CN104026043B - 用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，包括由外围挡板和底板组成的上开口迷宫；底板上间隔排列四个正方体结构的光箱将上开口迷宫的内腔分割成“田”字形通道；每个光箱内均设置有由紫、蓝、绿、黄四种单色发光灯体组成的灯组；在“田”字形通道的横向通道和纵向通道内均设置有位置检测装置和奖励装置。外围挡板上固定有开设有线槽的倒L形金属支架，倒L形金属支架的横架前端位于上开口迷宫的正上方，横架前端位置处固定有摄像装置和神经信号检测装置。本发明优点在于为家鸽的空间认知、工作记忆和感知运动整合等行为功能的神经生物学研究和神经信号检测提供了一种可靠的自动化实验装置。

Description

用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫

技术领域

本发明涉及动物行为的神经生物学及神经电生理学实验技术领域，尤其是涉及用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫。

背景技术

家鸽繁殖能力强、易于饲养管理、实验操控性强，是一种常用的行为学实验模式动物。最近的研究表明：家鸽具有空间理解性，能够确定自身所在位置，以及相对目标的运动方向，从而规划自身的运动策略和运动路径。目前家鸽这种高级认知行为功能背后的神经机制并未阐明，此方面研究对于理解动物运动行为的神经调控机理、空间运动导航的认知机制，以及开发仿生机器人、神经康复设备等方面具有重要应用价值，正在成为动物认知行为神经科学领域的研究热点。该方向研究需要在动物认知行为实验过程中，采用慢性植入的微电极阵列采集特定脑区的神经信号，同时测量动物行为操作成绩或反应时间，来衡量动物认知过程的神经信息编码特征、编码时间、编码规律和它们所依赖的条件等。这就要求实验所采用的条件刺激、设计的操作行为反应、施加的奖励或惩罚等必须符合受试动物的生理特点和行为习性，同时要保证操作行为事件与神经信号记录间的可靠标记。目前尚未有直接适用于家鸽空间认知、工作记忆和感知运动整合等高级认知行为功能的神经机制研究的实验仪器与技术。

家鸽视锐度高，具有四种类型的视锥细胞，色彩辨别能力突出，通常被应用于视觉目标辨识研究。“斯金纳箱”是该类研究实验仪器的典型代表，家鸽通过啄键行为对屏幕上出现的视觉线索做出响应。这类装置通常是封闭的箱式结构，空间狭小，不适合长时间学习训练，更关键的是无法进行家鸽空间认知和运动导航功能的研究。在动物空间认知和运动行为功能研究方面，迷宫实验是行之有效的实验技术，目前在大/小鼠研究中普遍采用的迷宫有水迷宫、Y迷宫、T迷宫、八臂迷宫和高架十字迷宫等。水迷宫不适合家鸽使用，Y迷宫、T迷宫和八臂迷宫等主要用于研究动物空间记忆，结构相对单一，通常采用在迷宫的一臂终端设置食物或气味来诱导动物进行运动路径选择，路径存在盲端，无法形成连续可往复的运动路径，无法满足家鸽空间认知和运动导航功能的研究需求。高架十字迷宫是利用大/小鼠对新异环境的探究特性和对高悬敞开臂的恐惧形成矛盾冲突行为来考察其焦虑状态，显然不适合可高空飞行的家鸽的研究。因此，目前尚未有符合家鸽生理特点和运动习性的迷宫装置。

发明内容

本发明目的在于利用家鸽的四色视觉优势以及喜好踱步的行为特性，提供一种用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，利用色彩线索实现家鸽连续路径运动导航。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，包括由外围挡板和底板组成的上开口迷宫；所述外围挡板上设置有上抽式活动门；所述底板上间隔排列设置有四个正方体结构的光箱将所述上开口迷宫的内腔分割成“田”字形通道，所述“田”字形通道迷宫结构形成循环通道，可任意设置运动路径的起点和终点；所述每个光箱均由白色半透明有机玻璃板制成，在每个光箱内均设置有由紫、蓝、绿、黄等四种单色发光灯体组成的灯组，用于作为家鸽运动行为的视觉线索提示；所述每种单色的发光灯体分别通过微控制器的一个接口与主控计算机控制输出接口电气连接；在所述“田”字形通道的横向通道和纵向通道内均设置有位置检测装置和奖励装置。所述位置检测装置用于有效检测家鸽在迷宫中的所在位置及运动路径；所述每个位置检测装置分别通过所述微控制器的信号接口与所述主控计算机信号输入接口电气连接；所述奖励装置的投食电磁铁控制器控制信号输入接口与微控制器输出控制接口电气连接，所述奖励装置用于家鸽根据视觉线索正确进行行为响应时实现给食奖励；所述外围挡板上固定有开设有线槽的倒L形金属支架，所述倒L形金属支架的横架前端位于所述上开口迷宫的正上方，所述横架前端位置处固定安装有摄像装置和可选的神经信号检测装置；所述摄像装置固定于所述横架前端下侧，所述摄像装置的视频信号输出接口与主控计算机的视频信号输入接口电气连接；所述摄像装置用于家鸽实验过程进行视频监控和记录以用于后期运动轨迹分析；神经信号检测装置安置在所述横架前端上侧，以有效避免家鸽实验过程中有线电生理记录时对连接线的阻碍和缠绕；所述可选的神经信号检测装置的同步输入信号接口与主控计算机的行为标记信号输出接口电气连接，用于神经信号数据与行为响应的可靠标记。

所述灯组由紫、蓝、绿、黄四种单色发光LED灯体组成，用于家鸽四色认知运动训练过程中的视觉线索提示；所述光箱为白色半透明板面，用于保证色彩光照均匀；所述外围挡板为对家鸽认知心理影响最小的白色有机玻璃板，所述白色板面用于隔离环境干扰；所述“田”字形通道的底板面为黑色板面的拼装结构，易于在实验结束后进行拆卸、清洗和重新拼装；所述黑色板面在视频记录中提高受试家鸽与环境背景的对比度，便于后续的运动轨迹分析；所述奖励装置由分别开设在所述横向通道和纵向通道边沿处的投食孔和投食电磁铁控制器组成。

所述迷宫支持实现色彩、空间位置和序列化三种主要导航模式；所述色彩导航模式是以四个光箱同时呈现某种色彩作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止四种特定的运动行为；所述空间位置导航模式是通过不同方位的光箱呈现绿色作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止四种特定的运动行为；所述序列化导航模式是按照期望受试家鸽所完成的运动路径，分解家鸽运动行为，将其对照色彩导航模式转化为光箱呈现的色彩提示序列，当色彩序列呈现完毕后受试家鸽再根据记忆的线索指令进行运动。

本发明优点在于充分利用家鸽的色彩认知优势，采用“田”字形通道迷宫结构形成循环通道，可任意设置运动路径的起点和终点，为家鸽的空间认知、工作记忆和感知运动整合等行为功能的神经生物学研究和神经信号检测提供了一种可靠的自动化实验装置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的主控单元控制电路原理框图。

图3是本发明所述底板的拼装结构示意图。

图4是本发明所述位置检测装置位于所述“田”字形通道的分布示意图。

图5是本发明所述奖励装置位于所述“田”字形通道的分布示意图。

图6-1、图6-2、图6-3、图6-4是本发明所述四个光箱同时呈现绿、蓝、紫、黄色的导航模式示意图。

图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5是本发明所述不同方位的光箱呈现绿色的空间位置导航模式示意图。

图8是本发明所述四个光箱按照“绿-蓝-紫-紫-紫-蓝-紫-蓝-黄”色顺序依次同时呈现的序列化导航模式“8”字路径示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，包括由四块长160cm、高50cm的长方形白色有机玻璃挡板1和底板围成的上开口迷宫2；其中一块白色有机玻璃挡板1上设置有上抽式活动门3供家鸽出入；底板采用黑色有机玻璃板制成，底板上间隔排列设置四个正方体结构的光箱4，将上开口迷宫2的内腔分割成由三条横向通道和三条纵向通道构成的“田”字形通道；每个光箱均由白色半透明有机玻璃板制成，在每个光箱4内均设置有由紫、蓝、绿、黄四种单色发光LED灯体组成的灯组5，如图2所示，每种单色发光LED灯体分别通过微控制器13的一个接口与主控计算机14控制输出接口电气连接，通过微控制器13控制可使得每个光箱呈现出紫、蓝、绿、黄四种色彩，为家鸽运动过程中提供视觉线索提示；如图4所示，为了检测家鸽出入上开口迷宫2及行走路径，在三条横向通道和三条纵向通道内和上抽式活动门3处分别间隔安装有红外位置检测装置6，为了有效检测到家鸽在迷宫中的所在位置及运动路径，安装点高度距底板15cm；如图5所示，奖励装置由投食孔7和投食电磁铁控制器组成，投食孔7分别开设在上、下两条横向通道和左、右两条纵向通道的中部道边；如图2所示，投食电磁铁控制器的驱动电路控制信号输入接口与微控制器13输出控制接口电气连接，由微控制器13根据主控计算机14指令进行选择投食控制，家鸽根据视觉线索正确进行行为响应时通过奖励装置实现给食奖励。如图2、图4所示，各个红外位置检测装置6分别通过微控制器13的信号接口与主控计算机14信号输入接口电气连接；挡板1上安装有开设有线槽的倒L形金属支架8，倒L形金属支架8的横架前端位于所述上开口迷宫2的正上方，在横架前端位置处安装有摄像装置9,并可同时安置神经信号检测装置10，如图2所示，摄像装置9的视频输出接口与主控计算机14视频输入接口电气连接，神经信号检测装置10的同步输入信号接口与主控计算机14的行为标记信号输出接口电气连接。如图3所示，为了便于拆卸、清洗和拼装，底板由四块长方形黑色有机玻璃板11和一块十字形黑色有机玻璃板12拼装组成。

本发明技术原理简述如下：

1、“田”字形通道迷宫：

“田”字形通道迷宫用于训练受试家鸽完成前行、左转、右转等多个方向的运动行为，同时支持利用视觉线索诱导家鸽进行连续路径运动和往复运动，如包含了直行、左转、右转等特定行为动作的“8”字路径行为训练。

“田”字形迷宫在结构上由四个光箱4、外围挡板1和底板构成。四个光箱4在作为迷宫结构重要组件的同时还作为视觉线索呈现单元，保证了迷宫构建的简洁性和便利性；迷宫外围挡板1用于隔离环境干扰，采用对家鸽认知心理影响最小的四块白色有机玻璃板组成；同时，四块外围挡板1中的一块设置有上抽式活动门3作为上开口迷宫2的出入口，内侧安装有红外位置检测装置6，用于记录家鸽进入迷宫和离开迷宫的时刻。四块外围挡板1中的一块安装有嵌有线槽的倒L形金属支架8，倒L形金属支架的横架前端位于所述上开口迷宫2的正上方，在横架前端位置处安装有摄像装置9，并可以放置美国BLACKROCKMICROSYSTEMS公司的Cerebus多通道神经数据记录系统或美国Plexon公司的OmniPlex在体多通道神经信号采集系统等国际主流的神经信号检测装置10，以有效避免有线电生理记录时对连接线的阻碍和缠绕；迷宫底板由四块长方形黑色有机玻璃板11和一块十字形黑色有机玻璃板12拼装组成，与光箱4和外围挡板1一起构成受试家鸽的运动通道，底板选择黑色是为了在视频记录中提高受试家鸽与环境背景的对比度，便于进行后续的运动轨迹分析。同时，底板采用拼装结构，易于在实验结束后进行拆卸、清洗和重新拼装。

2、四色光箱；

四色光箱既是田字形迷宫的结构组件，也是迷宫的视觉线索显示单元。箱体选择白色半透明有机玻璃材质，用于保证色彩光照均匀。由于家鸽具有四色视觉，视网膜中存在分别对紫色、蓝色、绿色、黄色等四种光线敏感的视锥细胞，因此每个光箱4中安装有这四种单色构成的LED灯组5，通过微控制器13控制可使得整个箱体呈现出紫色、蓝色、绿色、黄色等四种色彩，为家鸽运动导航过程提供视觉线索提示。

3、主控单元：

主控单元用于家鸽运动导航的路径预设、视觉线索模式选择设置、控制光箱进行视觉线索显示、记录受试家鸽运动位置和时间、进行奖励决策和奖励实施控制、家鸽运动轨迹分析。主控单元控制光箱按照预设的导航模式呈现视觉线索，对受试家鸽进行特定运动行为训练和连续路径导航。

主控单元由主控计算机14和显示器组成。主控计算机14分别与微控制器13、视频监控单元、神经电生理检测系统（可选）电气连接，用于家鸽色彩导航运动训练过程的模式参数设置、与其它各电路模块实现数据通讯与控制指令发送、训练实验数据采集和分析处理，以及训练数据和结果的显示、存储与输出。

4、微控制器

微控制器13用于与主控计算机14进行受试家鸽行为反馈数据通讯与控制指令传输、驱动LED灯组和奖励装置工作。微控制器13采用STC89C52RC型号单片机，分别与光箱内的LED灯组、红外位置检测装置、奖励装置、主控计算机14电气连接。

5、导航模式：

色彩导航模式是以四个光箱同时呈现某种色彩作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止等四种特定的运动行为。如图6-1～图6-4所示，以家鸽当前位置为起始点，若四个光箱4同时呈现绿色，则提示家鸽前方路口直行；若呈现蓝色，则提示右转；若呈现紫色，则提示左转；若呈现黄色，则停止运动，原地等待。当家鸽按照色彩提示，正确完成特定运动行为到达期望位置（通过红外位置检测装置6进行检测）后，四个光箱4熄灭，延迟特定时间间隔后开始呈现对下一通道口运动行为的视觉线索提示，直至完成对应行为到达下一期望位置，或根据微控制器13条件判断指令在出现错误动作响应时终止视觉线索提示。

空间位置导航模式是通过不同方位的光箱4呈现绿色作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止等四种特定的运动行为。如图7-1～图7-5所示，以家鸽当前位置为起始点，若前方两个光箱4点亮，则前方通道口直行，若右前侧光箱4点亮，则前方通道口右转；若左前侧光箱4点亮，则前方通道口左转；若四个光箱4同时点亮，则提示停止运动原地等待。特别指出的是，当家鸽处于迷宫拐角位置时，则以近侧光箱4点亮作为视觉线索提示。

序列化导航模式是按照期望受试家鸽所完成的运动路径，分解家鸽运动行为，将其对照色彩导航模式转化为光箱4呈现的色彩提示序列，当色彩序列呈现完毕后受试家鸽再根据记忆的线索指令进行运动。实验开始后，家鸽位于入口位置，四个光箱4按照预设的色彩提示序列以特定的时间间隔依次点亮，当序列播放完毕后（黄色为最后的终止指示），家鸽出发完成直行、左转、右转等任意序列化组合运动行为。图8为包含了直行、左转、右转等特定行为动作的家鸽“8”字路径运动行为序列化导航示意图，包括运动行为的分解设计和对应的色彩提示序列。

本发明测试方法主要用于对受试家鸽进行以四色认知为基础的特定运动行为训练和连续路径导航，支持在家鸽运动行为训练中同时进行神经电生理信号记录，并提供可靠的神经数据与行为数据同步标记。

对于受试家鸽的转向、直行、停止等特定运动行为训练，视觉线索提示可选择色彩导航模式或空间位置导航模式，分阶段循序渐进地对家鸽进行分解运动行为训练，缩短受试家鸽对特定运动行为习得所需的时间。

对于受试家鸽的连续路径导航训练，利用“田”字通道迷宫，首先按照预设路径和家鸽实际所在位置，利用色彩导航模式或空间位置导航模式指示家鸽到达下一期望位置，采用分步诱导的方式，完成整个连续路径的导航。在此基础上，进而采用序列化导航模式，根据受试家鸽的任务完成情况评估其工作记忆、空间记忆能力。

在具体的实验过程中，首先对主控计算机14进行系统初始化，然后进行实验方案设计，包括视觉线索模式选择、实验路径设置和预设实验时程阈值等。视觉线索模式选择包括四个光箱4的颜色、颜色呈现空间位置、序列化等多种导航模式设置；实验路径设置通过预设家鸽运动所经过红外检测装置6顺序实现。

测试实验以受试家鸽由入口出发，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，受试家鸽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，家鸽开始在各子通道中运动路径通过红外位置检测装置6采集并记录到达位置及相应时刻，判断家鸽在迷宫中的实验时间是否大于预设实验时程阈值，若大于预设实验时程阈值则实验强制结束，该试次记为无效试次；若小于预设实验时程阈值，则判断家鸽行为响应是否正确，若正确则通过奖励单元实现给食奖励；否则，继续计时，直至完成所有路径运动并返回实验准备区则实验结束。同时将实验相关数据记录到指定文件中进行日志保存。整个运动过程由视频监控单元监控、记录，画面实时显示在显示器上。

Claims (3)

1.一种用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，包括由外围挡板和底板组成的上开口迷宫；其特征在于：所述外围挡板上设置有上抽式活动门；所述底板上间隔排列设置有四个正方体结构的光箱将所述上开口迷宫的内腔分割成“田”字形通道，所述“田”字形通道迷宫结构形成循环通道；所述每个光箱均由白色半透明有机玻璃板制成，在每个光箱内均设置有由紫、蓝、绿、黄四种单色发光灯体组成的灯组，用于作为家鸽运动行为的视觉线索提示；所述每种单色的发光灯体分别通过微控制器的一个接口与主控计算机控制输出接口电气连接；在所述“田”字形通道的横向通道和纵向通道内均设置有位置检测装置和奖励装置，所述每个位置检测装置分别通过所述微控制器的信号接口与所述主控计算机信号输入接口电气连接，所述位置检测装置用于有效检测家鸽在迷宫中的所在位置及运动路径；所述奖励装置的投食电磁铁控制器控制信号输入接口与微控制器输出控制接口电气连接，所述奖励装置用于家鸽根据视觉线索正确进行行为响应时实现给食奖励；所述外围挡板上固定有开设有线槽的倒L形金属支架，所述倒L形金属支架的横架前端位于所述上开口迷宫的正上方，用于固定安装摄像装置和神经信号检测装置；所述摄像装置固定于所述横架前端下侧，所述摄像装置的视频信号输出接口与主控计算机的视频信号输入接口电气连接；所述摄像装置用于家鸽实验过程进行视频监控和记录以用于后期运动轨迹分析；所述神经信号检测装置安置在所述横架前端上侧，以有效避免家鸽实验过程中有线电生理记录时对连接线的阻碍和缠绕；神经信号检测装置的同步输入信号接口与主控计算机的行为标记信号输出接口电气连接，用于神经信号数据与行为响应的可靠标记。

2.根据权利要求1所述用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，其特征在于：所述灯组由紫、蓝、绿、黄四种单色发光LED灯体组成，用于家鸽四色认知运动训练过程中的视觉线索提示；所述光箱为白色半透明板面，用于保证色彩光照均匀；所述外围挡板为对家鸽认知心理影响最小的白色有机玻璃板，白色板面用于隔离环境干扰；所述“田”字形通道的底板面为黑色板面的拼装结构，易于在实验结束后进行拆卸、清洗和重新拼装；所述黑色板面在视频记录中提高受试家鸽与环境背景的对比度，便于后续的运动轨迹分析；所述奖励装置由分别开设在所述横向通道和纵向通道边沿处的投食孔和投食电磁铁控制器组成。

3.根据权利要求1所述用于家鸽的四色认知运动训练田字迷宫，其特征在于：所述迷宫支持实现色彩、空间位置和序列化三种主要导航模式；所述色彩导航模式是以四个光箱同时呈现某种色彩作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止四种特定的运动行为；所述空间位置导航模式是通过不同方位的光箱呈现绿色作为视觉线索提示，分别对应期望受试家鸽产生的直行、左转、右转和停止四种特定的运动行为；所述序列化导航模式是按照期望受试家鸽所完成的运动路径，分解家鸽运动行为，将其对照色彩导航模式转化为光箱呈现的色彩提示序列，当色彩序列呈现完毕后受试家鸽再根据记忆的线索指令进行运动。