CN105011943B - 一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用，包括记录显示器、跑步机、信号采集系统、若干个红外探测器以及用于读取大鼠脑电信号的装置，其中，若干个红外探测器分别与大鼠的行为发生处对应安装；所有红外探测器和用于读取大鼠脑电信号的装置均与信号采集系统连接，信号采集系统与记录显示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中。红外探测器与信号采集系统配合，可以检测跑步机转速，也可以检测大鼠特定运动行为，并以“事件”的形式同步记录在脑电信号中，用于分析大鼠特定运动行为下脑电信号的变化。

Description

一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用

技术领域

本发明涉及一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用。

背景技术

现有的大鼠行为学量化实验中，一般使用的是电驱动跑步机，通过控制电驱动跑步机的转动速率，来控制大鼠的跑步速率，但是电驱动跑步机存在以下弊端，一是电驱动跑步机会产生一定的电磁场，大鼠的脑电信号非常微弱，一般在微伏级，该电磁场会对大鼠的脑电信号产生严重的影响，导致无法准确的检测和分析脑电信号；二是需要添加额外的屏蔽装置，但是屏蔽装置占面积大，使用操作不便，而且价格昂贵。

现有的行为学实验中多是利用食物诱导形成条件反射使大鼠运动，但是该方法存在明显的弊端，一是在实验前需要对大鼠进行长期的饥饿处理，体质下降，有些大鼠甚至处于病态，影响脑电信号；二是饥饿状态会影响大鼠的情绪，有研究表明情绪影响脑电信号；三是无法灵活地控制大鼠连续运动，难以采集大鼠在连续运动状态下的脑电信号；四是大鼠边咀嚼边跑动，咀嚼对脑电信号的干扰很大，无法进行后续的分析。

现有的跑步机装置上很少有同步标记大鼠特定行为的装置，只能通过肉眼或摄像装置标记，但是由于肉眼观察后再操作或摄像设备的延迟，标记不准确，无法实现同步标记，很难识别大鼠在特定行为下对应的脑电信号。

此外，现有的行为学实验中对大鼠运动缺陷症状的评价只有运动时间一项指标，不能准确、全面的量化评价，缺乏一种较为完善的大鼠行为学量化评价方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大鼠行为红外线识别系统，包括记录显示器、跑步机、信号采集系统、若干个红外探测器以及用于读取大鼠脑电信号的装置，其中，若干个红外探测器分别与大鼠的行为发生处对应安装；所有红外探测器和用于读取大鼠脑电信号的装置均与信号采集系统连接，信号采集系统与记录显示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中。

优选的，所述跑步机为手摇式跑步机，其包括转杆、用于供大鼠跑步的滚筒以及安装在滚筒一侧的阻挡杆，所述转杆与滚筒连接，用以控制滚筒转速。该跑步机便于灵活地控制大鼠连续运动，节省实验操作时间，不再依赖食物形成条件反射，有效地避免了咀嚼干扰脑电信号，而且手工摇动，可以避免电驱动跑步机电磁场对脑电信号的干扰。

进一步优选的，所述滚筒的两侧还分别设置有转轮，所述阻挡杆安装在转轮上。转轮的直径大于滚筒的直径，由于大鼠溜边跑动，能有效地避免大鼠从跑步机上跌落，而且阻挡杆安装在转轮上可以更方便地与红外探测器相对安装，避免大鼠阻挡红外探测器。

优选的，所述红外探测器包括红外避障传感器和上拉电阻，上拉电阻与红外避障传感器信号输出端连接。红外避障传感器是NPN型光电开关，输出状态是0，1，即数字电路中的高电平和低电平。该红外探测器能够自动检测大鼠的特定行为，并且能够触发信号采集系统以“标记”的形式同步记录在大鼠的脑电信号中，几乎没有延迟。

进一步优选的，所述上拉电阻的阻值为1KΩ。实验发现，在该阻值的定值电阻下，红外探测器的灵敏度更高，延迟更小。

优选的，所述用于读取大鼠脑电信号的装置为头皮记录电极。头皮记录电极可以通过贴合在头皮上获得头皮的脑电信号，不需要通过手术植入电极，对大鼠没有造成创伤，没有引入更多的影响因素，更加方便操作。

所述红外线识别系统的使用方法，包括如下步骤：

1)当大鼠在跑步机上跑动时，观察大鼠的行为，并将红外探测器设置在大鼠特定行为发生位置的相应位置上；用以记录大鼠的特定行为。

2)跑步机匀速运动，使大鼠在跑步机上运动，将大鼠的特定行为记录在大鼠的脑电信号中，分析大鼠的特定行为与脑电信号之间的关系。

优选的，步骤1)中，大鼠的特定行为为迈前肢、抬头或失误等。可以将大鼠的特定行为与大鼠的相应的脑电信号对应起来，更加有利于研究大鼠的行为。

优选的，步骤2)中，跑步机的旋转速度为12r/min。在该旋转速度下，大鼠连续跑动，可以保证较好的实验效果，更好的分析大鼠连续跑动、特定行为与脑电信号之间的关系。

所述大鼠行为红外线识别系统在建立帕金森综合症大鼠行为学量化评价体系中的应用。

本系统可以用于建立帕金森综合症大鼠行为学量化评价体系，进而根据评价体系得出大鼠病情的严重程度。

红外识别的原理：

红外探测器与Plexon信号采集系统的数字输入端口(Digital Input)相连，正常处于导通状态而输出高电平(5V)，当检测到目标时(即被目标物阻挡时)因电路中断而输出低电平(0V)，该低电平触发信号采集系统，从而记录为一次“事件”。

本发明的有益效果：

(1)跑步机手工驱动，有效地避免了电驱动跑步机电磁场对脑电信号的干扰；

(2)红外探测器与信号采集系统配合，可以检测跑步机转速，也可以检测大鼠特定运动行为，并以“事件”的形式同步记录在脑电信号中，用于分析大鼠特定运动行为下脑电信号的变化；

(3)本发明的跑步机，便于灵活地控制大鼠连续运动，节省实验操作时间，不再依赖食物形成条件反射，有效地避免了咀嚼干扰脑电信号；

(4)本发明的结构简单，成本低，并且便于灵活搬动。

(5)可以量化评价患病大鼠运动缺陷症，比如帕金森综合症、癫痫等。

(6)可以用于创建大鼠行为学量化评价体系。

附图说明

图1为本发明的跑步机的结构示意图；

图2为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中最长运动时间比较示意图；

图3为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速测评中步频比较示意图；

图4为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中失误次数比较示意图；

图5为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中不连续运动频率比较示意图；

图6为头皮脑电信号截取片段；

图7为红外探测器的原理示意图。

其中，1、转轮，2、红外探测器，3、滚筒，4、阻挡杆，5、转杆，6、支架，7、数据传输线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种大鼠行为红外线识别系统，包括记录显示器、跑步机、Plexon信号采集系统(购买于美国Plexon公司，是目前国际上较为先进的采集脑电信号的机器，可以采集大鼠活体状态下的脑电信号，并且可以对信号进行放大，用于后续分析；传统的技术只能采集麻醉状态的脑电信号，但麻醉剂会对脑电信号产生影响)、若干个红外探测器2以及用于读取大鼠脑电信号的装置，其中，跑步机上设置阻挡杆4，一个红外探测器2与阻挡杆4的位置对应设置；其他红外探测器2分别与大鼠的行为发生处对应安装；所有红外探测器2和用于读取大鼠脑电信号的装置均与Plexon信号采集系统连接，Plexon信号采集系统与记录显示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中。

如图1所示，跑步机为手摇式跑步机，其包括转杆5、用于供大鼠跑步的滚筒3以及安装在滚筒3一侧的阻挡物，所述转杆5与滚筒3连接，用以控制滚筒3转速。跑步机的阻挡物为阻挡杆4。

滚筒3的两侧还可以分别设置有转轮1，所述阻挡杆4安装在转轮1上。

与阻挡杆4相对应的红外探测器2安装在于跑步机的一侧，阻挡杆4在转轮1的带动下每旋转一周都会阻挡红外探测器2的光线，根据时间，得到跑步机的转速。

如图7所示，红外探测器2包括红外避障传感器和和阻值1KΩ的上拉电阻，上拉电阻与红外避障传感器信号输出端连接。

红外探测器2与Plexon信号采集系统的数字输入端口(Digital Input)的连接，正常处于导通状态而输出高电平(5V)，当检测到目标时(即被目标物阻挡时)因电路中断而输出低电平(0V)，该低电平触发Plexon信号采集系统，从而记录为一次“事件”。

实施例1

使用所述大鼠行为红外线识别系统进行实验的方法，包括如下步骤：

1)训练帕金森综合症大鼠，使大鼠形成在跑步机上连续跑动的条件反射；

实验者进行匀速旋转跑步机训练，跑步机的转速为12r/min，实验者目视秒表，手持转杆，每5s匀速旋转1圈，连续旋转30min；训练大鼠连续运动，控制跑步机向大鼠头部方向旋转，由于恐惧，大鼠迅速转身并跑动，多次训练后，大鼠消除恐惧心理，形成条件反射，在跑步机上连续跑动。

2)当大鼠在跑步机上连续跑动时，观察大鼠的行为(伸前肢)，记下大鼠行为发生的位置；将红外探测器设置在大鼠行为发生位置的相应位置上，当大鼠伸前肢时，阻挡红外探测器的光线，系统会以“事件”的形式记录，进而记录下大鼠的特定行为；

3)匀速启动跑步机，用Plexon信号采集系统记录大鼠的脑电信号，使大鼠在跑步机上连续运动，并将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中，如果大鼠伸前肢，则通过红外探测器将信号传递到Plexon信号采集系统，Plexon信号采集系统将信号输出到计算机进行显示，显示的形式为在大鼠的脑电信号中打了一次标。

通过分析打标的位置和相应位置处大鼠的脑电信号，就可以知道帕金森综合症大鼠在做迈前肢时的动作时，其脑电信号是怎样的。

实施例2

实验过程与实施例1是相同的，不过实验用大鼠改用患有癫痫的大鼠。控制跑步机的转速为12r/min。

让大鼠在跑步机上连续跑动，测定大鼠的失误与大鼠脑电信号之间的关系，失误是指大鼠在30min内由于自身失控从跑步机上跌落，T_max>30min视为成功。通过分析打标的位置和相应位置处大鼠的脑电信号，就可以知道患有癫痫大鼠失误时的脑电信号是怎样的。

实施例3

在建立帕金森病大鼠行为学量化评价体系中的应用。

一、材料与方法

1、实验动物和主要仪器

健康成年雄性Wistar大鼠，体重质量280～310g，由山东大学实验动物中心提供。行为学检测确认无异常行为，将大鼠随机分为2组：正常组8只、实验组10只。饲养环境通风良好，湿度控制在45％～65％，温度保持在21℃～27℃，12h昼夜明暗交替，自由饮水，标准饲料喂养。

头皮记录电极，自制跑步机(含红外探测器)，SPSS 16.0分析软件，Plexon信号采集系统，信号采集系统由转接头、Headstage、高阻抗输入线、放大器和信号采集仪组成。

2、跑步机构造及行为学评价体系

2.1跑步机构造

跑步机由支架、转杆、滚筒(Φ＝0.14m)、秒表、阻挡杆和红外探测器组成。红外探测器与信号采集系统相连，当阻挡杆跨越红外路径时，Plexon信号采集系统自动打标，并以“事件”的形式记录在原始信号中，用于控制跑步机转速。

2.2行为学评价体系

行为学评价体系包括最长运动时间(T_max)、步频、失误次数和不连续运动频率等4项指标。T_max＝T₂-T₁(T₁：大鼠开始在跑步机上连续跑动时对应的时间，T₂：大鼠跌落时对应的时间，T_max≤30min)；大鼠四肢顺次运动1次定义为1步，步频＝步数/时间；失误是指大鼠在30min内由于自身失控从跑步机上跌落，T_max>30min视为成功，失误次数是指10次重复测试中，大鼠从跑步机上跌落的次数；不连续运动是指大鼠在运动过程中暂停或跳动，不连续运动频率＝不连续运动次数/时间。

3、方法

3.1实验分组

实验组大鼠为帕金森综合症大鼠，对照组为正常大鼠，实验组和对照组均为10只。

3.2行为学量化评测及转速筛选

分别对2组大鼠进行9r/min～30r/min连续的量化评测筛选，转速每次增加1r/min。量化评测指标包括T_max、步频、失误次数、不连续运动频率等4项，每个转速重复评测10次。由于2组大鼠在相邻转速间每项量化评测指标的差异性变化不大，所以选取低转速(9r/min)、中转速(15r/min)、高转速(20r/min)、极高转速(30r/min)作图。操作需要3人配合完成，第1人转动跑步机，将大鼠放置在匀速旋转的跑步机上，开始计时(记作T₀)，大鼠连续跑动时，计时1次(记作T₁)，大鼠从跑步机上跌落时，再次计时(记作T₂)，适应时间(T_ad)＝T₁-T₀。另一人手动打标记录大鼠1步的起、止，Plexon信号采集系统分别记作“标记一”、“标记二”，用于记录大鼠的步数。第3人记录评测过程中，大鼠的失误次数和不连续运动次数。操作结束后，计算T_max、失误次数、步频、不连续运动频率。

3.3行为学评价体系应用于Plexon信号电的采集

通过红外探测器检测跑步机转速，将转速控制在12r/min，将Plexon信号采集系统的采样率设置为40000Hz，头皮脑电信号截止频率设置为0.5～1000Hz。分别采集2组大鼠的脑电信号，信号时长90s。将记录到的头皮脑电信号导入Matlab，分析帕金森综合症病变前后的变化。

4、统计学方法

采用SPSS 16.0软件进行统计分析，数据资料以表示，多组间比较采用双因素方差分析法，两两比较采用LSD法，P<0.05为差异有统计学意义。

二、结果

2组大鼠行为学量化评测结果比较

在9r/min和15r/min评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠T_max无明显变化，差异无统计学意义(P>0.05)；在20r/min和30r/min评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠T_max显著变短(P<0.01，如图2所示)。

在9r/min和15r/min评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠步频无明显变化，差异无统计学意义(P>0.05)；在20r/min和30r/min评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠步频显著降低(P<0.05，如图3所示)。在12r/min评测中，对照组大鼠T_ad＝6.40±0.79min，实验组大鼠T_ad＝29.67±2.57min，实验组大鼠T_ad显著延长(P<0.01)。

在每一个转速评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠失误次数均显著增多(P<0.05，P<0.01)，在20r/min和30r/min评测中，与对照组大鼠相比较，实验组大鼠失误次数呈极显著性增多(P<0.01，如图4所示)。

2组大鼠转速筛选结果比较

对照组大鼠在9r/min和30r/min评测中，暂停或跳动次数多，不连续运动频率显著升高(P<0.05，P<0.01)；实验组大鼠在20r/min评测中，跳动次数多，不连续运动频率显著升高(P<0.01)。在11r/min、12r/min、13r/min和14r/min评测中，2组大鼠不连续运动频率均较低，差异无统计学意义(P>0.05)，在12r/min时，2组差异最小(如图5所示)。

行为学评价体系在Plexon中应用的部分结果

经电极记录到头皮脑电信号，将头皮脑电信号导入Matlab进行分析，实验中记录到的脑电信号较为平缓，几乎没有干扰(如图6所示)。

讨论

从将大鼠放置在跑步机上至大鼠连续跑动所经历的时间定义为T_ad，实验组帕金森综合症大鼠较对照组正常大鼠T_ad显著延长，并且随着训练次数的增加，正常大鼠T_ad逐渐变短，帕金森综合症大鼠T_ad没有明显变化。由此可以看出，帕金森综合症大鼠学习适应能力显著降低，在采集帕金森综合症大鼠运动信号时，要先进行一段时间的适应性训练。在高转速评测中，帕金森综合症大鼠T_max显著变短，失误次数显著增多，这与帕金森综合症大鼠运动控制能力差、运动协调性差等运动缺陷症状有关。经过11r/min～14r/min连续评测筛选，并应用于Plexon信号采集，12r/min适宜采集正常大鼠、帕金森综合症大鼠在连续运动状态下的脑电信号。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种大鼠行为红外线识别系统，其特征在于：包括记录显示器、跑步机、信号采集系统、若干个红外探测器以及用于读取大鼠脑电信号的装置，其中，若干个红外探测器分别与大鼠的行为发生处对应安装，大鼠动作时，阻挡红外探测器的光线，系统会记录下大鼠的特定行为；

所有红外探测器和用于读取大鼠脑电信号的装置均与信号采集系统连接，信号采集系统与记录显示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中；

所述跑步机为手摇式跑步机，其包括转杆、用于供大鼠跑步的滚筒以及安装在滚筒一侧的阻挡杆，所述转杆与滚筒连接，用以控制滚筒转速；

所述滚筒的两侧还分别设置有转轮，所述阻挡杆安装在转轮上；

与阻挡杆相对应的红外探测器安装于跑步机的一侧，阻挡杆在转轮的带动下每旋转一周都会阻挡红外探测器的光线，根据时间，得到跑步机的转速。

2.根据权利要求1所述的大鼠行为红外线识别系统，其特征在于：所述红外探测器包括红外避障传感器和上拉电阻，上拉电阻与红外避障传感器信号输出端连接。

3.根据权利要求2所述的大鼠行为红外线识别系统，其特征在于：所述上拉电阻的阻值为1KΩ。

4.根据权利要求1所述的大鼠行为红外线识别系统，其特征在于：所述用于读取大鼠脑电信号的装置为头皮记录电极。

5.权利要求1-4任一所述的大鼠行为红外线识别系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）当大鼠在跑步机上跑动时，观察大鼠的行为，并将红外探测器设置在大鼠特定行为发生位置的相应位置上；用以记录大鼠的特定行为；

2）跑步机匀速运动，使大鼠在跑步机上运动，将大鼠的特定行为记录在大鼠的脑电信号中，分析大鼠的特定行为与脑电信号之间的关系。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：步骤1）中，大鼠的特定行为包括迈前肢、抬头或失误。

7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：步骤2）中，跑步机的旋转速度为12r/min。

8.权利要求1-4任一所述大鼠行为红外线识别系统在建立帕金森病大鼠行为学量化评价体系中的应用。