CN104996311A - 一种视觉恐惧联结自动训练装置 - Google Patents

Abstract

<b>本发明涉及动物视觉恐惧记忆研究领域，特别涉及一种视觉恐惧联结自动训练装置。在本发明中，主控单元设计刺激方案、发送控制指令，微控制器根据主控单元的指令，控制气体惩罚单元工作；气体惩罚单元在穿梭箱内喷出气体对处于穿梭箱内的动物进行惩罚；视频监控器用于对处于穿梭箱内的动物的行动进行实时监控；视觉刺激显示单元用于根据主控单元的指令显示视觉刺激信息。本发明应用动物巴普洛夫条件性反射原理实现视觉恐惧记忆联结，运用高压气体惩罚，实现训练过程中无干扰实时信号采集，同时无电磁噪声，也不会对动物带来操伤，缩短受试建立恐惧联结条件反射的时间。</b>

Description

一种视觉恐惧联结自动训练装置

技术领域

本发明涉及动物视觉恐惧记忆研究领域，特别涉及一种视觉恐惧联结自动训练装置。

背景技术

随着认知神经科学技术的发展，恐惧情绪的神经机制研究成为恐惧领域研究的热点之一，动物对外界信息产生恐惧情绪是通过先天遗传和后天习得两种方式得到的。由于动物在生存中会面临各种潜在的威胁，在成长过程中需要不断地学习生存经验，所以对后天习得恐惧情绪的研究尤其重要，而对后天性恐惧联结的研究中，恐惧联结装置是模拟自然状态下恐惧联结模型构建的重要设备。大/小鼠是视觉神经系统功能和视觉认知行为功能研究中最常用的模式动物，对大/小鼠的记忆研究伴随着联结性学习记忆。目前，视觉恐惧联结装置只是采用简单的声音或者灯光作为条件刺激，足底电击作为非条件刺激，这种装置无法实现大鼠对具体视觉信息建立恐惧联结，且足底电击作为非条件刺激在微弱脑电信号采集过程中带来很大的干扰，无法采集视觉恐惧联结过程中神经信号的变化规律。

因此，需要研制一种既能够使动物较快地建立特定刺激与惩罚关联，又能在训练过程供采集设备进行采集神经信号而没有干扰的自动化训练系统，但目前未有这方面训练系统的研究。

专利名称为一种无线移动小动物脑电实时采集装置（公开号为101766485A）的中国发明专利，公开了一种无线移动小动物脑电实时采集装置，包括：电极、脑电采集模块、RF无线传输模块、电源模块和PC接收模块，其中：电极设置在被测小动物的头部，电极和脑电采集模块相连传输原始脑电信号，脑电采集模块与RF无线传输模块相连传输调制后的数字脑电信号，RF无线传输模块与PC接收模块相连传输数字脑电信号，电源模块分别与脑电采集模块和RF无线传输模块相连传输电源信息，其特征在于，所述的电极包括：两个双导联通道和一个参考电极，其中：两个双导联通道分别设置在被测小动物的头部且分别与脑电采集模块相连传输原始脑电信号，参考电极设置在被测小动物上且与脑电采集模块相连传输参考电极信息；所述的RF无线传输模块包括：第二同步串行接口和无线射频发送器，其中：第二同步串行接口与脑电采集模块相连传输调制后的数字脑电信号，无线射频发送器与第二同步串行接口相连传输数字脑电信号，PC接收模块与无线射频发送器相连传输数字脑电信号。该专利技术方案中没有排除干扰信号，而且可能对动物产生伤害。

发明内容

为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种有效缩短视觉恐惧联结的时间，并且实现训练过程中特定脑区神经信号的无干扰采集的视觉恐惧联结自动训练装置。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

      一种视觉恐惧联结自动训练装置，其中，包括主控单元、微控制器、气体惩罚单元、视频监控器、视觉刺激显示单元、红外检测单元和穿梭箱；所述主控单元用于设计视觉刺激模式和刺激方案、发送控制指令及对检测到的数据进行分析处理；所述微控制器用于根据所述主控单元的指令，控制所述气体惩罚单元工作；所述气体惩罚单元用于在所述穿梭箱内喷出气体对处于所述穿梭箱内的动物进行惩罚；所述视频监控器用于对处于所述穿梭箱内的动物的行动进行实时监控；所述视觉刺激显示单元用于根据所述主控单元的指令显示视觉刺激信息；所述红外检测单元用于检测处于所述穿梭箱内的动物的实时变化位置，并把检测到的信息数据传输至所述主控单元；所述穿梭箱为训练动物的场所。

作为本发明的进一步改进，所述微控制器包括单片机、驱动电路、传感器和蜂鸣器，所述单片机分别控制所述驱动电路、传感器和蜂鸣器，所述驱动电路与所述气体惩罚单元连接。

作为本发明的更进一步改进，所述气体惩罚单元包括高压气体发生器、用于控制气体喷射的电磁阀、用于输送气体的气流管，所述电磁阀与所述驱动电路连接，所述电磁阀包括控制端、进气口和出气口，所述进气口与所述高压气体发生器连接，所述出气口与所述气流管连接，所述气流管联结在所述穿梭箱的侧面上。

作为本发明的更进一步改进，所述穿梭箱设置有两个腔室，两个腔室之间设置有活动隔板，所述活动隔板设置有用于使动物通过的门，两个腔室底部设置有用于清理动物粪便的抽屉，所述抽屉上设置有用于采集信号时接地线的铜棒，所述穿梭箱侧面设置有对应所述气流管的气压管道。

作为本发明的更进一步改进，所述主控单元包括电脑主机和电脑显示器，所述电脑主机内设置有数据分析模块，所述数据分析模块用于对所述红外检测单元检测到的信息进行综合数据处理。

作为本发明的更进一步改进，所述红外检测单元包括红外检测器。

作为本发明的更进一步改进，所述视觉刺激显示单元包括用于根据所述主控单元指令显示的显示屏和分屏器。

作为本发明的更进一步改进，所述视频监控器包括摄像头。

作为本发明的更进一步改进，所述视觉恐惧联结自动训练装置外连接有外设信号采集器，所述外设信号采集器用于在训练过程中同步采集进行慢性电极阵列植入手术的动物的脑电信号。

在本发明中，穿梭箱用于作为训练动物的场所，主控单元设计刺激模式和刺激方案、发送控制指令及对检测到的数据进行分析处理，微控制器根据主控单元的指令，控制气体惩罚单元工作；气体惩罚单元在穿梭箱内喷出气体对处于穿梭箱内的动物进行惩罚；视频监控器用于对处于穿梭箱内的动物的行动进行实时监控；视觉刺激显示单元用于根据主控单元的指令显示视觉刺激信息；红外检测单元用于检测处于穿梭箱内的动物的实时变化位置，并把检测到的信息数据传输至所述主控单元。本发明应用动物视觉恐惧记忆，实现训练过程中无干扰实时信号采集，同时无电磁干扰，也不会对动物带来损伤，缩短受试建立恐惧联结条件反射的时间。本发明在视觉通路机制、神经元编码、创伤后应激障碍等研究领域具有重要的应用价值和实验需求。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的微控制器的结构框图；

图4为本发明的穿梭箱的结构示意图；

图5为本发明的微控制器内单片机的电路图；

图6为本发明的光耦隔离器的电路图；

图7为本发明的红外检测器的检测电路图；

图8为本发明的微控制器的蜂鸣器的电路图；

图9为本发明的微控制器的主程序初始化流程图；

图10为本发明的主控单元与微控制器的USB通信中断处理程序流程图；

附图标记：1-主控单元，2-微控制器，21-单片机，22-驱动电路，23-蜂鸣器，24-传感器，3-气体惩罚单元，4-视频监控器，5-视觉刺激显示单元，6-红外检测单元，7-外设信号采集器，8-穿梭箱，81-活动隔板，82-门，83-抽屉，84-气压管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种视觉恐惧联结自动训练装置包括主控单元1、微控制器2、气体惩罚单元3、视频监控器4、视觉刺激显示单元5、红外检测单元6和穿梭箱8；主控单元1用于设计视觉刺激模式和刺激方案、发送控制指令及对检测到的数据进行分析处理；主控单元1设计整个刺激动物视觉信息产生恐惧记忆训练的方案，并把这套方案下达指令执行下去；微控制器2用于根据主控单元1的指令，控制气体惩罚单元3工作，执行主控单元1下达的指令，控制气体惩罚单元3按主控单元设计的方案设定来工作；气体惩罚单元3用于在穿梭箱8内喷出气体对处于穿梭箱8内的动物进行惩罚，使动物产生恐惧记忆；视频监控器4用于对处于穿梭箱8内的动物的行动进行实时监控，实时监控动物在穿梭箱8内的活动，并进行记录，以便于数据分析；视觉刺激显示单元5用于根据主控单元1的指令显示视觉刺激信息，通过视觉来刺激动物，以便使该动物进行记忆，产生恐惧；红外检测单元6用于检测处于穿梭箱8内的动物的实时变化位置，并把检测到的信息数据传输至主控单元1，以便主控单元1来对动物活动变化来分析该动物的恐惧记忆；穿梭箱8为训练动物的场所。本发明中动物以大小老鼠作为研究对象。

本发明提供一种微控制器的实施方式，微控制器2包括单片机21、驱动电路22、传感器24和蜂鸣器23，单片机21分别控制驱动电路22、传感器24和蜂鸣器23，驱动电路22与气体惩罚单元3连接。单片机21的具体控制电路图如图5所示，单片机21还与光耦隔离器连接，光耦隔离器的隔离电路结构图如图6所示，蜂鸣器23的电路图如图8所示。如图5-8所示，微控制器2硬件电路的主控制芯片选择的是C8051F320单片机，单片机C8051F320支持USB通信，不需要外部器件便可实现与上位机(主控单元)的通讯，进行相应的数据加载、数据读写和功能设定等操作，完成受训动物看到特定图片进行逃避行为的记录和检测。微控制器2硬件电路的电源部分采用USB总线5V和DC5V双电源供电，其中USB总线5V电源是为单片机单独供电，保证单片机的有一个稳定的工作电压，C8051F320单片机内部自带的稳压器可以将5v降到3.3V为光耦提供一个相对高电压，以便于控制其他单元和电源隔离。系统选用的红外传感器为光电传感器，标准电压5V，正常工作电流150mA，考虑到USB总线接口所能提供的最大电流是500mA，不足以满足单片机、4个红外传感器和蜂鸣器的正常的工作，故不用USB总线为其供电，而采用单独的DC5V电源为4个红外传感器和蜂鸣器供电。电控阀利用外部电源单独供电，通过光耦隔离器（其电路结构如图6）隔离电源部分，对主控制电路不会产生干扰，电控阀惩罚单元由单片机端口直接驱动光耦控制。蜂鸣器由2N5551驱动，微控制器的IO端口直接驱动工作，用于提醒实验员以及动物本次训练已结束。如图9所示。微控制器2的软件部分主要包括USB通信、电控阀控制（光耦）和红外传感器信号检测。微控制器2主程序主要完成系统时钟、I/O端口和定时器的初始化，以及USB功能的配置、SMBus功能配置、中断配置。系统初始化工作结束后，程序进入中断等待状态，其中包括红外传感器中断、USB中断；USB中断优先级较高，用于和主控单元的通信；红外传感器中断通过动物触发，用于检测动物的位置信息以及逃避至安全腔室的时间。

主控单元1与微控制器2的USB通信中断处理程序流程（如图10所示）。主控单元1向微控制器2发送指令后会触发响应的USB中断，根据通讯协议按照指令类型进行响应的处理：如果接收到的是设置指令，则向下位机传送实验相关参数，则下位机将按照响应的参数进行运行对动物训练；如果收到的是查询指令，则将穿梭箱中实时的实验数据传送至主控单元，从而实现主控单元与微控制器的USB双向通信。

本发明提供一种气体惩罚单元3的实施方式，气体惩罚单元3包括高压气体发生器、用于控制气体喷射的电磁阀、用于输送气体的气流管，电磁阀与驱动电路连接，电磁阀包括控制端、进气口和出气口，进气口与高压气体发生器连接，出气口与气流管连接，气流管联结在穿梭箱8的侧面上，电磁阀采用DC12V、接口直径5mm常闭电控放气阀，高压气体通过电控阀和气流管冲击至穿梭箱8内，利用动物对强气流的恐惧的原理，惩罚采用电控阀控制强气流，气体容易被控制，无电磁干扰，并且不会对动物造成伤害，有效提高了动物的训练效果，并且为受试动物微信号的采集消除了不必要的干扰。

本发明提供穿梭箱8的一种实施方式，穿梭箱8设置有两个腔室，两个腔室之间设置有活动隔板81，活动隔板81可以抽拉，分别用来信号采集和恐惧试练，且活动隔板81设置有用于使动物通过的门82，两个腔室底部设置有用于清理动物粪便的抽屉83，抽屉83上设置有用于采集信号时接地线的铜棒，减少干扰信号，穿梭箱8侧面设置有对应气流管的气压管道84，气流管分别联结到穿梭箱8两室的三个侧面（保证冲击到受试者），穿梭箱8采用有机玻璃材料自主设计制作，尺寸46×30×40，箱体四周封闭顶端开口设计。

本发明提供一种主控单元1的实施方式，主控单元1包括电脑主机和电脑显示器，电脑主机内设置有数据分析模块，数据分析模块用于对红外检测单元6检测到的信息进行综合数据处理。主控单元1主要是基于vb开发控制系统，用于训练以及信号采集模式选择、训练方案设置、与其它模块的数据通讯与控制、记录每次对动物训练的效果以及训练方案。

为了更好地检测处于穿梭箱8内的动物的实时变化位置，红外检测单元6包括红外检测器，红外检测器实时检测动物的变化位置；通过气体惩罚单元的动物的逃避成功或失败的信息是就由红外检测器检测位置后，传送至主控单元1进行判断分析得到的；红外检测器的检测电路图如图7所示。

为了更好地显示刺激图像，视觉刺激显示单元5包括用于根据主控单元1指令显示的显示屏和分屏器，由主控单元1控制所要显示的图形，与气体惩罚单元3协同工作，使之达到恐惧联结的效果。

为了更好地实时监控动物在穿梭箱8内的活动，视频监控器4由高清摄像头构成，主要用于无人监视情况下动物训练学习过程以及各个阶段动物学习过程的回放。

在动物学习过程中，为了便于对动物的脑电信号进行分析，本发明的视觉恐惧联结自动训练装置还可以外连接外设信号采集器7，外设信号采集器7用于在训练过程中同步采集进行慢性电极阵列植入手术的动物的脑电信号，还可以用于采集动物逃避气体惩罚单元3的惩罚的成功和失败的脑电信号，主控单元1与外设信号采集器7通过串口通信连接，主控单元1为外设信号采集器7提供信息标记，以便根据脑电信号的分析。

本发明应用动物巴普洛夫条件性反射原理实现视觉恐惧记忆联结，运用高压气体惩罚，并外扩神经信号采集装置，运用串口通讯实现视觉刺激的同步打标，可以实现进行慢性微电极阵列植入手术后的大鼠在训练全程无干扰实时信号采集，避免了传统的足底电击惩罚训练装置因电磁干扰太强严重影响实时在线采集的缺陷，也不会对动物带来损伤，缩短受试建立恐惧联结条件反射的时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，包括主控单元、微控制器、气体惩罚单元、视频监控器、视觉刺激显示单元、红外检测单元和穿梭箱；所述主控单元用于设计视觉刺激模式和刺激方案、发送控制指令及对检测到的数据进行分析处理；所述微控制器用于根据所述主控单元的指令，控制所述气体惩罚单元工作；所述气体惩罚单元用于在所述穿梭箱内喷出气体对处于所述穿梭箱内的动物进行惩罚；所述视频监控器用于对处于所述穿梭箱内的动物的行动进行实时监控；所述视觉刺激显示单元用于根据所述主控单元的指令显示视觉刺激信息；所述红外检测单元用于检测处于所述穿梭箱内的动物的实时变化位置，并把检测到的信息数据传输至所述主控单元；所述穿梭箱为训练动物的场所。

2.根据权利要求1所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述微控制器包括单片机、驱动电路、传感器和蜂鸣器，所述单片机分别控制所述驱动电路、传感器和蜂鸣器，所述驱动电路与所述气体惩罚单元连接。

3.根据权利要求2所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述气体惩罚单元包括高压气体发生器、用于控制气体喷射的电磁阀、用于输送气体的气流管，所述电磁阀与所述驱动电路连接，所述电磁阀包括控制端、进气口和出气口，所述进气口与所述高压气体发生器连接，所述出气口与所述气流管连接，所述气流管联结在所述穿梭箱的侧面上。

4.根据权利要求3所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述穿梭箱设置有两个腔室，两个腔室之间设置有活动隔板，所述活动隔板设置有用于使动物通过的门，两个腔室底部设置有用于清理动物粪便的抽屉，所述抽屉上设置有用于采集信号时接地线的铜棒，所述穿梭箱侧面设置有对应所述气流管的气压管道。

5.根据权利要求4所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述主控单元包括电脑主机和电脑显示器，所述电脑主机内设置有数据分析模块，所述数据分析模块用于对所述红外检测单元检测到的信息进行综合数据处理。

6.根据权利要求5所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述红外检测单元包括红外检测器。

7.根据权利要求6所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述视觉刺激显示单元包括用于根据所述主控单元指令显示的显示屏和分屏器。

8.根据权利要求7所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述视频监控器包括摄像头。

9.根据权利要求8所述的一种视觉恐惧联结自动训练装置，其特征在于，所述视觉恐惧联结自动训练装置外连接有外设信号采集器，所述外设信号采集器用于在训练过程中同步采集进行慢性电极阵列植入手术的动物的脑电信号。