ； 所述主控单元视频输入端分别与红外视频监控器 （6） 、 视频监控 器 （7） 输出端连接 ； 主控单元视频输出。

5、端与显示屏 （5） 连接 ； 主控单元通信接口与所述基本 控制器 （11） 连接 ； 基本控制器 （11） 输入、 输出接口分别与所述微动开关、 电控阀驱动电路 控制端连接。 2. 根据权利要求 1 所述的清醒大 / 小鼠视觉目标主动关注训练系统， 其特征在于 ： 所 述行为限制高台的上开口凹槽 （2） 为弧形槽， 所述食盘 （3） 设置在上开口弧形凹槽的一端， 所述微动开关设置在食盘 （3） 的前方， 上开口凹槽 （2） 采用插槽式结构固定于调伸缩支架 （1） 的托板 （13） 上。 权 利 要 求 书 CN 103314871 A 2 1/3 页 3 清醒大 / 小鼠视觉目标主动关注训练系。

6、统 技术领域 0001 本发明涉及神经生理学和认知行为学领域， 尤其是涉及清醒大 / 小鼠视觉目标主 动关注训练系统。 背景技术 0002 大 / 小鼠是视觉神经系统功能和视觉认知行为功能研究中最常用的模式动物， 在 实验过程中通常都需要受试大 / 小鼠能够对视觉刺激目标进行主动关注。在视觉神经系统 功能研究中， 神经元如何对视觉刺激进行编码表征具有重要价值， 实验中需要保证视觉刺 激在受试动物的视野中处于相对不变的位置。目前对于麻醉状态的大 / 小鼠视觉系统神经 元编码特性已有非常深入广泛的研究， 但清醒状态下神经元编码特性会受到更多认知因素 的调节， 具有更大的研究价值， 因此受到国内外研。

7、究者的高度关注。目前， 在清醒大 / 小鼠 视觉系统神经元编码特性研究中， 主要采用受试动物头部固定的方法， 使用植入式铁片将 大 / 小鼠头部固定于立体定位仪上， 身体强制束缚在形状固定的束缚圆筒内或四肢置于可 滚动的球体上。 这些方法虽然可以保证动物的头部、 视野都处于相对不变的位置， 但实验过 程中容易对动物产生生理和心理上的影响， 如引起动物挣扎、 烦躁、 疼痛等 ； 同时这种让动 物 “被动” 进行视觉目标感知的实验状态会导致其他皮层对视皮层神经活动的复杂调制， 使 分析得到的视觉系统神经元视觉刺激编码特性存在较大偏倚。 0003 此外， 在采用大 / 小鼠进行视觉认知行为功能研究中。

8、， 通常利用某种视觉线索 来强化受试动物的特定选择行为， 受试动物对视觉目标的主动关注在计划诱导操作行为 （schedule-induced operant） 任务中起到关键作用， 在视觉认知行为实验中首先需要训练 受试动物能够对视觉目标进行主动关注。 0004 目前， 对大 / 小鼠视觉认知行为实验装置中多采用空间狭小的实验箱， 以减小处 于自由活动状态的受试动物空间探索时间和其他感知因素的干扰， 但这种方法一方面很难 保证当视觉目标出现时动物正在 “看” ， 导致大量的无效试次， 以及受试动物关注屏幕的训 练时间延长 ； 另一方面， 目前采用大 / 小鼠进行视觉认知行为实验研究时结合植入式。

9、微电 极采集分析神经信号已成为该领域主流趋势， 但让受试动物在空间狭小的实验箱体内自由 活动很容易碰损电极， 同时， 受试动物从关注视觉线索、 做出行为反馈、 到最终获得奖励的 时程也较长， 很难确定在神经信号中哪些时间窗口正对应于受试动物进行视觉目标认知的 状态。 0005 因此， 需要研制一种既能够使受试清醒大 / 小鼠在实验过程中处于一种自然状 态， 还能够有效限制其活动空间， 便于训练受试动物对视觉目标进行主动关注， 缩短视觉目 标与行为响应之间条件反射建立时间的自动化训练系统， 但目前还未见诸有关这方面的报 道。 发明内容 0006 本发明目的在于提供一种清醒大 / 小鼠视觉目标主动。

10、关注训练系统， 达到有效提 说 明 书 CN 103314871 A 3 2/3 页 4 高受试大鼠对视觉目标的主动关注， 缩短受试大鼠建立关注视觉目标与行为反馈之间条件 反射的时间， 延长实验过程中受试大鼠对视觉目标的主动关注时间。 0007 为实现上述目的， 本发明采取下述技术方案 ： 本发明所述的清醒大 / 小鼠视觉目标主动关注训练系统， 包括主控单元、 行为限制高 台、 视觉刺激呈现单元、 红外眼动监控单元、 基本控制器、 给水奖励单元、 视频监控单元 ； 所 述行为限制高台由伸缩支架和设置在其顶部的上开口凹槽及设置在所述上开口凹槽内的 食盘、 微动开关组成 ； 所述视觉刺激呈现单元为。

11、间隔设置在上开口凹槽一侧支架上的显示 屏 ； 所述红外眼动监控单元为设置在上开口凹槽前上方用于监控大鼠眼睛动作的红外视频 监控器 ； 所述视频监控单元为设置在训练场后上方用于全局监控的视频监控器 ； 所述给水 奖励单元为设置在上开口凹槽上方的储水瓶， 所述储水瓶的出水管延伸至所述食盘位置， 在所述出水管上设置有电控阀 ； 所述主控单元视频输入端分别与红外视频监控器、 视频监 控器输出端连接 ； 主控单元视频输出端与显示屏连接 ； 主控单元通信接口与所述基本控制 器连接 ； 主控单元控制输入、 输出接口分别与所述微动开关、 电控阀驱动电路控制端连接。 0008 所述行为限制高台的上开口凹槽为弧形。

12、槽， 所述食盘设置在上开口弧形凹槽的一 端， 所述微动开关设置在食盘的前方， 上开口凹槽采用插槽式结构固定于高度灵活可调伸 缩支架的托板上。 0009 本发明优点在于有效提高受试动物对视觉目标的主动关注， 缩短受试大 / 小鼠建 立关注视觉目标与行为反馈之间条件反射的时间， 延长实验过程中受试大 / 小鼠对视觉目 标的主动关注时间。同时本发明支持多种视觉认知实验范式， 易于扩展， 通用性强。本发明 在视觉系统神经元编码、 脑认知功能、 药物评估、 神经网络可塑性等研究领域具有重大的应 用价值和实验需求。 附图说明 0010 图 1 是本发明的结构示意图。 0011 图 2 是本发明的控制电路原。

13、理框图。 具体实施方式 0012 如图1、 2所示， 本发明所述的清醒大/小鼠视觉目标主动关注训练系统， 包括主控 单元 12、 行为限制高台、 视觉刺激呈现单元、 红外眼动监控单元、 基本控制器 11、 给水奖励 单元、 视频监控单元 ； 所述行为限制高台利用大 / 小鼠 “悬崖趋避” 效应在限制大 / 小鼠活 动空间的同时使其处于自然状态， 有效减小其他感知信息的干扰。所述行为限制高台由高 度灵活可调的伸缩支架 1 和插装在其顶部托板 13 上弧形结构的上开口凹槽 2， 及设置在所 述上开口凹槽 2 内一端的食盘 3、 微动开关组成 ； 所述微动开关设置在食盘 3 的前方。所述 视觉刺激呈。

14、现单元为间隔设置在上开口凹槽 2 一侧支架 4 上的显示屏 5 ； 所述红外眼动监 控单元为设置在上开口凹槽 2 上方的红外视频监控器 6， 用于同步记录分析视觉认知行为 学习训练实验过程中受试大 / 小鼠的眼动状态， 为主控单元提供受试动物是否注视期望目 标图像的条件信息。所述视频监控单元为设置在训练场上方的视频监控器 7， 由微光高清 摄像头和数据采集装置构成， 与主控单元连接， 用于受试动物视觉认知行为学习训练过程 的监控或无人值守时的实验过程回放。所述给水奖励单元为设置在上开口凹槽 2 上方的储 说 明 书 CN 103314871 A 4 3/3 页 5 水瓶 8， 所述储水瓶 8 。

15、的出水管 9 延伸至所述食盘 3 位置， 在所述出水管 9 上设置有用于供 水的电控阀 10 ； 给水奖励单元利用 “水剥夺” 受试动物对水的生理需求， 奖励采用电控阀给 水， 给水量易于控制且不容易发生执行机构阻塞， 同时给水奖励不会造成受训动物成瘾和 负面效应， 提高训练的准确率和训练速度。所述主控单元视频输入端分别与红外视频监控 器 6、 视频监控器 7 输出端连接 ； 主控单元视频输出端与显示屏 5 连接 ； 主控单元通信接口 与所述基本控制器 11 连接 ； 主控单元控制输入、 输出接口分别与所述微动开关、 电控阀驱 动电路控制端连接。 0013 主控单元主要用来对红外眼动视频监控单。

16、元传回的图像 （每秒30帧） 进行瞳孔定 位、 眼动分析和训练数据处理。 数据分析采用瞳孔定位和轨迹追踪算法， 当眼动位移小于设 定阈值时， 主控单元设置眼动状态信号为有效， 否则为无效。 数据分析同时还对各实验试次 的检测数据进行统计分析， 计算行为响应潜伏期、 触碰正确率等指标， 当受试达到训练要求 或无法完成训练时给予实验者语音提示， 自动完成整个训练过程。 0014 本发明训练方法简述如下 ： 受试动物对视觉目标主动关注训练循序渐进分为以下三个阶段， 各阶段的训练目的、 训练模式和奖励控制条件设置如下 ： 第一阶段 ： 奖励训练 训练目的 ： 受试大 / 小鼠适应高台不发生坠落， 并学。

17、会碰触微动开关获得给水奖励。 0015 训练模式 ： 1、 受试适应高台环境， 保证不发生坠落， 此阶段视觉刺激呈现单元无视觉刺激且等间 隔给水奖励模式 ； 2、 受试控水后置于行为限制高台上， 此阶段视觉刺激呈现单元全灰屏显示， 当触发微 动开关时施加给水奖励。 0016 奖励控制条件 ： 触发微动开关即认为行为响应正确， 给予奖励 ； 第二阶段 ： 视觉关注反射建立 训练目的 ： 建立当显示屏幕上出现图像时进行触碰微动开关行为的条件反射。 0017 训练模式 ： 视觉刺激为试次开始后呈现图像， 超过图像刺激呈现时长后显示屏灰 屏显示。 0018 奖励控制条件 ： 整个试次内无触碰微动开关行为视为无效试次。 有效试次中， 在试 次周期内图像呈现期间同步记录分析受试眼动状态， 若显示屏图像时段内关注屏幕且切换 至灰屏时段后触碰微动开关则给予奖励。 说 明 书 CN 103314871 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103314871 A 6 。