CN102119669A - 采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统 - Google Patents
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Abstract
一种采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，克服了现有迷宫训练系统如Y-maze、T-maze检测中的偏侧优势的不足。它包括迷宫装置及刺激装置，其技术要点是：迷宫装置的箱体底部设置由电机驱动的转盘，电机设置于中心柱体上，且其输出轴沿中心柱体轴向与转盘紧固连接，则转盘在电机带动下绕所述中心柱体转动，箱体边框下部周边设有若干支撑所述转盘的滑轮，转盘上方设有筛状支撑网，刺激装置包括自动化机械臂刺激装置和遥控刺激装置。与现有迷宫模型相比，转盘旋转驱动作用温和，更符合动物正常生理行为学活动的实际。刺激装置分别实现对实验动物的奖惩，具有定位准确、刺激及时、刺激种类齐全、无创伤、操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种有关研究建立动物学习和记忆行为训练方法的模型，特别是一种采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统。可应用于神经生理学、神经药理学和心理学等领域。
背景技术
目前，动物行为实验是研究脑高级功能及其他神经科学的不可缺少的重要手段，尤其在神经生理学、神经药理学等行为医学研究方面具有更重要地位。其中迷宫实验是行为实验的经典项目，是研究大鼠(或小鼠)学习记忆功能最常用的实验之一，也是认知药物筛选常用的动物模型。
在迷宫任务中，迷宫装置的仪器本身可以告知动物需要它们怎么做（ 类似于人类实验的指导语）。在该任务中，研究者一般都会提到工作记忆和参照记忆（Reference Memory）这两个概念。动物要完成一次任务， 首先需要的是参照记忆，它反映了动物对任务中各个试次（Trial）间相关信息的学习（ 比如空间线索位置、迷宫的样子和实验规则等），因此动物在形成参照记忆的过程中， 参照信息应该存在于每次实验过程中。在实验室情境中，动物的工作记忆是指在每轮（Session）实验中不同的试次之间保留信息的能力。比较而言，工作记忆在各个试次之间是不同的，是动物保持每个试次信息（刚到过的地方） 的记忆能力。一个试次之后， 大鼠能够擦掉这次特定的工作记忆，但保持参照记忆不变。因此工作记忆只在一个试次中起作用，参照记忆则属于长时记忆。
现有的迷宫装置主要有以下几种：1、旱迷宫测量动物工作记忆模型：旱迷宫主要是指各种辐射迷宫（radial arm maze）、Y迷宫、T迷宫等。Y、T型迷宫和 Barnes迷宫实验未提供奖惩条件，完全是利用动物探索的天性，这类迷宫任务是在动物饥饿动机驱动下学习记忆的，因此实验前一周内要严格控制动物的食物摄取量，使其体质量减轻至原来的85％左右。但此方法存在的问题就是动物的绕臂行走天性和饥饿程度等非学习因素对实验结果存在影响。
2、水迷宫测量动物工作记忆模型：经典的水迷宫模型是Morris水迷宫（Morris water maze，MWM），利用动物避免水淹而寻找站台的逃生动机进行学习记忆任务。另外在旱迷宫的基础上可以往实验装置里加入水，形成8臂辐射水迷宫或T水迷宫、Y水迷宫等，以消除气味线索对实验成绩的影响。利用水迷宫进行行为测试时，不需要控制动物饮食饮水；动物训练所需的时间较短，约1周；可以利用计算机建立图像自动采集和分析系统，这就能根据所采集的数据，制成相应的直方图和运行轨迹图，便于研究者对实验结果作进一步分析和讨论等。但MWM的缺点在于动物游泳的潜伏期与其运动机能状态密切相关，所以影响动物运动机能的药物和动物本身的状态都有可能影响实验的正常结果。另外，由于需要监视系统及分析软件，只有少数装备较好的实验室可以开展工作。实验程序的设计需要考虑的因素较多，同时需要实验者具备一定的神经生理学、认知生理学和数理统计方面的知识，给实验的开展和结果的解释带来困难，同时也限制了该迷宫的深入广泛的应用；由于体力消耗太大，体温也丧失过多，年老体弱鼠完成任务较困难；并非所有鼠株都适合于Morris迷宫测试，如BALB/c不能学会该任务（成绩并不随天数的增加而进步，129/SvJ的学习成绩也偏差；个体间的成绩差异巨大；某些株，如129/SvJ株的小鼠由于有年龄相关性视路病变，在衰老时完成以视觉为基础的学习记忆任务时就会出现困难。在C57BL/6株，由于严重的秃头症存在，可能使某些小鼠产生抑郁，加上溃疡性皮炎，最终可能影响小鼠的游泳能力而影响实验成绩；对轻微的学习记忆能力的减退，该迷宫程序可能不敏感；将动物浸入水中可能引起内分泌或其它应激效应。后者与脑损害或药理学操作间的相互作用具有不确定性；经过自动监视系统的操作仍需要借助于手工才能完成，这可能使实验变得一些乏味；所占实验场地过大。
3、其他鼠行为模型：一次性被动回避和跳台（ 或爬杆） 模型是两种较简单的研究学习记忆的模型，适用于研究记忆保持和记忆巩固。这两个模型都是记录动物在遭受一次电击后多长时间不进入给电击的小室或不跳下平台来测验记忆的保持和巩固的；新物体识别实验是一种测量动物非空间工作记忆能力的模型，利用了动物先天对新物体有探索倾向的原理。在测试期内，如果动物记住了旧物体，则动物对旧物体的探索时间要少于新物体。
综上，上述经典的迷宫训练系统仍存在着不同程度的局限性，人为因素较多，技术操作烦琐，缺少电、声音（噪音）和光等条件刺激的综合影响因素等。为解决上述问题，本申请人经过不断研究，公开了专利申请号为“CN200610045868.9”的技术方案：一种鼠的听觉、视觉记忆模型及智能化行为检测系统，该鼠的听觉、视觉记忆模型包括带有数据采集区、目的区及其连接通道的迷宫，该迷宫采用多通道闭合回路的圆形暗箱式迷宫，在其带有上盖和栅栏底的箱体内，通过隔板将箱体内腔分隔成至少三个测试区，其中一个为目的区，其余数据采集区，每个隔板底部等间距分布外观相同的带有可调式单向门的洞形通道，每个洞形通道门侧置有两组红外发射、接收光电元件，被隔离的各区内分别设置可控灯光照明，各区的栅栏底分别设置随机控制的产生不同梯度电压带的电击导体，在箱体中间立柱上部控制箱内设置强光发生装置、噪音发生装置和视频跟踪头。该听觉、视觉记忆模型利用可控灯光照明适应鼠的趋暗习性，使其在箱体内进行自主运动，结合电击导体产生的不同梯度电压带，以电击刺激进行驱动来随机控制鼠的被动运动，对禁食及非禁食鼠都适用。与现有水迷宫强迫动物游泳的训练不同，采用鼠自然活动模式的自主运动和梯度电压被动驱动相结合，防止受试鼠接受单一电刺激后远离指定通道，避免模型动物在数据采集装置各区停留时间不一致，使时间类数据更为准确。迷宫各通道门侧的红外发射、接收光电元件能实时、准确地检测动物在迷宫中的行踪。然而本申请人在使用过程中发现该迷宫训练系统仍存在以下不足：电击刺激进行驱动其作用不够温和，梯度电压的被动驱动容易对实验动物产生不同程度的损害，且设置较为复杂；另外，装置不够完善，实验动物可能会凭借气味完成实验；刺激系统仍存在刺激仍不够及时、不够准确，刺激装置单一、电刺激---有创刺激等对实验动物产生较大的副作用、操作不便的问题。上述缺点均会影响实验结果，影响实验数据的准确性。
综上所述，依据建立动物学习和记忆行为训练方法的模型的实际需要，现有的迷宫训练系统仍需改进。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种设计更为合理的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，克服了现有迷宫训练系统如Y-maze、T-maze检测中的偏侧优势的不足。与现有暗箱式迷宫模型相比，底盘（转盘）旋转驱动作用温和，更符合动物正常生理行为学活动的实际，对实验动物不会产生损害，另外采用自动冲洗排水系统有效防止动物凭借气味来完成实验，加权了Morris水迷宫和Y-maze、旱迷宫各自的长处；刺激系统分别采用自动化机械臂刺激装置和无线遥控刺激装置实现对实验动物的奖惩，具有定位准确、刺激及时、刺激种类齐全、无创伤、操作方便的优点。
本发明的技术方案是：一种采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，包括迷宫装置及刺激装置，所述迷宫装置的圆形箱体内壁与中心柱体之间设置若干隔板，从而将所述箱体分隔成若干数据采集区、目的区，每个隔板底部均布外观相同的门洞，其技术要点是：所述迷宫装置的箱体底部设置由电机驱动的转盘，所述电机设置于中心柱体上，且其输出轴沿中心柱体轴向与所述转盘紧固连接，则所述转盘在所述电机带动下绕所述中心柱体转动，所述箱体边框下部周边设有若干支撑所述转盘的滑轮；所述转盘上方设有筛状支撑网；
所述刺激装置包括自动化机械臂刺激装置和遥控刺激装置；
所述自动化机械臂刺激装置包括直角坐标机器人定位系统、PLC控制系统、实验鼠位置检测系统、刺激系统四个部分；所述实验鼠位置检测系统由分别放置在所述迷宫装置的门洞的四个光电对射传感器构成，每两个所述光电对射传感器作为一个单元在所述门洞上、下排列，两个传感器单元在所述门洞前、后放置形成两个检测点；所述刺激系统包括三种末端刺激机构，所述末端刺激机构为附带三种管道的机械臂，三种所述管道分别对应水、气体、食物刺激，并通过所述PLC控制系统分别实现控制水、气体、食物的供给，所述机械臂三管道端部分别设置电磁阀，所述电磁阀自动开启后，释放相应的刺激；
所述遥控刺激装置包括电刺激、声刺激、机械振动刺激模块，无线发射模块、无线接收模块和继电器驱动模块，所述电刺激、声刺激、机械振动刺激模块、无线发射模块、无线接收模块和继电器驱动模块组装在一起后固定在实验鼠身体外侧捆绑的载体上，所述无线发射模块根据采集到的实验鼠的过门信号发射无线信号，所述无线接收模块接收到所述无线信号后，确定刺激类型并启动所述继电器驱动模块，对所述实验鼠实现相应的电刺激、声刺激、机械振动刺激或组合刺激。
所述迷宫装置的转盘下方设有水槽形成粪便收集处理装置，所述水槽上沿周边布置有水管，所述水管上均匀开设喷淋口，所述水槽底部设有支撑架和下水口，所述水槽内设有水刷，所述所述箱体边框下方设置带有滑轮的支架，所述水刷上部固定在所述转盘底部，其下部刷体与所述水槽侧壁和槽底部接触，当所述转盘转动的同时，所述水刷随之转动，则下部刷体可对所述水槽进行刷洗。
所述迷宫装置的电路控制系统包括电源、单片机、视嗅觉控制器、自动冲洗排水系统控制器；所述自动冲洗排水系统控制器接收到所述单片机发出控制信号后，其电动阀门控制器控制安装在所述粪便收集处理装置上的电动阀开启或关闭，使所述粪便收集处理装置的水槽上沿布置的水管与水源连通或阻隔，定时冲洗所述水槽，污水从所述水槽下水口流出；所述单片机同时发送信号给控制所述转盘的电机，实现转盘的旋转运动；所述视嗅觉控制器同时控制液晶屏LCD和气味控制器，所述单片机在检测到嗅觉信号后，所述气味控制器通过空气压缩机、控制阀、气味发生器、减压阀将新鲜空气传送至机械臂，再由训练系统的机械臂输送至迷宫位置内设置的气味罐。
所述迷宫装置的隔板数目为6，并将所述圆形箱体等角度分隔成A、B、C、D、E、F六个区间，其中数据采集区5个、目的区1个，每个所述隔板下方分别等间距分布4个门洞，各区间的所述隔板上设有液晶屏，所述目的区设有食物槽。
所述自动化机械臂刺激装置的直角坐标机器人定位系统采用快速直线定位机构搭建，分为X、Y、Z三个运动方向，且X、Y、Z方向均采用由同步齿形带驱动的直线定位单元构成，其驱动动力由伺服驱动系统提供，实现在空间内任意一点的准确定位。
所述自动化机械臂刺激装置的PLC控制系统包括CPU模块、运动控制模块，所述CPU模块和运动控制模块通过主基板进行通讯，所述CPU模块根据所述实验鼠位置检测系统提供的位置信号判断出实验鼠的当前位置，并与所述直角坐标机器人定位系统的当前位置进行比对，并计算出两者之间的运行路径，由所述运动控制模块发出运动指令给所述伺服驱动系统，所述伺服驱动系统驱动所述直角坐标机器人定位系统的末端刺激机构运行到相应的位置。
所述自动化机械臂刺激装置的机械臂末端还设有移动液晶屏。
所述遥控刺激装置的无线发射模块包括无线遥控发射头ICl、时基集成电路IC2、二极管D10、电位器W、手动开关K1、K2、K3和单片机IC7；所述无线接收模块包括无线遥控接收头IC3、译码集成芯片IC4；所述继电器驱动模块包括单片机IC6、继电器Ja、Jb、Jc；
所述无线发射模块采用单片机IC7控制时基集成电路IC2，二极管D10为发射指示灯，当所述单片机IC7的P3.7引脚输出高电平时，时基集成电路IC2的相应引脚为低电位，所述时基集成电路IC2处于复位状态，所述无线遥控发射头ICl无信号输出，二极管D10指示灯灭；当所述单片机IC7的P3.7引脚输出低电平时，所述时基集成电路IC2处于正常工作状态，所述无线遥控发射头ICl发送N次有时间间隔的一组无线信号，二极管D10指示灯亮，N≥1；
所述无线接收模块利用所述无线遥控接收头IC3接收每一组无线信号，所述继电器驱动模块的单片机IC6根据无线信号的次数N来识别所选的刺激类型，进而控制对应的所述继电器Ja、Jb、Jc常开触头吸合，实现刺激动作。
所述遥控刺激装置的手动开关K1、K2、K3分别对应声刺激、振动刺激和电刺激选择，所述无线发射模块的单片机IC7根据所述手动开关K1、K2、K3的设定状态，控制所述时基集成电路IC2发送相应次数的无线信号。
所述实验鼠身体外侧捆绑的载体为有弹性的帆布，所述帆布上还设有刺激电极，所述帆布两端设有粘结扣。
本发明的优点及积极的技术效果是：本发明在充分吸纳经典迷宫训练系统的优点的基础上，改进了现有的暗箱式迷宫装置并为其开发出新的刺激装置加以配置，使其实验效果更加突出，实验数据更为准确。主要体现在以下方面：1、暗箱式迷宫装置的箱体底部带有电压梯度的栅栏替换为精巧的底盘（转盘）旋转圆形设计，即将电极驱动改进为旋转驱动，不会对实验动物产生任何损害，这种鼠自主运动和底盘旋转驱动相结合的方式作为受试动物探究反应的动机，作用温和，对禁食或非禁食鼠都适用，更符合动物正常生理行为学活动的实际；并且每轮实验中试次之间不需将被试放回起始点，这样可以不中断地完成整轮实验，在一定程度上克服了动物在Y-maze、T-maze检测中的偏侧优势的不足；2、在迷宫装置箱体下部即转盘下方设有水槽形成粪便收集处理装置（自动冲洗排水系统），可以消除迷宫装置内（如门洞口）的气味，进而有效防止动物凭借气味来完成实验，加权了Morris水迷宫和Y-maze、旱迷宫（Barnes 迷宫）各自的长处；3、本发明的刺激系统的刺激种类齐全，包括声、光、电、水、气体、食物、图像及气味等刺激；分别采用了自动化机械臂刺激装置和无线遥控刺激装置实现对实验动物的奖惩，其中自动化机械臂刺激装置定位准确、刺激及时，在检测到实验动物的过门信号后，即可对其进行水、气、食物、图像的单一刺激或组合刺激，而无线遥控刺激装置设置于捆绑在实验动物身体上的载体，可实现对实验动物的电、机械振动、声刺激，改变了以往刺激装置的创伤性缺点，同时可实现遥控刺激，具有无创伤、操作方便的优点，各刺激单元同步工作，可使实验动物有置身于真实环境的感觉刺激；4、本发明利用计算机建立图像、数据自动采集和分析系统时，借助于局域网和Internet依据访问权限实现了远程监控，可按照实验动物夜间活动习性程控进行星光检测，定时旋转（间隔1-2h）和图像、数据自动采集，利用鼠夜间活动和探索的天性观察检测，对动物的应激较小，因此能在一定程度上减少实验结果的混杂因素；5、预适应阶段前移：被试动物在饲养阶段就可生活在和检测系统外观完全一样的迷宫内，让其自断奶始适应环境，而不是在实验时才取出使其熟悉环境。
附图说明
结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的功能框图；
图2是本发明采用的迷宫装置的具体结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明的迷宫装置的电路控制框图；
图5是迷宫装置自动冲洗排水系统的控制框图；
图6是迷宫装置的气味释放装置的控制框图；
图7是迷宫装置粪便收集处理装置的水槽结构示意图；
图8是本发明的自动化机械臂刺激装置的结构简图；
图9是自动化机械臂刺激装置的实验鼠位置检测系统的单个检测单元控制电路原理图；
图10是自动化机械臂刺激装置的PLC控制系统的控制框图；
图11是自动化机械臂刺激装置的刺激系统（机械臂）结构简图；
图12是图11的仰视图；
图13是本发明的遥控刺激装置的具体结构示意图主视图；
图14是图13的俯视图；
图15是图13的后视图；
图16是遥控刺激装置的电气原理示意图；
图17是遥控刺激装置的无线遥控发射电路图；
图18是遥控刺激装置无线控制发射模块的程序流程图；
图19是遥控刺激装置无线控制接收模块的程序流程图；
图20是遥控刺激装置的功能框图；
图21是遥控刺激装置捆绑在实验鼠身体上的整体示意图；
图中序号说明：1箱体、2隔板、3液晶屏、4电机、5筛状支撑网、6转盘、7水管、8水槽、9水刷、10支架滑轮、11支架、12滑轮、13门洞、14食物槽、15喷淋口、16下水口；17水通道、18气通道、19食物通道、20电磁阀、21移动液晶屏；22粘接扣、23开关、24粘接扣、25刺激电极。
具体实施方式
一、本发明所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，包括迷宫装置、刺激装置两大部分。
其中，根据图2-7对迷宫装置进行描述。迷宫装置包括圆形箱体1和电路控制系统，圆形箱体1内壁与中心柱体之间设有若干隔板2，从而将箱体1分隔成若干数据采集区、目的区，每个隔板1底部均布外观相同的门洞13。迷宫装置的改进要点在于如图1所示，箱体1底部设有转盘6，中心柱体设有电机4，电机4输出轴沿中心柱体轴向与转盘6中心紧固连接，则转盘6在电机4带动下可绕中心柱体转动。箱体1边框下部周边设有若干转盘的滑轮12，在支撑转盘6的同时，又不影响其转动。转盘6上方设有筛状支撑网5，该支撑网5可为金属网或塑料等其他材料制成。转盘6下方设有水槽8形成粪便收集处理装置，水槽8上沿周边布置有水管7，水管7上均匀开设喷淋口15，水槽8底部设有支撑架和下水口16，水槽8内还设有水刷9。
电路控制系统包括电源、单片机、视嗅觉控制器、自动冲洗排水系统控制器等。单片机发送信号给控制转盘的电机4，实现转盘6的旋转运动。本申请电机4控制采用固态继电器控制，驱动电机的功率<100w。本文中固态继电器采用1000w的。单片机通过 MOS 管间接控制继电器。单片机控制电机的指令来自于上位机通过 CAN 总线发送下来的指令。CAN与RS232 转换接口电路实现 CAN 总线协议与 RS232 协议之间的数据转换。上位机指令通过该系统发送到各个子节点。自动冲洗排水系统（粪便收集系统）控制器接收到AT89S51单片机P3.6(I/O) 发出控制信号，控制其BFC-2型电动阀门控制器工作，进而控制电动安装在粪便收集处理装置上的电动阀开通／关闭，使粪便收集处理装置的水槽8上沿布置的水管7与水源连通或阻隔，自来水水源通过电动阀对下水装置，即水槽定时冲洗，污水从所述下水口16流出。水槽8内设置的水刷9上部固定在转盘6底部，其下部刷体与水槽侧壁和槽底部接触，当单片机控制转盘6转动的同时，水刷9随之转动，则下部刷体可对水槽进行刷洗，清除掉实现动物的排泄物等，进而消除气味带给实验效果的影响。气味释放装置：单片机通过视嗅觉控制器同时控制液晶屏LCD7和气味控制器，单片机在检测到嗅觉信号后，通过空气压缩机、控制阀、气味发生器、减压阀将新鲜空气传送至训练系统设置的机械臂，再由机械臂输送至迷宫位置内设置的气味罐。
本发明迷宫装置的一般结构即经典型可设隔板2数目为6，并将圆形箱体1等角度分隔成A、B、C、D、E、F六个区间，如图2所示，其中数据采集区5个、目的区1个，每个隔板下方分别等间距分布4个门洞，各区间的隔板上设有液晶屏7，目的区设有食物槽14。隔板下方设置的每个门洞处设置两个光电对射传感器单元，门前门后分别放置，以'或'的形式输出，从而就可检测出鼠过门的方向，以便检测鼠的行走轨迹。对实验鼠的声光刺激：通过单片机 IO 口，控制 MOS 管的栅极，实现对发光源（液晶屏）以及发声源的控制，可以控制发声的频率以及发光的强度。其中，单片机作为子接收单元接主控制单元传送过来的数据信息，从数据信息中提取命令信息，进而发出声刺激、光刺激。可从数据信息中提取出刺激的控制数据有发光强度，发声频率等。对实验鼠的视觉刺激单元：采用ViSaGe视觉刺激发生器，属现有技术。ViSaGe采用14bitDCAs图像输出技术，从而确保ViSaGe控制输出的视觉刺激图像颜色、亮度准确以及精确的显示时间，即使是在图像快速切换时也不会发生丢帧现象。CRS MATLAB工具包使得采用MATLAB语言编程输出视觉刺激图像变得更加方便快捷。同时，多种接口确保ViSaGe能与其他设备同步化使用，如ResonseBox、EyeTracker 、EEG、Optotrak和fMRI等。食物槽14为侧面带有网格的圆桶型，其一底面可贴附于光滑的隔板面上。与之相对的另一底面上，有食物槽的开口，利用可折叠的半圆形的上半面，即可将食物放入食物槽内。食物槽的圆形侧面外围设有环形外套，外套一分为二，下方可分开露出网格，由电路控制系统控制，当外套开启时，动物即可从食物槽的网格下方吃到食物作为完成训练任务的奖赏，当经过一定时间（10s）后，电源断开，则外套关闭，封住网格，动物即无法吃到食物。
本发明的刺激装置主要由自动化机械臂刺激装置和遥控刺激装置两部分组成。其中，根据图8-12对自动化机械臂刺激装置进行描述，其包括直角坐标机器人定位系统、PLC控制系统、实验鼠位置检测系统、刺激系统四个部分。直角坐标机器人定位系统采用采用德国BAHR公司制造的快速直线定位机构搭建，分为X、Y、Z三个运动方向，实现在空间内任意一点的准确定位。直角坐标机器人的X方向（水平1）、Y方向（水平2）、Z方向（垂直方向）均采用由德国BAHR公司生产同步齿形带驱动的直线定位单元构成，按方向的最大运动速度可以达到2.0米/秒。驱动动力由三台日本松下公司生产的伺服电机提供，伺服电机的最大运行速度可以达到3000转/分，而伺服电机的运行指令来之控制系统的PLC运动控制模块。这个系统可以在0.01秒内对上位机的指令作出运动反应。直角坐标机器人定位系统的结构如图8所示。BAHR公司做为德国乃至全世界最专业的直角坐标机器人制造商之一，几十年来一直专注于直线定位系统及产品的研究和开发，在业内取得了良好声誉，其产品也被广泛的应用于诸如汽车、电子、电器、检测、医疗、航天、食品等各个领域的生产线上。
实验鼠位置检测系统由分别放置在迷宫装置的门洞的四个光电对射传感器构成，每两个光电对射传感器作为一个单元在门洞上、下排列，两个传感器单元在门洞前、后放置形成两个检测点。这样就能防止白鼠跳过去或者趴着过去而出现漏识别。两个传感器单元在门洞前、后放置形成两个检测点，可检测实验鼠通过的方向的正反。单个检测单元控制电路原理图如图9所示。红外发射---接收传感器处于工作状态，在没有实验鼠通过时，放大器同向输入端输入低电平，输出端把低电平输入单片机IO口，不发生刺激；当有实验鼠通过非绿色门时，放大器同向输入端输入高电平，输出端把高电平输入单片机IO口后发生相应刺激。一旦实验鼠通过门洞，相应的光电开关会在几微秒内将实验鼠的信息反馈给上位PLC，而上位PLC会根据位置信号迅速计算出实验鼠的当前位置。
PLC控制系统包括CPU模块（三菱Q00）、运动控制模块（三菱QD75-D4）， CPU模块和运动控制模块通过主基板进行通讯（三菱Q33B）， CPU模块根据实验鼠位置检测系统提供的位置信号判断出实验鼠的当前位置，并与直角坐标机器人定位系统的当前位置进行比对，并计算出两者之间的运行路径，由运动控制模块发出运动指令给伺服驱动系统，伺服驱动系统驱动直角坐标机器人定位系统的末端刺激机构运行到相应的位置。需要说明的是：任何一个门洞都有前后两个检测点，当实验鼠从第一个检测点进入时，控制系统会直接命令直线机器人定位系统运行到相应的门洞的对面，当实验鼠通过该门洞的第二个检测点时，根据实验的需要作出相应的处理指令，即刺激种类。如图10所示，PLC的CPU模块可储存创建的程序。在储存创建的程序之后可对运动控制模块（QD75定位模块）输出定位起动信号和轴停止信号，也可检测到QD75定位模块的出错运行等。CPU模块的PC可检测过门信号等控制信息。而QD75定位模块通过机械系统的输入开关可把机械臂的信号和速度、位置切换信息输入进来，并按照来自CPU的指令输出到驱动装置。驱动装置接收指令后，驱动电动机工作，电动机则带动机械臂执行刺激任务。
该机械臂刺激装置的刺激系统包括三种末端刺激机构，末端刺激机构为附带三种管道的机械臂，三种管道分别对应水、气体、食物刺激，如图11、12所示，机械臂上分别设置水管道17、气通道18、食物通道19，机械臂末端还设有移动液晶屏21。刺激系统通过PLC控制系统分别实现控制水、气体、食物的供给，当定位到实验鼠的位置后，机械臂末端设置的电磁阀20按照PC发送的过门信号自动开启，释放相应的刺激。
根据图13-21对本发明的遥控刺激装置进行描述，其包括电刺激、声刺激、机械振动刺激模块，无线发射模块、无线接收模块和继电器驱动模块，上述六个模块组装在一起后固定在实验鼠身体外侧捆绑的载体上，实验鼠身体外侧捆绑的载体可为有弹性的帆布，帆布上还设有刺激电极25，帆布两端设有粘结扣22、24。
其中电刺激模块：主要由继电器Jc控制的常开触点Kc、三极管V5、变压器Ｔ、电阻R14、R18、发光二极管D6、二极管D7、D8、D9、电容器C5、C6、C7和电极DJ组成；
机械刺激模块：主要由电机Ｍ、电阻Ｒ13、和继电器Jb控制的常开触点Kb组成；
声刺激模块：主要由555时基电路IC5、电阻R7、R8、电容C3、继电器Ja控制的常开触点Ka、电容C4和扬声器Y组成；
继电器驱动模块：主要由单片机IC6、继电器Ja、Jb、Jc、三极管V2、V3、V4、二极管D3、D4、D5、电阻R10、R11、R12组成；
无线接收模块：主要由无线遥控接收头IC3、译码集成芯片IC4、电容C8、C9、C10、电阻R9组成；
无线发射模块：主要由无线遥控发射头ICl、555时基集成电路IC2、二极管D1、二极管D2、D10、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R15、R16、R17、电位器W、电容C1、电容C2、开关K1、K2、K3和单片机IC7组成；
该遥控刺激装置的电路连接结构如下所述：
声刺激模块电路：电容C3接入555时基电路IC5(NE555)的1、2管脚之间， 555时基电路IC5的2、6管脚短接后接入电阻R7，电阻R7接在555时基电路IC5的6、7管脚间，电阻R8接到555时基电路IC5的4、7管脚间，555时基电路IC5的4、8管脚短接后接入继电器Ja控制的常开触点Ka，电容C4与扬声器Y串联后接在555时基电路IC5与地之间。当所述继电器Ja控制的常开触点Ka闭合时，所述扬声器Y发出声音刺激。
无线接收模块电路：无线遥控接收头IC3的正负极分别连接于电源E的正、负极。无线遥控接收头IC3的负极与扬声器Y、电容C3、555时基电路IC5的管脚1，电容C8、电容C9、电容C10、译码集成芯片IC4的管脚7，三极管V2、V3、V4、的集电极共同接地。无线遥控接收头IC3的正极与译码集成芯片IC4的管脚4和继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc的常开触点Ka、Kb、Kc和变压器绕组L1连接。
其中，译码集成芯片IC4的3管脚与无线遥控接收头IC3相连。译码集成芯片IC4的1脚通过电容C8接地，译码集成芯片IC4的2管脚通过电容C9接地，译码集成芯片IC4的6管脚通过电容C10接地。译码集成芯片IC4的7管脚直接接地。译码集成芯片IC4的6脚通过电阻R9和电容C10接地。单片机IC6的P3.1、P3.2接入译码集成芯片IC4的8脚，单片机IC6的P1.5通过电阻R10与三极管V2的基极连接；单片机IC6的P1.6通过电阻R11与三极管V3的基极连接；单片机IC6的P1.7通过电阻R12与三极管V4的基极连接；三极管V2的射极串入继电器Ja，继电器Ja反并联二极管D3，三极管V3的射极串入继电器Jb，继电器Jb反并联二极管D4, 三极管V4的射极串入继电器Jc，继电器Jc反并联二极管D5。
机械振动刺激模块电路：电阻R13、Kb与电机串联，接在继电器Jb的常开触点Kb与地之间。当继电器Jb的常开触点Kb闭合时，电机Ｍ产生机械振动刺激。
电刺激模块电路：三极管V5的集电极接入开关Kc和变压器初级绕组L1一侧的输入端，三极管V5的基极通过电阻R18接入变压器初级绕组L1的另一端，三极管V5的发射极接入变压器初级绕组L2一端。变压器次侧串入二极管D7、D8、D9和金属电极DJ ；二极管D7、二极管D8串联后与电容C6并联。二极管D8、二极管D9串联后与电容C7并联。二极管D8、二极管D9、DJ串联后与电容C5并联。当所述继电器Jc控制的常开触点Kc闭合时，所述电极DJ对实验动物发生电刺激。
无线发射模块电路：+12V稳压电源接入无线遥控发射头IC1正极、555时基电路IC2的8管脚和电阻R1。电阻R1、电位器W和电阻R2串联，反串联二极管D2后接入555时基电路IC2的2管脚和+12V稳压电源之间。电位器W接入555时基电路IC2的5管脚。二极管D1接入555时基电路IC2的5、6脚之间。555时基电路IC2的6管脚和2管脚通过电容C1接地。555时基电路IC2的1管脚接地。555时基电路IC2的7管脚通过电容C2接地。电阻R3接在555时基电路IC2的3管脚和无线遥控发射头IC1的IN。无线遥控发射头IC1的负极接地。
本发明通过上述模块的设置实现：无线发射模块根据采集到的实验动物的过门信号发射无线信号，无线接收模块接收到无线信号后，确定刺激类型并启动继电器驱动模块，对实验动物实现相应的电刺激、声刺激、机械振动刺激或组合刺激。其具体的工作原理如下：无线发射模块采用AT89C51单片机IC7控制NE555型时基集成电路IC2，发光二极管D10为发射指示灯，当AT89C51单片机IC7的P3.7引脚输出高电平时，NE555时基集成电路IC2的相应引脚为低电位，时基集成电路IC2处于复位状态，无线遥控发射头ICl无信号输出，二极管D10指示灯灭；当单片机IC7的P3.7引脚输出低电平时，时基集成电路IC2处于正常工作状态，无线遥控发射头ICl发送N次有时间间隔的一组无线信号，二极管D10指示灯亮，N≥1；
无线接收模块利用无线遥控接收头IC3接收每一组无线信号，继电器驱动模块的AT89C2051单片机IC6根据无线信号的次数N来识别所选的刺激类型，进而控制对应的继电器Ja、Jb、Jc常开触头吸合，实现声刺激、振动刺激和电刺激或组合刺激动作。
手动开关K1、K2、K3分别对应声刺激、振动刺激和电刺激选择，无线发射模块的AT89C51单片机IC7根据手动开关K1、K2、K3的设定状态，控制时基集成电路IC2发送相应次数的无线信号。
工作过程：发射电路部分AT89C51单片机根据K1、K2、K3的设定状态，控制NE555型时基集成电路(IC2)发送N次（N≥1）一定间隔时间（例如10MS）的一组无线信号，AT89C2051单片机根据接收到的每一组无线信号的次数来识别所选的刺激类型，控制对应继电器吸合，实现刺激动作。具体如表1所示。
当实验动物在迷宫装置中检测开始后，捆扎在实验鼠后背上的接收、刺激装置在实验鼠通过非绿色门时由三极管V5和变压器T构成的高频振荡器通电工作，把电源E直流电变成高频交流电，经T升压后，再经二极管D7～D9、电容器C5～C7三倍压整流升到高压，加到金属电极DJ上，对实验鼠产生电刺激，555时基电路IC5组成发声刺激电路，机械振动由微型手机振动电机产生。
元件的选择：晶体管V5选用8050；V2、V3、V4选用A781。D6、D10用红色发光二极管，D7～D9用1N4007型硅整流二极管，高频变压器T可自制。R13 选用1W金属膜电阻，R14、R18选用RTX-1/8W型碳膜电阻器，其余选用1／4W碳膜电阻器或金属膜电阻器，RP选用实心可变电阻器，C5、C6、C7用CL11-630V型涤纶电容器 ，其余选用独石电容器。D1、D2、D3、D4、D5选用1N4148型硅开关二极管；IC1选用T630型一体化无线遥控发射头；IC2选用NE555型时基集成电路；IC3选用与IC1配套的T631型无线遥控接收头；IC4选用LM567型译码集成电路。 Ja、Jb、Jc选用直流继电器。IC5---NE555型时基集成电路；IC6---AT89C2051单片机；IC7---AT89C51 单片机 Y—扬声器； M—微直流电机。
二、本发明所述的训练系统的一般训练过程如下：
迷宫装置的箱体外形结构尺寸设计为直径200cm，高80cm。系统空间由6块隔板均匀的隔开，在每块隔板的下部均匀分布4个穿越洞（门洞）。每洞口设2对红外光电传感器单元。底部是筛网状的铁丝结构可用来支撑实验鼠或机器鼠在其上的运动，同时在系统中心轴处设有电机转动，会带动筛网的转动。这样，放入系统中的实验鼠或机器鼠就在这6个隔板下的穿越洞之间来回的运动，与此同时，筛网也在不停的旋转，构成了整个系统的运动形式。穿越洞高90 mm，宽110 mm ，厚60 mm，洞间距为的 100 mm，底面筛网的孔尺寸为 12 x 12 mm。该系统通过电机控制转盘转动进而迫使实验鼠进行过门训练。该训练系统的功能实现如图1所示。
1、训练系统的规则设定：每次进行测试之前均要进行规则的设定，规则包括实验鼠的初始区域，每个门的属性（如绿门和红门分别代表可通过性的是与否），并视实验鼠完成训练情况给予单一或组合奖惩。
a) 初始区域设定：设定实验鼠的初始区域，方便以后的统计工作。
b) 红门、绿门设定：设定24个门的属性，即可通过性。
c) 刺激种类设定：刺激种类包括声、光、电、水、气体、食物、图像及气味等刺激。当实验鼠通过非绿色门（红门）时，给与不同的惩罚措施，或当实验鼠成功通过绿门时，给与不同的奖励措施。具体是本训练系统通过机械臂、遥控刺激装置可实现多种刺激。其中机械臂上设置三种末端刺激机构，末端刺激机构为附带三种管道的机械臂，三种管道分别对应水、气体、食物刺激，当定位到实验鼠的位置后，机械臂末端设置的电磁阀按照PC发送的过门信号自动开启，释放相应的刺激。而遥控刺激装置可以遥控控制，当实验鼠在迷宫装置中检测开始后，捆扎在实验鼠后背上的接收、刺激装置在实验鼠通过非绿色门（红门）时，给予设定的刺激，包括声刺激、电刺激、机械振动刺激，从而对实验鼠进行处罚。
d) 刺激时间设定：每次进行刺激时的刺激时间，也可选择当刺激开始后手动停止刺激。
e) 底盘转速设定：设置底盘的转速。
2、数据采集：每进行一轮测试都要对实验鼠通过门的信息进行采集。
a) 单轮路线统计：实验鼠从出发区出发，最后回到出发区定义为一轮。该功能统计实验鼠行走一轮经过的路线。
b) 总体成功与失败次数统计：实验鼠通过绿色门完成一圈定义为成功，通过了红色门定义为失败，该功能统计实验鼠成功与失败的次数。
c) 红门、绿门通过情况统计：该功能统计实验鼠通过红门与绿门的次数。
3、过程显示：该系统中每个门的属性以及实验鼠的位置可直观的显示出来。
a) 红门、绿门显示：通过每个门颜色的区别将各个门的属性显示出来。
b) 实验鼠运动过程显示：显示实验鼠当前的位置。
4、文档管理：将统计获得的信息生成备份文档。
a) 生成统计报表：将统计信息导出到Excel表格中。
b) 生成系统日志：该系统日志将包括上位机受到以及发出的每一条命令的时间及内容。（包括实验鼠何时过何门，什么时候受到什么样的刺激等）
当鼠标移到实验鼠时，鼠标指针变成十字行，此时可以拖动实验鼠设定初始区域。
本实验系统软件采用C#编程语言结合.NET构架完成软件的编写工作，编译环境采用Visual Studio 2008。数据库采用MySQL数据库。
三、本申请支持网络化操作，可实现远程操纵系统的设置和运行：
客户机/服务器(Client／Server)模式：早期的C／S模式下的信息系统是主要是将一个完整的数据库应用系统划分成前台客户机(前端)、应用程序和后台服务器三个主要部分，并通过网络实现应用程序和服务器之间的相互连接，并进行数据的传送。这种结构的核心思想就是客户机应用程序只需向服务器发送数据请求，其他的一切操作都由服务器进行处理，最后将处理完的结果返回到客户机的应用程序当中。此时服务器进行的处理过程对客户机应用程序来说是完全不可见的。数据库服务器和客户机进行分工合作，分布式共同完成应用任务。
两层客户机／服务器结构的主要特点在于处理任务时，将客户机和服务器之间进行分工，这样的优势体现在：当客户机向服务器发送请求时，服务器只需完成客户机发来的数据查询任务并将结果返回，这样就能减少工作站的网络负载量。因为网络上传输的只是客户机的数据请求以及服务器返回的处理结果，不再是整个数据库文件，这样就可以让工作站的网络负载明显变小，有效地提升低速连接的远程客户机的工作效率。
由于数据库通常采用集中管理模式，客户机在通过SQL语言访问数据库时，客户机的平台又可以是多样的，比如PC、Macintosh、UNIX 工作站等等；而且操作系统也可以多样的，比如Windows、UNIX、0S／2等等。这样当数据库结构发生改变，或者数据库平台更换时，客户程序将不需要或仅仅只是需要进行极少量的改变。通过这些特点我们大致可以得出，数据库平台与工作站无关，数据库与客户机程序无关的结论。数据库采用了基于事务的RDBMS，保留事务日志和数据库备份／恢复机制，这样就能很好地进行数据库的维护，用以保证数据库的完整性。
数据库应用程序开发在逻辑意义上可分为三个部分：数据表示层、逻辑应用层和数据服务层。上述传统的两层客户机／服务器结构可以进行横向扩充，从而就能得到三层或者更多层的客户机／服务器结构。
通信协议：由于通信过程的不确定性，为了确保数据的无差错传输，我们最终决定采用停-等协议并在通信过程中进行CRC校验。停等协议：接收端正确收到数据后，返回一个确认帧（ACK），发送端才发送下一个数据。当接收端收到错误数据后，返回一个否定帧（NAK），发送端重传。当数据丢失后，发送端可以进行超时重传。这样就保证了发送端与接收端建立无差错连接。为了校验数据的正确性，我们采用CRC校验的方法，采用8位校验码。因此我们定义帧长度为24位，3个字节。第一个字节为控制位，第二个字节为数据位，第三个字节为CRC校验位。22个控制节点与主通信节点之间的通信我们采用令牌总线的方式，主单元循环扫描子单元。当某一个子单元有事件发生时，该子单元占领总线与主单元实现对点通信。
综上，本发明作为动物记忆训练系统其实验效果更加理想，对神经生理学、神经药理学和心理学等领域的研究具有非常的意义。
表1：
| 序号 | 该组信号次数 | 刺激类型 |
| 1 | 1 | 发声 |
| 2 | 2 | 振动 |
| 3 | 3 | 电 |
| 4 | 4 | 发声、振动 |
| 5 | 5 | 发声、电 |
| 6 | 6 | 振动、电 |
| 7 | 7 | 发声、振动、电 |
Claims (10)
1.一种采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，包括迷宫装置及刺激装置，所述迷宫装置的圆形箱体内壁与中心柱体之间设置若干隔板，从而将所述箱体分隔成若干数据采集区、目的区，每个隔板底部均布外观相同的门洞，其特征在于：所述迷宫装置的箱体底部设置由电机驱动的转盘，所述电机设置于中心柱体上，且其输出轴沿中心柱体轴向与所述转盘紧固连接，则所述转盘在所述电机带动下绕所述中心柱体转动，所述箱体边框下部周边设有若干支撑所述转盘的滑轮；所述转盘上方设有筛状支撑网；
所述刺激装置包括自动化机械臂刺激装置和遥控刺激装置；
所述自动化机械臂刺激装置包括直角坐标机器人定位系统、PLC控制系统、实验鼠位置检测系统、刺激系统四个部分；所述实验鼠位置检测系统由分别放置在所述迷宫装置的门洞的四个光电对射传感器构成，每两个所述光电对射传感器作为一个单元在所述门洞上、下排列，两个传感器单元在所述门洞前、后放置形成两个检测点；所述刺激系统包括三种末端刺激机构，所述末端刺激机构为附带三种管道的机械臂，三种所述管道分别对应水、气体、食物刺激，并通过所述PLC控制系统分别实现控制水、气体、食物的供给，所述机械臂三管道端部分别设置电磁阀，所述电磁阀自动开启后，释放相应的刺激；
所述遥控刺激装置包括电刺激、声刺激、机械振动刺激模块，无线发射模块、无线接收模块和继电器驱动模块，所述电刺激、声刺激、机械振动刺激模块、无线发射模块、无线接收模块和继电器驱动模块组装在一起后固定在实验鼠身体外侧捆绑的载体上，所述无线发射模块根据采集到的实验鼠的过门信号发射无线信号，所述无线接收模块接收到所述无线信号后，确定刺激类型并启动所述继电器驱动模块，对所述实验鼠实现相应的电刺激、声刺激、机械振动刺激或组合刺激。
2.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述迷宫装置的转盘下方设有水槽形成粪便收集处理装置，所述水槽上沿周边布置有水管，所述水管上均匀开设喷淋口，所述水槽底部设有支撑架和下水口，所述水槽内设有水刷，所述所述箱体边框下方设置带有滑轮的支架，所述水刷上部固定在所述转盘底部，其下部刷体与所述水槽侧壁和槽底部接触，所述转盘转动的同时，所述水刷随之转动，则下部刷体可对所述水槽进行刷洗。
3.根据权利要求2所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述迷宫装置的电路控制系统包括电源、单片机、视嗅觉控制器、自动冲洗排水系统控制器；所述自动冲洗排水系统控制器接收到所述单片机发出控制信号后，其电动阀门控制器控制安装在所述粪便收集处理装置上的电动阀开启或关闭，使所述粪便收集处理装置的水槽上沿布置的水管与水源连通或阻隔，定时冲洗所述水槽，污水从所述水槽下水口流出；所述单片机同时发送信号给控制所述转盘的电机，实现转盘的旋转运动；所述视嗅觉控制器同时控制液晶屏LCD和气味控制器，所述单片机在检测到嗅觉信号后，所述气味控制器通过空气压缩机、控制阀、气味发生器、减压阀将新鲜空气传送至机械臂，再由训练系统的机械臂输送至迷宫位置内设置的气味罐。
4.根据权利要求1或2或3所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述迷宫装置的隔板数目为6，并将所述圆形箱体等角度分隔成A、B、C、D、E、F六个区间，其中数据采集区5个、目的区1个，每个所述隔板下方分别等间距分布4个门洞，各区间的所述隔板上设有液晶屏，所述目的区设有食物槽。
5.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述自动化机械臂刺激装置的直角坐标机器人定位系统采用快速直线定位机构搭建，分为X、Y、Z三个运动方向，且X、Y、Z方向均采用由同步齿形带驱动的直线定位单元构成，并设置可实现在空间内任意一点的准确定位的伺服驱动系统作为驱动动力。
6.根据权利要求1或5所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述自动化机械臂刺激装置的PLC控制系统包括CPU模块、运动控制模块，所述CPU模块和运动控制模块通过主基板进行通讯，所述CPU模块根据所述实验鼠位置检测系统提供的位置信号判断出实验鼠的当前位置，并与所述直角坐标机器人定位系统的当前位置进行比对，并计算出两者之间的运行路径，由所述运动控制模块发出运动指令给所述伺服驱动系统，所述伺服驱动系统驱动所述直角坐标机器人定位系统的末端刺激机构运行到相应的位置。
7.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述自动化机械臂刺激装置的机械臂末端还设有移动液晶屏。
8.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述遥控刺激装置的无线发射模块包括无线遥控发射头ICl、时基集成电路IC2、二极管D10、电位器W、手动开关K1、K2、K3和单片机IC7；所述无线接收模块包括无线遥控接收头IC3、译码集成芯片IC4；所述继电器驱动模块包括单片机IC6、继电器Ja、Jb、Jc；
所述无线发射模块采用单片机IC7控制时基集成电路IC2，二极管D10为发射指示灯，当所述单片机IC7的P3.7引脚输出高电平时，时基集成电路IC2的相应引脚为低电位，所述时基集成电路IC2处于复位状态，所述无线遥控发射头ICl无信号输出，二极管D10指示灯灭；当所述单片机IC7的P3.7引脚输出低电平时，所述时基集成电路IC2处于正常工作状态，所述无线遥控发射头ICl发送N次有时间间隔的一组无线信号，二极管D10指示灯亮，N≥1；
所述无线接收模块利用所述无线遥控接收头IC3接收每一组无线信号，所述继电器驱动模块的单片机IC6根据无线信号的次数N来识别所选的刺激类型，进而控制对应的所述继电器Ja、Jb、Jc常开触头吸合，实现刺激动作。
9.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述遥控刺激装置的手动开关K1、K2、K3分别对应声刺激、振动刺激和电刺激选择，所述无线发射模块的单片机IC7根据所述手动开关K1、K2、K3的设定状态，控制所述时基集成电路IC2发送相应次数的无线信号。
10.根据权利要求1所述的采用闭合旋转式迷宫的动物记忆训练系统，其特征在于：所述实验鼠身体外侧捆绑的载体为有弹性的帆布，所述帆布上还设有刺激电极，所述帆布两端设有粘结扣。
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Granted publication date: 20121121 Termination date: 20200307 |