CN103478006B - 强迫游泳系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强迫游泳系统，包括强迫游泳容器、感应电流发生装置、感应电流采集装置以及中央控制装置；感应电流发生装置包括缠绕在强迫游泳容器外壁中部的线圈以及用于固定在实验动物后脚上的磁铁；感应电流采集装置与感应电流发生装置连接，用于实时采集线圈中的感应电流，并将感应电流传输至中央控制装置；中央控制装置用于实时分析感应电流，中央控制装置能根据感应电流的大小及方向来确定实验动物处于不动、潜水、游泳或爬壁状态。上述强迫游泳系统能实时监测实验动物不动、潜水、游泳或爬壁四种行为状态。

Description

强迫游泳系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种强迫游泳系统。

背景技术

强迫游泳系统能用于研究实验动物（如大、小鼠）在一个局限的环境内（如水中）的具体行为。例如，将实验动物放于强迫游泳系统中，动物通常表现出不动（动物四肢不动漂浮于水面，仅头部露出水面呼吸）、潜水（动物整个身体沉于水下）、游泳（动物在水中四处游动）、爬壁（动物前爪划动水面，碰触游泳缸壁）等四种行为状态。刚开始，动物试图挣扎逃避，主要表现出潜水、游泳、爬壁等行为状态，一段时间后，实验动物产生了明显的“行为绝望”，表现出典型的“不动状态”。研究表明，实验动物的不动时间和潜水时间的百分比可以用来分析实验动物的抑郁状态。因此，实验动物在强迫游泳中的行为状态常常用来作为抑郁状态的行为学检测指标，在神经药理学中主要用来进行抗抑郁、焦虑、止痛药物的研发与筛选。

经实验证明不同机制的抗抑郁药影响不同的行为状态，如地昔帕明和马普替林(N E再摄取抑制剂)可选择性增加大鼠的爬壁行为，而氟西汀(5-H T再摄取抑制剂)可选择性增加大鼠的游泳行为。因此，需要提供能对实验动物不动、潜水、游泳、爬壁等四种行为状态进行全面监测的强迫游泳系统。

传统的强迫游泳系统大多采用双摄像俯拍与侧拍相结合的视频装置以及游泳壁的微小震动监测感应器来监测实验动物的行为状态。传统的强迫游泳系统具有一定的技术优势，但也存在一定的局限性。图片像素点分析图片需要后期的大量工作，不能实时量化各种行为学的状态以及各种状态间的差异。通过强迫游泳缸壁的震动感应器来实现对于动物状态的判断存在时间上的分辨率，不能实时监测动物的行为状态，动物在产生了一个动作传到或者直接碰触缸壁引起震动，本身存在一定的时间间隔。另外对于动物潜于水下不动与漂浮不动对于缸壁都没有引起震动，那么在统计过程中没办法将这两种状态通过震动感应器来区分。

发明内容

基于此，有必要提供一种能实时监测实验动物不同行为状态的强迫游泳系统。

一种强迫游泳系统，包括强迫游泳容器、感应电流发生装置、感应电流采集装置以及中央控制装置；

所述感应电流发生装置包括缠绕在所述强迫游泳容器外壁中部的线圈以及用于固定在实验动物后脚上的磁铁；

所述感应电流采集装置与所述感应电流发生装置连接，用于实时采集线圈中的感应电流，并将所述感应电流传输至所述中央控制装置；

所述中央控制装置用于实时分析所述感应电流，所述中央控制装置能根据感应电流的大小及方向来确定实验动物处于不动、潜水、游泳或爬壁状态。

在其中一个实施例中，所述中央控制装置包括感应电流分析模块，所述中央控制装置通过所述感应电流分析模块实时分析所述感应电流。

在其中一个实施例中，所述强迫游泳容器为圆柱体形，所述强迫游泳容器的材质为透明玻璃或透明塑料。

在其中一个实施例中，所述强迫游泳容器的直径和高分别为30cm和40cm，所述线圈为直径为32.5cm的铜制线圈，所述线圈的匝数为10匝，所述磁铁的质量为2g。

在其中一个实施例中，所述强迫游泳容器的直径和高分别为18.5cm和25cm，所述线圈为直径为21cm的铜制线圈，所述线圈的匝数为10匝，所述磁铁的质量为1g。

在其中一个实施例中，所述中央控制装置还包括数据存储模块，所述数据存储模块包括四个分别用于存储实验动物处于不动、潜水、游泳及爬壁四个状态数据的存储单元，所述数据包括每个状态出现的次数、相应次数的持续时间以及相应次数的感应电流。

在其中一个实施例中，所述强迫游泳系统还包括用于记录实验动物处于强迫游泳实验中视频数据的摄像装置；

所述摄像装置包括摄像机，所述摄像机设置在所述强迫游泳容器的上方；

所述中央控制装置还包括视频分析模块；

所述摄像装置将采集的视频数据传输至所述中央控制装置中，所述中央控制装置通过所述视频分析模块对所述视频数据进行分析。

在其中一个实施例中，所述强迫游泳系统还包括光刺激装置，所述刺激装置包括波形发生器、微型激光器以及用于植入实验动物头部的光纤；

所述波形发生器与所述中央控制装置连接；

所述中央控制装置控制所述波形发生器发射波形函数，所述波形发生器控制所述微型激光器根据所述波形函数发射相应波长、强度、时程以及波形的激光信号，所述激光信号通过所述光纤传输至实验动物头部中，对实验动物头部导入有光敏感基因的细胞进行光刺激。

在其中一个实施例中，所述微型激光器发射的激光的波长为473nm或593nm，所述波形为方波或脉冲波。

使用上述强迫游泳系统进行强迫游泳实验时，先在强迫游泳容器内装入适量的水，以便进行强迫游泳实验。在实验动物的其中一只后脚上固定上合适大小的磁铁。当实验动物处于不动状态时，磁铁与线圈之间不产生相对运动，感应电流发生装置中的感应电流为零。而当实验动物处于潜水、游泳或爬壁状态时，磁铁与线圈之间产生相对运动，感应电流发生装置产生感应电流，而潜水、游泳或爬壁状态产生的感应电流不同（感应电流的大小与方向不同时相同）。感应电流采集装置将实时采集的感应电流传输至中央控制装置，中央控制装置实时分析感应电流，并根据感应电流的大小及方向来确定实验动物处于不动、潜水、游泳或爬壁状态。因此，上述强迫游泳系统能实时量化不动、潜水、游泳及爬壁四种行为状态。

附图说明

图1为一实施方式的强迫游泳系统的结构框架图；

图2为图1中的强迫游泳系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1及图2所示，一实施方式的强迫游泳系统10包括强迫游泳容器100、感应电流发生装置200、感应电流采集装置300、中央控制装置400、摄像装置500以及光刺激装置600。强迫游泳系统10用于对实验动物20进行强迫游泳实验。其中，实验动物20可以为大鼠（长度为18～20cm，重量为180～250g）或小鼠（长度为10～15cm，重量为15～30g）。

在本实施方式中，强迫游泳容器100为圆柱体形。圆柱体形强迫游泳容器100，能有效减少实验动物20在强迫游泳容器100运动的障碍，同时也有利于保证实验动物20处于同一状态下的感应电流具有相同的变化规律。可以理解，在其他实施方式中，强迫游泳容器100也可以为长方体形。

进一步，强迫游泳容器100的材质为透明玻璃或透明塑料，以便于观察处于强迫游泳容器100内的实验动物20。

当实验动物20为大鼠时，强迫游泳容器100的直径和高分别优选为30cm和40cm。当实验动物20为小鼠时，强迫游泳容器100的直径和高分别优选为18.5cm和25cm。

感应电流发生装置200包括缠绕在强迫游泳容器100外壁中部的线圈210以及用于固定在实验动物20后脚上的磁铁220，磁铁220能相对于线圈210运动。在对实验动物20进行强迫游泳实验时，当实验动物20处于潜水、游泳或爬壁状态时，磁铁220与线圈210之间产生相对运动，感应电流发生装置200产生感应电流。而当实验动物20处于不动状态时，磁铁220与线圈210之间不产生相对运动，感应电流发生装置200中的感应电流为零。

当实验动物20为大鼠时，线圈210为直径为32.5cm的铜制线圈，线圈210的匝数为10匝，磁铁220的质量为2g。而当实验动物20为小鼠时，线圈210为直径为21cm的铜制线圈，线圈210的匝数为10匝，磁铁220的质量为1g。

感应电流采集装置300与感应电流发生装置200连接，用于实时采集线圈210中的感应电流，并将感应电流传输至中央控制装置300。

中央控制装置400用于实时分析感应电流，其能根据感应电流的大小及方向来确定实验动物20处于不动、潜水、游泳或爬壁状态。

在本实施方式中，中央控制装置400包括感应电流分析模块410、数据存储模块420以及视频数据分析模块430。感应电流采集装置300将实时采集的感应电流传输至感应电流分析模块410，感应电流分析模块410对感应电流进行实时分析。并根据感应电流确定实验动物20处于何种状态以及在此状态下持续的时间。例如，当感应电流为零时，实验动物20处于不动状态。当感应电流不为零时，实验动物20处于游泳、潜水或爬壁状态。其中，处于游泳与爬壁状态下的感应电流方向与处于潜水状态下的感应电流方向相反，而处于爬壁状态下的感应电流方向变化相对频繁。感应电流方向的改变情况以及感应电流的数值达到某个状态的临界值可以作为确定某种状态的持续时间。

数据存储模块420包括四个分别用于存储实验动物20处于不动、潜水、游泳及爬壁四个状态数据的存储单元。其中，数据包括每个状态出现的次数、相应次数的持续时间以及相应次数的感应电流。

进一步，为了确保上述强迫游泳系统10实时监测实验动物20得到的结果更准确，在本实施方式中，上述强迫游泳系统10还设有辅助监测的摄像装置500。摄像装置500用于记录实验动物20处于强迫游泳实验中的视频数据，包括设置在强迫游泳容器100的上方摄像机（图未示）。摄像装置500将采集的视频数据传输至视频数据分析模块430，视频分析模块430对视频数据进行分析。

刺激装置600包括波形发生器610、微型激光器620以及用于植入实验动物20头部的光纤630。波形发生器610与中央控制装置600连接。中央控制装置600控制波形发生器610发射波形函数，波形发生器610控制微型激光器620根据波形函数发射相应波长、强度、时程以及波形的激光信号，激光信号通过光纤传输至实验动物20头部中，对实验动物20头部导入有光敏感基因的细胞进行光刺激。其中，光纤630与可植入式光纤陶瓷插芯632配合使用，以便于光纤630植入实验动物20的头部。

光遗传技术的主要原理：首先采用基因技术将光敏感基因转入到神经装置中特定类型的细胞中进行表达，使其在细胞膜上形成特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。光遗传学调控技术具有高时空分辨率和细胞选择性。

在对实验动物20进行光刺激前，需要事先在实验动物20头部的神经细胞中导入光敏感基因。光敏感基因导入到相关回路的神经元内并表达，其中，兴奋型通道蛋白基因为Channelrhodopsin-2（ChR2），抑制型通道蛋白基因为Helorhodopsin（NpHR）。微型激光器发射波长为473nm的光信号(蓝色激光)刺激表达有兴奋型通道蛋白基因的神经元，将兴奋该类神经元；微型激光器620发射波长为593nm的光信号(黄色激光)刺激表达有抑制型通道蛋白基因的神经元，将抑制该类神经元。从而干扰整个神经环路的功能，达到调控实验动物20焦虑、抑郁等行为状态的目的。

使用上述强迫游泳系统10进行强迫游泳实验时，先根据实验动物20的大小确定合适大小的强迫游泳容器100，并在强迫游泳容器100内装入适量的水，以便进行强迫游泳实验。在实验动物20的其中一只后脚上绑上合适大小的磁铁220。当实验动物20处于不动状态时，磁铁220与线圈210之间不产生相对运动，感应电流发生装置200中的感应电流为零。而当实验动物20处于潜水、游泳或爬壁状态时，磁铁220与线圈210之间产生相对运动，感应电流发生装置200产生感应电流，而潜水、游泳或爬壁状态产生的感应电流不同（感应电流的大小与方向不同时相同）。感应电流采集装置200将实时采集的感应电流传输至中央控制装置400，中央控制装置400实时分析感应电流，并根据感应电流的大小及方向来确定实验动物处于不动、潜水、游泳或爬壁状态。因此，上述强迫游泳系统10能实时量化不动、潜水、游泳及爬壁四种行为状态。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种强迫游泳系统，其特征在于，包括强迫游泳容器、感应电流发生装置、感应电流采集装置以及中央控制装置；

所述感应电流发生装置包括缠绕在所述强迫游泳容器外壁中部的线圈以及用于固定在实验动物后脚上的磁铁；

所述感应电流采集装置与所述感应电流发生装置连接，用于实时采集线圈中的感应电流，并将所述感应电流传输至所述中央控制装置；

所述中央控制装置用于实时分析所述感应电流，所述中央控制装置能根据感应电流的大小及方向来确定实验动物处于不动、潜水、游泳或爬壁状态；

所述强迫游泳系统还包括光刺激装置，所述光刺激装置包括波形发生器、微型激光器以及用于植入实验动物头部的光纤；

所述波形发生器与所述中央控制装置连接；

所述中央控制装置控制所述波形发生器发射波形函数，所述波形发生器控制所述微型激光器根据所述波形函数发射相应波长、强度、时程以及波形的激光信号，所述光纤用于将所述激光信号传输至实验动物头部中，以对实验动物头部导入有光敏感基因的细胞进行光刺激。

2.根据权利要求1所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述中央控制装置包括感应电流分析模块，所述中央控制装置通过所述感应电流分析模块实时分析所述感应电流。

3.根据权利要求1所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述强迫游泳容器为圆柱体形，所述强迫游泳容器的材质为透明玻璃或透明塑料。

4.根据权利要求3所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述强迫游泳容器的直径和高分别为30cm和40cm，所述线圈为直径为32.5cm的铜制线圈，所述线圈的匝数为10匝，所述磁铁的质量为2g。

5.根据权利要求3所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述强迫游泳容器的直径和高分别为18.5cm和25cm，所述线圈为直径为21cm的铜制线圈，所述线圈的匝数为10匝，所述磁铁的质量为1g。

6.根据权利要求1所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述中央控制装置还包括数据存储模块，所述数据存储模块包括四个分别用于存储实验动物处于不动、潜水、游泳及爬壁四个状态数据的存储单元，所述数据包括每个状态出现的次数、相应次数的持续时间以及相应次数的感应电流。

7.根据权利要求1所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述强迫游泳系统还包括用于记录实验动物处于强迫游泳实验中视频数据的摄像装置；

所述摄像装置包括摄像机，所述摄像机设置在所述强迫游泳容器的上方；

所述中央控制装置还包括视频分析模块；

所述摄像装置将采集的视频数据传输至所述中央控制装置中，所述中央控制装置通过所述视频分析模块对所述视频数据进行分析。

8.根据权利要求1所述的强迫游泳系统，其特征在于，所述微型激光器发射的激光的波长为473nm或593nm，所述波形为方波或脉冲波。