CN103070671B - 啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种啮齿类动物视觉认知行为功能的自动化测评系统，包括形状感知能力测试单元、视锐度测试单元、感光能力测试单元；相邻单元之间分别通过过度室相衔接；所述形状感知能力测试单元至少由三个并排设置的、具有不同入口形状的通道组成；所述视锐度测试单元由开设有进出口的室体、间隔设置在所述室体内的多个隔板组成，相邻隔板底部交错开有过道，在每块隔板及侧壁、地板上分别印制有不同空间分辨率的纹理图案；所述感光能力测试单元由至少三个并排设置的不同流明照度的通道组成；本发明优点在于设计一套完整、对实验动物无负面影响的测试系统来实现对啮齿类动物视觉认知行为功能的可靠评测，以建立全面可靠的评估指标。

Description

啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统

技术领域

本发明涉及动物行为测评系统，尤其是涉及啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统。

背景技术

啮齿类动物品系或种类繁多、生殖能力强、易于饲养管理、实验操控性强、视功能良好，被认为是视觉相关认知行为学实验研究的理想动物模型。在与视觉相关的生理、认知、行为科研实验中，通常首先需要对实验动物的视觉感知能力和视觉相关的认知行为能力进行评估，筛选出视功能良好、认知行为适宜的实验动物。在既往研究中，对于实验动物的视觉感知和认知行为功能的评估缺乏系统性和客观性，特别是对于以大鼠和小鼠为代表的啮齿类动物而言，往往采用外部形态观察、眼避光反应等简单方式进行评估。近来有些研究采用视悬崖、水迷宫、转鼓视力仪等装置结合动物行为学方法进行评估，这些装置仅对某一单一指标进行评估，忽略了感光能力、视锐度和形状认知能力等多种因素的相互影响，缺乏系统性，通常伴随着对动物的心理与身体健康不同程度的损害，因此需要建立评估能力多样、针对性强、对实验动物影响小的测试装置。此外，目前越来越多的啮齿类动物视觉认知行为实验中，需要同时采用微电极阵列等植入式器件采集神经信号，对实验动物的视觉感知和认知行为功能评估提出了更高、更全面的要求，需要对感光能力、视锐度、图形辨识能力以及行为响应能力做出系统综合的评价，而目前的测试方法单一，缺乏对各种指标间的相互作用关系分析，同时数据记录需要人工参与的程度比较大，没有形成自动化的可靠的评估方法。如果需要功能测试的实验动物较多，所花的人力物力将大大增加。

发明内容

本发明目的在于提供一种啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统，包括形状感知能力测试单元、视锐度测试单元、感光能力测试单元；相邻单元之间分别通过过度室相衔接；所述形状感知能力测试单元至少由三个并排设置的、具有不同入口形状（如分别为矩形、椭圆形、三角形）的通道组成；所述视锐度测试单元由开设有进出口的室体、间隔设置在所述室体内的多个隔板组成，相邻隔板底部交错开有过道，在每块隔板及侧壁、地板上分别印制有不同空间分辨率的纹理图案；所述感光能力测试单元由至少三个并排设置的不同流明照度的通道组成；在形状感知能力测试单元和感光能力测试单元的每个通道进、出口处以及视锐度测试单元的进、出口处分别安装有感应传感器，所述每个感应传感器信号输出端均与工业计算机数据输入端连接。

所述工业计算机视频输出端连接有显示器；所述形状感知能力测试单元、视锐度测试单元的顶板为透明顶板；位于形状感知能力测试单元或/和视锐度测试单元的上方向下设置有摄像头，所述摄像头视频输出端与工业计算机视频输入端连接。

在所述感光能力测试单元三个通道出口前方设置有食物投放控制器和位置感应传感器，位置感应传感器信号输出端与工业计算机数据输入端连接。

本发明优点在于设计一套完整、对实验动物无负面影响的测试系统来实现对啮齿类动物视觉认知行为功能的可靠评测，达到长期稳定、自动获得能够有效反映实验动物的感光能力、视锐度、图形辨识能力以及行为响应能力的测试数据，以建立全面可靠的评估指标，从而完成了对受试动物视觉认知行为功能的自动化评测。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2、图3是本发明所述不同空间分辨率的纹理图案视图。

图4是本发明测评受试动物的试验流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测试系统，包括依次设置的形状感知能力测试单元1、视锐度测试单元2、感光能力测试单元3；相邻单元之间分别通过过度室4、5相衔接；所述形状感知能力测试单元1由三个并排设置的、入口形状分别为矩形、椭圆形、三角形的通道6、7、8组成，各通道6、7、8宽度在10-15cm之间，长度不小于100cm；该三个通道6、7、8的入口可以通过插板形式改变其入口形状；所述视锐度测试单元2由开设有进出口的室体、间隔设置在所述室体内的四个隔板9组成，相邻隔板底部交错开有过道10，在每块隔板9及侧壁、地板上分别印制有如图2、图3所示的不同空间分辨率的纹理图案；所述感光能力测试单元3由三个并排设置的不同流明照度的通道11、12、13组成，各通道11、12、13宽度在10-15cm之间，长度不小于100cm；在形状感知能力测试单元1和感光能力测试单元3的每个通道进、出口处以及视锐度测试单元2的进、出口处分别安装有感应传感器，所述每个感应传感器信号输出端均与工业计算机14数据输入端连接。所述工业计算机14视频输出端连接有显示器15，形状感知能力测试单元1、视锐度测试单元2的顶板为透明顶板，位于形状感知能力测试单元1的上方向下倾斜设置有摄像头16，所述摄像头16视频输出端与工业计算机14视频输入端连接。为了对被测试动物进行奖赏，以使测试过程更加顺利，在感光能力测试单元3三个通道11、12、13出口前方设置有食物投放控制器17和位置感应传感器，所述位置感应传感器信号输出端与工业计算机数据输入端连接。

本发明测试原理简述如下：

一、形状感知能力测试单元：

形状感知能力测试单元用于测评受试动物对不同形状的感知能力和偏好，由多个入口形状不同的通道构成，各通道进、出两端都装有感应传感器用于记录动物所选择的形状通道以及获取实验动物通过该单元的时程。

各通道由底部和侧面不透明、顶部透明的四块有机玻璃板组成，便于自然光投射及视频监控。为了能有效记录和准确获得实验动物通过形状感知能力测试单元各通道的时刻和时程，各个通道宽度在10-15cm之间，以避免因通道过宽而导致实验动物在其中探索、停留而不愿通过；各通道长度不小于100cm,以避免由于实验动物的快速通过而导致通道两端的位置感应传感器无法有效记录和准确获得实验动物通过测试通道的时刻和时程。各通道入口及出口设置成开设有不同进、出口形状的插板结构，如进、出口形状为方形、三角形、圆形、椭圆形等，这样可以随机设置各通道的进、出口形状，避免由于受试动物的记忆效应而带来的对其图形辨别能力的评估误差，同时各通道底部设置与入口形状一致的平面图形指示。

通过记录和分析实验动物选择不同入口形状的通道次数以及通过时间，可以对啮齿类动物对不同形状图形的辨别能力和喜好程度进行评估，为后续的动物筛选和视觉认知线索的形状设置提供可靠依据。如果实验动物对通道入口图形表现出一定的偏好，例如多次选择入口形状为三角形的通道通过而很少选择其它通道，同时进行通道选择及通过的时间短，则表明该动物的形状感知能力强。

二、视锐度测试单元：

视锐度测试单元主要用于测试动物对不同纹理图案的视觉分辨能力。由隔板9分隔为多个子区域、各区域内纹理图案空间分辨率不同的测试通道构成。通道进、出口都装有感应传感器用于获取实验动物通过该单元的时程。

视锐度测试通道由底部和侧面不透明、顶部透明的四块有机玻璃板组成，便于自然光投射及视频监控。隔板9靠下位置切割小方孔作为过道10，过道10可设置居中、左侧或右侧，隔板9可以抽插、调换，便于随机设置各子区域过道10的位置,使得动物行进路线多变,避免由于受试动物的记忆效应而带来的对其视锐度的评估误差。各子区域内的底部及四壁满布同一空间分辨率的纹理图案，不同子区域内的纹理图案则具有不同的空间分辨率，如图2、图3所示。隔板9正、反面纹理图案各取决于其所属子区域。实验动物通过隔板9上的过道10在各子区域之间出入,通过记录和分析实验动物在视锐度测试单元的通过时间，可以对啮齿类动物对不同纹理图案的视觉分辨能力进行评估，为后续的动物筛选和视觉认知线索的空间分辨率设置提供可靠依据。实验动物在该通道内通过时需要寻找通过位置，由于各个子区域的纹理图案空间分辨率不同，因此对于具有较好视锐度的实验动物，会感知到通过位置处纹理图案与其所处子区域内纹理图案的空间分辨率不同，找到空间分辨率有差异处即通过，从而进入下一子区域。通过视锐度测试通道的时间越短，则表明实验动物辨别图案纹理的能力越强。如果实验动物的视锐度较差，其很难区分不同子区域纹理图案的空间分辨率差异，找不到过道10位置而导致通过该测试通道的时间过长。

三、感光能力测试单元：

感光能力测试单元用于评测受试动物对光强的感知能力，由多个不同流明照度的通道构成，各通道内装有光源、两端都装有感应传感器用于记录动物所选择通道以及获取实验动物通过该单元的时程。

各通道由不透光的四块有机玻璃板组成，避免外界光源带来的干扰，为了能有效记录和准确获得实验动物通过感光能力测试单元各通道的时刻和时程，各个通道宽度在10-15cm之间，长度不小于100cm。各通道内设置有不同流明照度的光源并可通过工业计算机14调节控制。

通过记录和分析实验动物选择不同流明照度的通道次数以及通过时间，达到测试啮齿类动物的感光能力，为后续的动物筛选和视觉认知线索的亮度设置提供可靠依据。啮齿类动物具有喜暗避亮的特点，对不同的光照强度敏感。如果实验动物对通道亮度表现出一定的选择性，例如多次选择亮度较暗的通道通过而很少选择其它通道，同时进行通道选择及通过的时间短，则表明该动物的感光能力强。

在感光能力测试单元3三个通道11、12、13出口前方设置有食物投放控制器17和位置感应传感器，用于对受试动物完成测评实验提供奖励和进行任务完成位置提示。奖励区内食物投放控制器为电磁阀开关控制的给水或投食（食丸）装置，放置有水或食物等奖励，通过与工业计算机14连接的感应传感器来判断受试动物是否到达奖励区域，记录的获得奖励的时刻作为测试实验的完成时刻。

在测试过程中，工业计算机14自动化实时获取测试开始时刻、实验动物进入和离开各测试单元的时刻、测试结束时刻；并自动记录实验动物所选择的测试通道标记；以视频记录存储整个测试过程。

四、测试指标分析：

自动获得的实验动物通过不同测试单元阶段的时间以及总时间，不仅仅由单一的动物视觉感知功能决定，还受到各功能的相关依赖性以及行为响应能力的影响。为了克服不同受试动物的个体差异、记录误差以及人为经验化设置评估标准带来的评估误差，本发明通过建立实验样本数据库，采用参数自适应确定的增量学习核聚类算法，将原始数据非线性映射到高维的特征空间，进行区分度高的核特征变换和聚类，解析出分别反映不同视觉功能的评估参数，为全面评价啮齿类动物视觉功能和认知行为能力提供客观可靠的评估标准。

五、本发明测试具体步骤如下：

1、对于每一受试动物，进行多次测试（测试次数≥5），采用自动采集到的实验动物通过不同测试单元阶段的时间以及总时间的中值构建四维样本向量。

2、建立样本数据库，样本量大于30.

3、采用核主成分算法，提取每个样本在特征空间的核主成分投影值作为新的特征。核函数选择高斯核函数，核参数利用样本库中各样本两两之间的距离的分布边界自适应确定。并计算核变换后的新特征与原始样本特征的相关性，作为对应评估不同视觉认知行为能力的评价参数，利用单一评价参数的概率密度分布自动划分表示能力差、良好和优秀三个等级区域，从而确定单一功能评估标准和每个样本的单一功能指标。

4、根据样本库在特征空间分布的自然聚类将特征空间划分为三个区域，分别表示综合能力差、良好和优秀三个等级。采用1阶核距离、2阶核距离计算每个样本特征属于不同聚类的概率测度，作出对啮齿类动物视觉功能和认知行为能力的全面综合评价。

5、对于新的样本数据，重复步骤3，4，可实现增量学习，核参数和特征空间的聚类分布将发生自适应调整，评估结果的准确性和稳定性可随着学习样本的增多得到有效保证。

六、测试方法：

如图4所示，首先对工业计算机14进行系统初始化，然后进行视觉认知行为功能评测的模式选择和评测参数设置，包括形状感知能力测试单元各通道入口形状的设置、视锐度测试单元各子区域纹理图案的空间分辨率设置、感光能力测试单元各通道的照度流明设置、预设实验时程阈值Tth等。

测试实验以受试动物完成整个测试流程、到达测试终点位置作为一个试次。在每一试次中，受试动物首先置入实验准备区，当其通过测试起点时实验开始，，启动计时器进行实验计时T，动物开始在通道中运动并通过感应传感器采集并记录到达位置及相应时间，判断动物在各测试单元中的实验时间T是否大于预设实验时程阈值Tth，若大于则实验强制结束，该试次记为无效试次；若小于，则判断大鼠是否到达奖励位置，即食物投放控制器17；未到达则继续实验计时，若已到达则实验结束。同时将评测相关数据记录到指定文件中进行日志保存。整个评测过程由视频监控系统监控、记录，画面实时显示在显示器上。

测试过程结束后，工业计算机14自动建立测试样本向量，并加入数据库，采用上述的测试指标分析方法，计算特征指标，实现受试动物的各个单一视觉认知行为功能评价和综合性评价结果。

Claims (1)

1.一种啮齿类动物视觉认知行为功能自动化测评系统，其特征在于：包括形状感知能力测试单元（1）、视锐度测试单元（2）、感光能力测试单元（3），相邻单元之间分别通过过度室（4、5）相衔接；所述形状感知能力测试单元（1）至少由三个并排设置的、具有不同入口形状的通道（6、7、8）组成；所述视锐度测试单元（2）由开设有进出口的室体、间隔设置在所述室体内的多个隔板（9）组成，相邻隔板底部交错开有过道（10），在每块隔板（9）及侧壁、地板上分别印制有不同空间分辨率的纹理图案；所述感光能力测试单元（3）由至少三个并排设置的不同流明照度的通道（11、12、13）组成；在形状感知能力测试单元（1）和感光能力测试单元（3）的每个通道进、出口处以及视锐度测试单元（2）的进、出口处分别安装有感应传感器，所述每个感应传感器信号输出端均与工业计算机（14）数据输入端连接；

所述工业计算机（14）视频输出端连接有显示器（15）；所述形状感知能力测试单元（1）、视锐度测试单元（2）的顶板为透明顶板；位于形状感知能力测试单元（1）或/和视锐度测试单元（2）的上方向下设置有摄像头（16），所述摄像头（16）视频输出端与工业计算机（14）视频输入端连接；

    在所述感光能力测试单元（3）三个通道（11、12、13）出口前方设置有食物投放控制器（17）和位置感应传感器，所述位置感应传感器信号输出端与工业计算机（14）数据输入端连接。