CN103583397B - 决策行为的光刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种决策行为的光刺激装置，包括中央控制系统、障碍迷宫系统、光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述中央控制系统分别与所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统连接，用于控制所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述光刺激系统用于对测试动物施加光刺激信号；所述红外探测系统用于监测测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动进程；所述视频分析系统用于记录并分析测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动状态。该装置建立了一种基于奖赏系统的需要付出努力的决策行为测试模型，判定动物在选择前后的状态以及反应的潜伏期，可以结合光遗传的方法对于动物的决策行为进行干预。

Description

决策行为的光刺激装置

技术领域

本发明涉及一种有关研究决策行为的模型，尤其是一种用于调控动物决策行为的光刺激装置，用于医学生物学和神经药理学等领域。

背景技术

“决策”（decisionmaking）是中枢神经系统的高级认知活动，决策水平的发展在一定程度上影响了动物及人类对于寻求食物以及其他奖赏的进化压力。决策行为决定于动物和人类对于环境、自身以及多种可供选择条件之间的利益和代价的经济学平衡。决策行为的脑机制和相关神经环路的研究对于揭示脑的认知功能有重要意义，同时对因脑功能失调导致的决策行为紊乱的精神疾病（重症抑郁、多动症、精神分裂等）的治疗有提示作用。

光遗传技术是通过光学与遗传学相结合，通过基因工程手段将携带有特异性的光敏感基因病毒转入特定细胞类型表达，如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），光感基因离子通道在不同波长，如蓝光波长λ=473nm能够激活ChR2，从而选择让阳离子特异性通过，引起细胞去极化作用，从而兴奋细胞；相反黄光波长λ=593nm能够激活NpHR，从而选择让阴离子特异性通过，引起细胞的超极化，从而抑制细胞活动。

基于奖赏系统的以研究决策行为的动物行为学装置主要有主动操作箱和T-迷宫。主动操作箱主要由隔音箱和踏板系统组成，通过训练动物通过按压踏板以获得食物奖赏，可以选择设置动物按压踏板的次数来建立动物需要付出努力才能获得食物奖赏，比如可以通过让动物按压5次时才给一粒好吃的粮食，隔音箱里放置了不用需要付出努力就能获取的粗糙的粮食，测试动物在面对两种选择时的决策行为。上述主动操作箱的主要局限性在于：（1）操作箱密闭，动物的行为不易观察，动物的行为受到局限；（2）主动操作箱的使用不便于对动物采取后期的药物或是光、电、光遗传学干预；并且，动物在自然的状态下，一般不偏向主动去操作实验，相对操作箱，迷宫更符合动物的爱钻洞的习性；（3）主动操作箱只能通过分析两次按踏板的时间判断动物的反应潜伏期，但是对于两次选择之间动物的状态、时间无法做出正确的判断，即动物选择去吃好吃的粮食与选择吃粗糙的粮食期间的反应潜伏期无法判定；（4）比较动物两者之间的决策行为，需要对于动物消耗粗粮与精粮的量进行比较，因此需要称量实验前后粗粮与精粮的重量，实验中由于动物将食物吃得较碎，常零星散落，因此操作比较麻烦，浪费了实验人员的时间。另外传统的T迷宫只以对于位置的左右条件的不同来进行选择，达到一定正确率后进行其他的分子、药理或是遗传操作，不能够测试动物在面对选择并结合自身的能力进行的权衡与比较。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于调控动物决策行为的光刺激装置，该装置建立了一种基于奖赏系统的需要付出努力的决策行为测试模型，判定动物在选择前后的状态以及反应的潜伏期，可以结合光遗传的方法对于动物的决策行为进行干预。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种决策行为的光刺激装置，包括中央控制系统、障碍迷宫系统、光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述中央控制系统分别与所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统连接，用于控制所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述光刺激系统用于对测试动物施加光刺激信号；所述红外探测系统用于监测测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动进程；所述视频分析系统用于记录并分析测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动状态。

优选地，所述障碍迷宫系统包括一T型迷宫，所述T型迷宫包括起始臂、第一目标臂和第二目标臂，所述第一目标臂中设置有一栅栏；其中，所述第一目标臂的末端放置有高奖赏食物，所述第二目标臂的末端放置有低奖赏食物。

优选地，所述T型迷宫中，起始臂的长度范围是70～100mm，宽度范围是10～20mm，高度范围是10～20mm；第一目标臂和第二目标臂的长度范围是50～70mm，宽度范围是10～20mm，高度范围是10～20mm；所述T型迷宫距离地面的高度为50～70cm。

优选地，所述T型迷宫中，起始臂的长度是70mm，宽度是10mm，高度是10mm；第一目标臂和第二目标臂的长度分别是是50mm，宽度是10mm，高度是10mm；所述T型迷宫距离地面的高度为60cm。

优选地，所述栅栏的宽度为10mm，高度为10～30mm。

优选地，所述光刺激系统包括激光器、波形发生器、光纤以及可植入式光纤插芯；可植入式光纤插芯植入到测试动物的头部，所述中央控制系统通过所述波形发生器控制所述激光器产生光刺激信号，所述光刺激信号由所述光纤连接到可植入式光纤插芯从而施加于测试动物。

优选地，所述激光器为蓝光激光器或黄光激光器。

优选地，所述红外探测系统包括多组红外探头，用于监测测试动物的运动进程并将检测信息回传到所述中央控制系统，该多组红外探头至少分别位于起始臂的始端和末端、第一目标臂的始端和末端以及第二目标臂的始端和末端。

优选地，所述起始臂、第一目标臂以及第二目标臂中还设置有一挡板。

优选地，所述视频分析系统包括设置于所述T型迷宫内的摄像头，用于记录测试动物的运动进程的图像信息并将该信息回传到所述中央控制系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明在传统的T型迷宫的一个目标臂设置有栅栏，通过栅栏障碍对应高奖赏与不通过栅栏对应低奖赏模拟了自然状态下面临多种选择时的境况，从而可以衡量测试动物将自身能力与所获利益的比较的决策行为；

（2）本发明采用了具有细胞选择性和高时空分辨率的光遗传技术，可以选择特定神经元进行兴奋或是抑制从而干预动物正常或是异常的决策行为；

（3）本发明采用高灵敏的红外探测系统和视频分析系统对测试动物在迷宫内的运动进程进行监控，可以灵敏地反应动物在起始臂到目标臂以及两种选择的目标臂选择的时程差异，通过分析动物的轨迹，确定动物移动的距离、速度、时间，从而在两个目标臂之间的选择进行比较。

附图说明

图1为本发明一具体实施例提供的决策行为的光刺激装置的连接框图。

图2为本发明一具体实施例提供的决策行为的光刺激装置的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，本发明为解决现有技术所存在的问题，提供了一种决策行为的光刺激装置，该装置建立了一种基于奖赏系统的需要付出努力的决策行为测试模型，判定动物在选择前后的状态以及反应的潜伏期，可以结合光遗传的方法对于动物的决策行为进行干预。

为了更好地阐述本发明的技术特点和结构，以下结合实施例及其附图进行详细描述。

参阅图1和图2，本实施例提供的决策行为的光刺激装置包括中央控制系统1、障碍迷宫系统2、光刺激系统3、红外探测系统4以及视频分析系统5；其中，中央控制系统1分别与光刺激系统3、红外探测系统4以及视频分析系统5连接，用于控制光刺激系统3、红外探测系统4以及视频分析系统5；光刺激系统3用于对测试动物6施加光刺激信号；红外探测系统4用于监测测试动物6在障碍迷宫系统2中的运动进程；视频分析系统5用于记录并分析测试动物6在障碍迷宫系统2中的运动状态。

本实施例中，障碍迷宫系统2包括一T型迷宫，T型迷宫包括起始臂201、第一目标臂202和第二目标臂203，第一目标臂202中设置有一栅栏204；其中，第一目标臂202的末端放置有高奖赏食物205，第二目标臂203的末端放置有低奖赏食物206；所述T型迷宫中，起始臂201、第一目标臂202和第二目标臂203的上部均为敞开的结构，并且T型迷宫距离地面有一定的高度；并且，起始臂201、第一目标臂202以及第二目标臂203中还分别设置有挡板402，其中，设置于起始臂201中的挡板用于防止测试动物6从入口逃离，而设置于第一目标臂202和第二目标臂203中的挡板主要用于在训练阶段，有针对性地强迫测试动物6去选择第一目标臂202（高奖励臂）或是第二目标臂203（低奖励臂），从而提高训练的速度；挡板402的数量以及放置的位置可以根据训练的目的进行设置，挡板402是通过从T型迷宫的上方抽离或插入来安装的。所谓的高奖赏食物和低奖赏食物是相对而言的，例如，高奖赏食物可以是数量较多的食物而低奖赏食物指的是数量较少的食物；或者是，高奖赏食物可以是品质较好的食物而低奖赏食物指的是品质较差的食物；本实施例中，高食物奖赏侧放置4颗粮食而低奖赏侧放置2颗粮食。

在本实施例中，所述T型迷宫中，起始臂201的长度是70mm，宽度是10mm，高度是10mm；第一目标臂202和第二目标臂203的长度分别是是50mm，宽度是10mm，高度是10mm；栅栏204的宽度为10mm，高度为30mm，T型迷宫距离地面的高度为60cm；在另外一些较为优选的实施例中，起始臂201的长度可以选择的范围是70～100mm，宽度可以选择的范围是10～20mm，高度可以选择的范围是10～20mm；第一目标臂202和第二目标臂203的长度可以选择的范围是50～70mm，宽度可以选择的范围是10～20mm，高度可以选择的范围是10～20mm，T型迷宫距离地面可以选择的高度为50～70cm。

本实施例中，光刺激系统3包括激光器（附图中未标示出）、波形发生器（附图中未标示出）、光纤301以及可植入式光纤插芯302；可植入式光纤插芯302植入到测试动物6的头部，中央控制系统1通过波形发生器控制激光器产生光刺激信号，光刺激信号由光纤301连接到可植入式光纤插芯302从而施加于测试动物6。中央控制系统1对光刺激系统3的波形发生器进行控制，决定输出的激光的波形、波长、强度、时程、间隔等光信号信息；光刺激系统中激光光源主要有蓝光和黄光激光光源，其中蓝光波长λ=473nm能够激活动物脑内光敏感基因ChR2，从而选择让阳离子特异性通过，引起细胞去极化作用，从而兴奋细胞；相反黄光波长λ=593nm能够激活NpHR，从而选择让阴离子特异性通过，引起细胞的超极化，从而抑制细胞活动。

本实施例中，红外探测系统4包括6组红外探头401，用于监测测试动物106的运动进程并将检测信息回传到中央控制系统1，该6组红外探头401分别位于起始臂201的始端和末端、第一目标臂202的始端和末端以及第二目标臂203的始端和末端；红外探测系统4用于监测测试动物6在障碍迷宫系统2的行动进程，包括测试动物6从起始臂202到选择端口的潜伏期，以及选择第一、第二目标臂（203、204）的时间等信息。

本实施例中，视频分析系统5包括设置于所述T型迷宫内的摄像头（附图中未标示出），用于记录测试动物6的运动进程的图像信息并将该信息回传到中央控制系统1。通过分析动物的轨迹，确定动物移动的距离、速度、时间，从而在两个目标臂之间的选择进行比较。

本发明中所述的测试动物6主要是指啮齿类动物，例如大鼠或小鼠。

使用本发明的装置对测试动物进行测试时，首先需要在测试动物的脑内定点注射具有特异性标记的光感基因病毒，可以是携带了兴奋性光感基因片段的ChR2，也可以是携带了抑制性光感基因片段的NpHR，取决于实验的目的；然后将测试动物先放置在起始臂，当动物在进入目标臂进行选择前通过光纤给予光遗传刺激，比如用蓝光激活ChR2能够兴奋神经元，如果该神经元编码的是负性信号比如介导厌恶性的刺激，就可以使动物不去选择之前学习好的高奖励侧；也可以通过黄光抑制编码奖赏信号的神经元，如多巴胺能神经元，也能够促使动物不去选择高奖励侧。通过对测试动物的行为记录，有助于理解动物光遗传学调控和行为学之间的关系，满足对神经系统和精神疾病的发病机制以及治疗机制的研究的需要。当然用这种方法也可以刺激本身具有决策障碍或者一直学不会的动物，用来治疗决策障碍或是提高训练学习成绩，这时候就可以直接用蓝光兴奋编码奖赏信息的神经元，或是用黄光抑制编码恶性刺激的神经元。

综上所述，与现有技术相比，本发明在传统的T型迷宫的一个目标臂设置有栅栏，通过栅栏障碍对应高奖赏与不通过栅栏对应低奖赏模拟了自然状态下面临多种选择时的境况，从而可以衡量测试动物将自身能力与所获利益的比较的决策行为；本发明采用了具有细胞选择性和高时空分辨率的光遗传技术，可以选择特定神经元进行兴奋或是抑制从而干预动物正常或是异常的决策行为；本发明采用高灵敏的红外探测系统和视频分析系统对测试动物在迷宫内的运动进程进行监控，可以灵敏地反应动物在起始臂到目标臂以及两种选择的目标臂选择的时程差异，通过分析动物的轨迹，确定动物移动的距离、速度、时间，从而在两个目标臂之间的选择进行比较。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (8)

1.一种决策行为的光刺激装置，其特征在于，包括中央控制系统、障碍迷宫系统、光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述中央控制系统分别与所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统连接，用于控制所述光刺激系统、红外探测系统以及视频分析系统；所述光刺激系统用于对测试动物施加光刺激信号；所述红外探测系统用于监测测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动进程；所述视频分析系统用于记录并分析测试动物在所述障碍迷宫系统中的运动状态；

其中，所述障碍迷宫系统包括一T型迷宫，所述T型迷宫包括起始臂、第一目标臂和第二目标臂，所述第一目标臂中设置有一栅栏；其中，所述第一目标臂的末端放置有高奖赏食物，所述第二目标臂的末端放置有低奖赏食物；

其中，所述栅栏的宽度为10mm，高度为10～30mm。

2.根据权利要求1所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述T型迷宫中，起始臂的长度范围是70～100mm，宽度范围是10～20mm，高度范围是10～20mm；第一目标臂和第二目标臂的长度范围是50～70mm，宽度范围是10～20mm，高度范围是10～20mm；所述T型迷宫距离地面的高度为50～70cm。

3.根据权利要求2所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述T型迷宫中，起始臂的长度是70mm，宽度是10mm，高度是10mm；第一目标臂和第二目标臂的长度分别是50mm，宽度是10mm，高度是10mm；所述T型迷宫距离地面的高度为60cm。

4.根据权利要求1所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述光刺激系统包括激光器、波形发生器、光纤以及可植入式光纤插芯；所述中央控制系统通过所述波形发生器控制所述激光器产生光刺激信号，所述光刺激信号由所述光纤连接到可植入式光纤插芯从而施加于测试动物。

5.根据权利要求4所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述激光器为蓝光激光器或黄光激光器。

6.根据权利要求1所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述红外探测系统包括多组红外探头，用于监测测试动物的运动进程并将检测信息回传到所述中央控制系统，该多组红外探头至少分别位于起始臂的始端和末端、第一目标臂的始端和末端以及第二目标臂的始端和末端。

7.根据权利要求6所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述起始臂、第一目标臂以及第二目标臂中还设置有一挡板。

8.根据权利要求1所述的决策行为的光刺激装置，其特征在于，所述视频分析系统包括设置于所述T型迷宫内的摄像头，用于记录测试动物的运动进程的图像信息并将该信息回传到所述中央控制系统。