CN105165661B - 用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，包括上开口结构的“十”字形通道，纵向通道的一端与上开口结构的实验等待区相连通；横向通道的两端终点、实验等待区、以及远离实验等待区一端的纵向通道终点分别设置有隔离室；“十”字形通道和实验等待区通过水平隔板分为上层家鸽活动区和下层布线区；上层家鸽活动区与上层实验等待区通过自动门隔离；上层家鸽活动区和上层实验等待区的侧壁顶部设置有向内侧水平延伸的透明板以构成半封闭空间结构。本发明优点在于针对家鸽的生活习性和喜于踱步的特点，采用半封闭的双层“十”字形通道结构，使家鸽能够自动重复训练，减少了人为参与，提高了训练的效率。

Description

用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫

技术领域

本发明涉及家鸽的转向行为及运动导航功能相关脑机制的探索实验领域，具体是涉及用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫。

背景技术

迷宫实验对于动物空间认知和运动行为功能研究是行之有效的实验方法，对于理解动物运动行为的神经调控机制、空间导航的运动机制，以及开发仿生机器人、神经康复设备等都具有重要的应用价值。家鸽是一种常用的行为学实验模式动物，不仅具有优越的空间认知和运动导航能力，而且具有较强的实验操控性。家鸽空间认知和运动导航功能的大脑神经机制目前并不清楚，此方面的研究正在成为神经科学研究的热点，但目前尚未有符合家鸽生理特点和运动习性的实验迷宫装置。

目前现有的迷宫主要是针对大/小鼠等动物实验，大都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运动选择，主要用于动物学习记忆和行为学方面的研究。常用的实验迷宫主要包括水迷宫、“Y”字形迷宫、“T” 字形迷宫、八臂迷宫和高架十字形迷宫等。水迷宫显然不适合家鸽使用；高架十字形迷宫是利用大/小鼠对新异环境的探究特性和高空悬敞开臂的恐惧形成矛盾冲突行为来考察其焦虑状态，并不适合可高空飞行的鸟类的研究；“Y”字形迷宫、“T” 字形迷宫和八臂迷宫，虽然没有针对大/小鼠的特殊设计，但是由于鸟类和鼠类在运动方式、生活习性等方面存在巨大差异，对家鸽仍然不适用。

家鸽主要以谷物等固体颗粒为食，视锐度高、善于飞行、喜于踱步。在家鸽运动功能神经机制研究中，不仅要训练家鸽执行规定的动作或行为，而且在家鸽执行相应动作或行为的同时，还需要记录大脑神经元响应信号，解析不同运动行为对应的大脑神经机制。然而，无论是早期的“斯金纳箱”，还是目前公开的“田字迷宫”，大都采用上开口式或封闭式设计，在使用过程中都存有诸多问题。对于上开口式迷宫设计，很容易使家鸽从迷宫中飞出，尤其是在训练初期，家鸽对训练环境不熟悉，极易导致恐惧起飞，严重影响了训练效果；而对于封闭式迷宫设计，则使得神经信号采集线难以从迷宫中引出，不能进行信号的有效采集。

发明内容

本发明目的在于提供一种符合家鸽生理特点和运动习性的用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，以解决现有实验迷宫无法满足家鸽运动功能神经机制研究的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明所述用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，包括由横向通道和纵向通道组成的上开口结构的“十”字形通道，所述纵向通道的一端与上开口结构的实验等待区相连通；所述横向通道的两端终点、实验等待区、以及远离实验等待区一端的纵向通道终点分别设置有隔离室；所述“十”字形通道和实验等待区通过水平隔板分为上层家鸽活动区和下层布线区；所述上层家鸽活动区与上层实验等待区通过自动门隔离；上层家鸽活动区和上层实验等待区的侧壁顶部设置有向内侧水平延伸的透明板以构成半封闭空间结构；在上层家鸽活动区的横向通道和纵向通道侧壁上间隔设置有多个红外检测装置，位于横向通道与纵向通道交汇处设置有视觉线索提示装置和声音提示装置；所述每个隔离室内均设置有奖励装置和惩罚装置；所述红外检测装置的信号输出端与设置在下层布线区内的微控制器信号输入端连接，所述微控制器的控制输出端分别与视觉线索提示装置、声音提示装置、奖励装置、惩罚装置和所述自动门驱动电机的输入控制端连接；微控制器通过并口/串口与主控计算机通信连接，所述主控计算机通过线缆与安装于实验家鸽头部的神经电信号采集装置和设置在“十”字形通道上方的视频监控装置通信连接。

所述视觉线索提示装置为两组紫、蓝、绿、黄四种颜色的LED灯；所述声音提示装置为有源蜂鸣器。

设置在每个所述隔离室内的自动奖励装置结构相同，包括设置在支架上由步进电机驱动的水平丝杠，螺纹套接在所述水平丝杠上的滑台，所述滑台下部通过滑块与设置在所述支架上的轨道滑动连接，滑台上垂直向上设置有支杆，所述支杆顶部设置有食盒；在隔离室与对应通道的隔板上开设有喂食窗口，所述食盒位于所述喂食窗口处；所述惩罚装置为设置在所述喂食窗口上方隔板上的高亮白色LED灯。

所述食盒内活动设置有带提手的活动内盒。

本发明优点在于针对家鸽的生活习性和喜于踱步的特点，采用半封闭的双层“十”字形通道结构，利用微控制器实现各部分辅助装置的自动控制，使家鸽能够自动重复训练，减少了人为参与，提高了训练的效率。具体体现为：

1、针对家鸽易于飞行的特性，在实验迷宫的顶部设计了透明的半封闭式防护层，不仅防止家鸽从迷宫中飞出，而且便于神经信号的采集；

2、双层迷宫结构，使得检测和控制装置以及微控制器都封闭于下层布线区，家鸽的训练和神经信号采集集于上层，使电气设备与家鸽活动区隔离，不仅减少了噪声对神经信号的干扰，提高了设备的使用寿命，而且美观大方；

3、自动门和奖励、惩罚装置由微控制器自动控制，实现了家鸽特定运动功能的自动训练，从实验开始到结束不需要人为参与，大大提高了训练的效率，而且减少了实验人员对家鸽的影响。食盒内设置有带提手的活动内盒，大大方便了奖励食物的放置和清理。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明所述上层家鸽活动区和上层实验等待区的平面结构示意图。

图3是本发明所述下层布线区及视觉线索提示装置、声音提示装置、奖励装置、惩罚装置的平面布置示意图。

图4是本发明所述水平隔板的安装结构示意图。

图5是本发明所述奖励装置、惩罚装置的布置结构示意图。

图6是本发明所述食盒的结构示意图。

图7是本发明电气控制原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，包括由横向通道1和纵向通道2组成的上开口结构的“十”字形通道，纵向通道2的一端与上开口结构的实验等待区3相连通；横向通道1的两端终点、实验等待区3、以及远离实验等待区3一端的纵向通道2终点分别设置有隔离室4.1、4.2、4.3、4.4。 如图2、3、4所示，“十”字形通道和实验等待区3通过水平隔板5分为上层家鸽活动区和下层布线区；水平隔板5由横杆6进行支撑，可以自由拆卸，便于下层布线区的布线、连接和维修。如图1、2所示，上层家鸽活动区纵向通道2与上层实验等待区3通过自动门7隔离，在上层实验等待区3侧壁上设置有上抽式活动门8，用于放入或取出实验家鸽。上层家鸽活动区和上层实验等待区3的侧壁顶部边沿均设置有向内侧水平延伸的透明板9以构成半封闭空间结构，用于防止家鸽从迷宫中飞出。

如图2、3所示，在上层家鸽活动区的横向通道1和纵向通道2交汇口四个方向的侧壁上均设置有红外检测装置10.1、10.2、10.3、10.4，用于检测家鸽在迷宫的位置和运动行为（左转、前行、右转），位于自动门7处设置有用于检测家鸽进、出的红外检测装置10.5；横向通道1和纵向通道2交汇口设置有两个视觉线索提示装置11.1、11.2和由有源蜂鸣器组成的声音提示装置，用于诱发家鸽转向行为的线索提示，两个视觉线索提示装置11.1、11.2均由一组紫、蓝、绿、黄四种颜色的LED灯组成。

如图3、5所示，每个隔离室4.1、4.2、4.3、4.4内均有结构相同的自动奖励装置，用于家鸽正确进行行为响应时的给食奖励。如图5所示，自动奖励装置由安装在支架12上由步进电机13驱动的水平丝杠14，螺纹套接在水平丝杠14上的滑台15，滑台15下部通过滑块16与设置在支架12上的轨道17滑动连接，滑台15上垂直向上设置有支杆18，支杆18顶部设置有食盒19。如图6所示，食盒19内可以设置带提手20的活动内盒21，便于放置奖励食物和训练后剩余食物的清理。如图5所示，在隔离室4.1与对应通道1的隔板22上开设有喂食窗口，食盒19位于所述喂食窗口处；惩罚装置为设置在喂食窗口上方隔板22上的高亮白色LED灯23，用于家鸽没有正确进行行为响应时的惩罚或奖励结束的提示。

如图1、3、7所示，红外检测装置10.1、10.2、10.3、10.4、10.5的信号输出端与设置在下层布线区内的微控制器24信号输入端连接（图1、3中，双点划线为信号线），微控制器24的控制输出端分别与安装在家鸽头部的视觉线索提示装置、声音提示装置、奖励装置、惩罚装置和自动门驱动电机的输入控制端连接；微控制器24通过并口/串口与主控计算机25通信连接，主控计算机25通过通讯线缆与安装于实验家鸽头部的神经电信号采集装置和设置在“十”字形通道上方的视频监控装置26通信连接。

本发明实验原理简述如下：

1、实验准备

实验等待区3用于家鸽在实验开始前和结束后的活动空间。实验等待区3侧壁上的上抽式活动门8用于实验开始前和结束后家鸽进入和离开“十”字形迷宫通道。实验开始时，微控制器24通过自动门驱动电机打开自动门7，家鸽完成规定行为并返回到实验等待区3后关闭。

2、“十”字形通道

“十”字形通道用于训练受试家鸽完成前行、左转、右转运动行为，同时支持利用视觉/声音线索诱导家鸽进行转向及往复运动。

位于自动门7处用于检测家鸽进、出的红外检测装置10.5有两个作用，一是在家鸽经过自动门7进入“十”字形的纵向通道2后，用于微控制器24控制视觉线索提示装置或声音提示装置的开启信号；二是用于家鸽完成规定行为返回实验等待区3后自动门7的关闭信号。设置在上层家鸽活动区的横向通道1和纵向通道2交汇口四个方向侧壁上的红外检测装置10.1、10.2、10.3、10.4，用于检测家鸽运动方向和对家鸽转向行为开始和结束的标记信号；交汇口设置的两个视觉线索提示装置11.1、11.2和由有源蜂鸣器组成的声音提示装置，用于诱发家鸽转向行为的线索提示。

3、主控计算机

主控计算机25用于存储实验过程中采集的神经电信号和家鸽行为视频，根据家鸽训练模式进行编制训练程序及训练数据和神经数据的处理、分析与输出。

4、微控制器

微控制器24用于同步上传安装在实验家鸽头部的神经电信号采集装置信号和视频监控装置26信号以及行为事件索引，控制自动门7、红外检测装置10.1、10.2、10.3、10.4、10.5和视觉/声音提示装置、奖励装置及实验的开始和结束，微控制器24采用C8051F320单片机，微控制器24中的控制程序在训练开始前由主控计算机25提前编制和烧写。

本发明具体实验步骤如下：

第一步、根据实验设计方案，通过主控计算机25将实验方案程序烧写至微控制器24；

第二步、量取实验所需的奖励食物置于食盒19的活动内盒21内；如图5所示，通过步进电机13驱动水平丝杠14将食盒19移动至喂食窗口处，使食盒19靠近隔板22的侧壁与隔板22齐平；

第三步、关闭自动门7，使实验等待区3与上层家鸽活动区隔离；

第四步、打开实验等待区3侧壁上的上抽式活动门8，将鸽笼口打开并对准上抽式活动门8，受试家鸽进入实验等待区3，等待实验开始，至此实验准备工作完成；

第五步、开始试验

1、开启微控制器24驱动有源蜂鸣器发出“嘀嘀嘀”提示音，提示实验开始，并同时向神经电信号采集装置信号和视频监控装置26传递脉冲信号，驱动神经电信号采集装置信号和视频监控装置26进行神经数据采集和视频记录；

2、经设定的一段时间之后，自动门7打开，家鸽进入纵向通道2内，当家鸽经过红外检测装置10.1时，两个视觉线索提示装置11.1、11.2灯亮（或转向提示音响起），指示家鸽进行相应转向行为（左转、前行、右转），如果家鸽进行相应的运动行为，则在家鸽经过红外检测装置10.2（或10.3、10.4）时，微控制器24驱动步进电机13将食盒19移动至喂食窗口外部的对应通道处对家鸽进行奖励（现以横向通道1左端终点为例），否则微控制器24驱动喂食窗口上方隔板22上的高亮白色LED灯23发光，对家鸽进行惩罚；

3、家鸽在得到奖励/惩罚后返回实验等待区3过程中，当家鸽再次经过红外检测装置10.5时，自动门7关闭，等待下次实验开始。如果家鸽正确进行行为响应并按原路径返回实验等待区3，则微控制器24会驱动设置在实验等待区3内的自动奖励装置再次对家鸽进行奖励，否则家鸽将得不到奖励。

Claims (4)

1.一种用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，包括由横向通道和纵向通道组成的上开口结构的“十”字形通道，所述纵向通道的一端与上开口结构的实验等待区相连通，其特征在于：所述横向通道的两端终点、实验等待区、以及远离实验等待区一端的纵向通道终点分别设置有隔离室；所述“十”字形通道和实验等待区通过水平隔板分为上层家鸽活动区和下层布线区；所述上层家鸽活动区与上层实验等待区通过自动门隔离；上层家鸽活动区和上层实验等待区的侧壁顶部设置有向内侧水平延伸的透明板以构成半封闭空间结构；在上层家鸽活动区的横向通道和纵向通道侧壁上间隔设置有多个红外检测装置，位于横向通道与纵向通道交汇处设置有视觉线索提示装置和声音提示装置，所述每个隔离室内均设置有奖励装置和惩罚装置；所述红外检测装置的信号输出端与设置在下层布线区内的微控制器信号输入端连接，所述微控制器的控制输出端分别与视觉线索提示装置、声音提示装置、奖励装置、惩罚装置和所述自动门驱动电机的输入控制端连接；微控制器通过并口/串口与主控计算机通信连接，所述主控计算机通过线缆与神经电信号采集装置和设置在“十”字形通道上方的视频监控装置通信连接。

2.根据权利要求1所述用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，其特征在于：所述视觉线索提示装置为两组紫、蓝、绿、黄四种颜色的LED灯；所述声音提示装置为有源蜂鸣器。

3.根据权利要求1所述用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，其特征在于：设置在每个所述隔离室内的自动奖励装置结构相同，包括设置在支架上由步进电机驱动的水平丝杠，螺纹套接在所述水平丝杠上的滑台，所述滑台下部通过滑块与设置在所述支架上的轨道滑动连接，滑台上垂直向上设置有支杆，所述支杆顶部设置有食盒；在隔离室与对应通道的隔板上开设有喂食窗口，所述食盒位于所述喂食窗口处；所述惩罚装置为设置在所述喂食窗口上方隔板上的高亮白色LED灯。

4.根据权利要求3所述用于家鸽的双层半封闭式自动“十”字形迷宫，其特征在于：所述食盒内活动设置有带提手的活动内盒。