CN109350087A - 一种动物抓力测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动物抓力测量方法及系统，该方法包括：通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。通过上述技术方案，实现了对实验对象进行光刺激，提高抓力测量的实时性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种动物抓力测量方法及系统。
背景技术
抓力是动物的肢体(主要是前肢)肌肉处于松弛状态下所具有的一种机械应力，它能够帮助肢体保持在关节之间的状态和位置，同时为肢体肌肉运动的建立提供必要的压力。利用实验动物模型对抓力进行研究具有非常重要的意义，其能够间接反映实验动物模型的衰老、神经损伤、肌肉损伤程度等对肌力的影响。
目前，已经有多种测试动物抓力的仪器，但由于刺激条件的限制，抓力的测量只能用于慢性刺激后肌肉张力的研究，例如，对实验动物实施药物、毒理等刺激后再进行抓力测量，实验动物需要在接收刺激一段时间后才能做出反应，然而，动物的神经系统控制肌肉抓力是一种急性反应，现有技术的主要缺点是不能在动物接收到外界刺激时进行实时测量。
发明内容
本发明提供了一种动物抓力测量方法及系统，以实现对实验对象进行光刺激，提高抓力测量的实时性。
第一方面，本发明实施例提供了一种动物抓力测量方法，包括：
通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；
使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；
实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
进一步的，所述使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激，包括：
根据预设的波形、频率、幅度和占空比产生调制信号；
根据所述调制信号对光源发出的预设波长的光进行调制；
使用调制后的预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激。
进一步的，所述使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激，包括：
将波长为473nm的蓝光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，激活所述神经元；
或将波长为593nm的黄光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，抑制所述神经元。
进一步的，所述实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值，包括：
实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力；
将所述抓力转换为电信号；
根据所述电信号的电压值计算抓力值。
进一步的，所述方法还包括：
记录所述波形、频率、幅度、占空比、预设波长和抓力值的对应关系。
第二方面，本发明实施例提供了一种动物抓力测量系统，包括：基因编辑设备、光遗传调控装置以及抓力测量装置；
所述基因编辑设备通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；所述光遗传调控装置使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；所述抓力测量装置实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
进一步的，所述光遗传调控装置，包括：波形发生器、激光器、光纤跳线和光纤插芯；
所述波形发生器产生的调制信号输入至所述激光器，所述激光器根据所述调制信号产生预设波长的光，所述预设波长的光通过所述光纤跳线传输至所述光纤插芯，所述光纤插芯植入在所述实验对象的特定脑区。
进一步的，所述波形发生器产生不同波形、频率、幅度和占空比的调制信号并输入至所述激光器。
进一步的，所述抓力测量装置包括：抓网、抓力传感器和显示屏；
所述抓网实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力，所述抓力传感器将所述抓力转换为电信号，并根据所述电信号的电压值计算抓力值，所述显示屏显示所述抓力值。
进一步的，所述系统还包括：红外摄像头；
所述红外摄像头对抓力测量过程进行监控。
本发明实施例提供了一种动物抓力测量方法及系统，该方法包括：通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。通过上述技术方案，实现了对实验对象进行光刺激，提高抓力测量的实时性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种动物抓力测量方法的流程图；
图2为本发明实施例二提供的一种动物抓力测量方法的流程图；
图3为本发明实施例二提供的对动物抓力进行测量的示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种动物抓力测量系统的结构示意图；
图5为本发明实施例三提供的一种动物抓力测量系统的另一结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种动物抓力测量方法的流程图，本实施例可适用于对大、小鼠等啮齿类动物的抓力进行测量的情况。具体的，该动物抓力测量方法方法可以通过软件和/或硬件的方式实现，并集成在动物抓力测量系统中。其中，动物抓力测量系统包括：基因编辑设备、光遗传调控装置以及抓力测量装置；所述基因编辑设备通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；所述光遗传调控装置使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；所述抓力测量装置实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
参考图1，该方法具体包括如下步骤：
S110、通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上。
具体的，本实施例中的实验对象主要是指啮齿类(鼠类)动物，通过利用预设波长的光刺激其特定脑区的神经元，使其做出应激反应而本能地产生抓力。首先，控制能够应答外界光刺激的光敏蛋白表达在实验对象特定脑区的神经元上，这一步骤通过基因编辑技术实现。基因编辑(Genome Editing)是指通过对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除、插入、替换等，例如CRISPR/Cas9，是最具有优势的一种基因编辑技术，被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因；对实验对象进行基因编辑的过程也可以理解为，将影响光敏蛋白表达的基因序列插入到无害的病毒中,然后利用病毒载体将需要的基因序列插入到实验对象特定脑区神经元细胞的基因组中，以使光敏蛋白能够表达在特定脑区的神经元细胞上。通过病毒载体可直接选择特定的神经元细胞表达光感基因，此方法的优势是制备周期短，目的基因的表达只局限于注射位点，即特定脑区的神经元细胞，因此具有较好的空间选择性。
光敏蛋白是一类在生命体内能够应答光信号而产生生理学反应的蛋白，对于神经元细胞内外的离子流动及细胞信号传递有重要的生理意义。通过基因编辑技术使光敏蛋白(ChR2或eNpHR)表达在特定脑区的神经元上，特定脑区主要指控制实验对象肢体运动、肌肉张力的脑部区域，当光敏蛋白接收到外接的光刺激后，会促使此脑区内的神经元细胞的离子流动，实现神经元细胞的去极化，从而产生激活或抑制神经元细胞的活动的效果，神经递质将这种生物电信号继续传递到下一个神经元，最终影响实验对象的肢体肌肉产生抓力。
S120、使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激。
具体的，光敏蛋白主要指离子通道型光敏蛋白，包括紫红质通道蛋白2(Channelrhodopsin-2,ChR2)、eNpHR及变体，当ChR2(及其变体)表达在控制血糖代谢脑区的神经元细胞膜上后，利用预设波长的光照射ChR2，会打开细胞膜的离子通道，使得K+外流，Na+内流，造成细胞去极化，从而激活神经元，模拟神经冲动的影响导致神经元产生生物电信号。同理，eNpHR(及其变体)表达在控制运动、肌肉张力脑区的神经元细胞膜上后，利用预设波长的光照射eNpHR，可以起到抑制神经元活动的作用，最终影响实验对象的抓力。利用光敏蛋白接收光刺激以激活或抑制神经元，对细胞基本无害，可快速地发挥作用使实验对象产生抓力。需要说明的是，不表达光敏感蛋白的神经元细胞对光刺激没有反应。
S130、实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
具体的，通过将实验对象放置在测量抓力的平台上，实验对象接收光刺激后会本能地抓住平台所提供的杆状、网状等物体，产生抓力，利用测力传感器可实时接收抓力并计算抓力值。示例性的，通过抓力传感器将接收到的抓力转换为与抓力大小成正比的电信号，根据电信号的电压值可计算抓力并进行显示。
本发明实施例一提供的一种动物抓力测量方法，通过基因编辑技术将光敏蛋白表达在特定脑区的神经元细胞上，然后利用预设波长的光照射光敏蛋白，对神经元细胞进行光刺激，实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值，实现了对实验对象进行光刺激，提高抓力测量的实时性。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种动物抓力测量方法的流程图，本实施例是在上述实施例的基础上，进行具体优化。需要说明的是，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述任意实施例。
具体的，参考图2，该方法具体包括如下步骤：
S210、通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上。
S220、根据预设的波形、频率、幅度和占空比产生调制信号。
具体的，利用波形发生器可根据实际需求产生一定波形、频率、幅度和占空比的调制信号，该调制信号用于对光源发出的预设波长的光进行调控。其中，预设的波形包括方波，正弦波和脉冲波，不同的波形会影响光刺激的周期和时间；预设的频率决定了对神经元进行光刺激的频率；预设的幅度决定了对神经元进行光刺激的强弱；预设的占空比决定了对神经元进行光刺激的模式。
S230、根据所述调制信号对光源发出的预设波长的光进行调制。
具体的，本实例中的光源为激光器，将波形发生器产生的预设波形、频率、幅度和占空比的调制信号输入激光器，通过为激光器加载特定的电信号以对输出的光进行调制。在激光形成过程中，按照调制信号的规律可以改变激光振荡的参数，即利用调制信号可控制激光的形成。激光器用于提供预设波长的光源，根据调制信号对激光器发出的预设波长的光进行调制，根据不同的实际需求，可改变光刺激的频率、时间、强弱等，以实现全面地调控光刺激的参数。
S240、使用调制后的预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激。
进一步的，所述使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激，包括：
将波长为473nm的蓝光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，激活所述神经元；
或将波长为593nm的黄光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，抑制所述神经元。
具体的，分别利用不同波长的光激活或抑制表达在神经元细胞膜上的离子通道型光敏蛋白，以调控神经元活动。ChR2及其变体表达在控制血糖代谢脑区神经元细胞膜上后，利用波长473nm的蓝光照射，可以打开离子通道，神经元细胞会分泌神经递质去调控或者将这种生物电信号直接传输给下一级神经元，最终将信息传输到控制抓力的肌肉；eNpHR及其变体表达在控制运动、肌肉张力的脑区神经元细胞膜上后，利用波长593nm的黄光去抑制这些神经元活动，最终影响实验对象的抓力。
S250、实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力。
具体的，将实验对象放置在抓网上，实验对象在接收光刺激后会即时、本能地做出反应产生抓力，利用抓网可实时接收实验对象的抓力。
S260、将所述抓力转换为电信号。
具体的，利用测力传感器可将接收到的抓力转换为电信号。示例性的，抓力传感器中包括了一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，以及能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路(如惠斯登电桥)，在接收到实验对象的抓力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，该电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。
S270、根据所述电信号的电压值计算抓力值。
具体的，根据一定的换算规则将电压值转换为抓力值，抓力值与电压值成正比，以反映抓力的大小。
S280、记录所述波形、频率、幅度、占空比、预设波长和抓力值的对应关系。
具体的，记录在不同波形、频率、幅度、占空比、预设波长的情况下测量得到的抓力值，即可获得实验对象在不同的光刺激时间、频率、强弱、光刺激模式下，神经元被激活或抑制时产生的抓力，以进行全面的抓力测量和数据分析。需要说明的是，利用光刺激来激活或者抑制神经元的活性，具有高时间分辨特性，因此在数据分析时能够建立良好的时间依赖(time-dependent)关系，从而提高抓力测量实时性。
进一步的，在同一设定参数下通过多次测量计算实验对象抓力值的平均值，并且整个抓力测量过程在黑暗的环境中进行，以避免外界光线对抓力测量的影响，最大限度地减少测量误差，提高测量抓力的准确性。此外，利用红外摄像头监控整个抓力测量过程，当出现操作上的错误时，剔除错值，以提高数据的真实性。进一步的，通过与PC机联机，利用PC机读取光刺激的相关参数及对应的抓力值，便于对数据进行全面的分析和处理。
在上述实施例的基础上，图3为本发明实施例二提供的对动物抓力进行测量的示意图。在经过基因编辑后，光敏蛋白表达在特定脑区的神经元细胞上，此时，实验对象可以对外界的光刺激进行应答以产生抓力。如图3所示，对基因编辑后的实验对象204进行光刺激，利用波形发生器201产生不同波形、频率、幅度、占空比的调制信号，激光器202用于产生预设波长的光，将波形发生器201产生的调制信号输入至激光器202中进行调制，最终产生具有特定的预设参数的光，通过光纤跳线203将激光导入到实验对象204的脑内，照射光敏蛋白对特定脑区的神经元实施光刺激，实验对象204会本能地抓住抓网205，实验对象204在抓网网格上施加的力度由连接在网格上的抓力传感器206来读取和计算，并在显示屏207中显示测得的抓力值。在抓力测量的过程中，将实验对象204放在网状平台上，拉住实验对象204的尾部，借助啮齿类动物自我保护的天性(前肢抓网)，利用抓力传感器206计算出前肢抓力的大小。其中，抓网205、抓力传感器206、显示屏207可由瑞沃德抓力测试仪器提供。
本发明实施例二提供的一种动物抓力测量方法，在上述实施例的基础上进行优化，通过产生不同波形、频率、幅度和占空比的预设波长的光，激活或抑制实验对象的特定脑区的神经元，使其即时产生抓力，提高抓力测量的实时性，并且实现了对光源参数进行调控，在不同的光刺激模式下全面地测量抓力。
实施例三
图4为本发明实施例三提供的一种动物抓力测量系统300的结构图。参考
图4，本实施例提供的动物抓力测量系统300包括：基因编辑设备310、光遗传调控装置320以及抓力测量装置320；
所述基因编辑设备310通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；所述光遗传调控装置320使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；所述抓力测量装置320实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
具体的，基因编辑设备310是指能够利用病毒载体将需要的基因序列插入到实验对象神经细胞元的基因组中的医学设备，可以由CRISPR-Cas9基因编辑平台提供，通过基因编辑技术能够使光敏蛋白表达在特定脑区的神经元细胞上。光遗传调控装置320的功能是在基因编辑设备310完成基因编辑之后，根据预设参数产生特定波长的光源并照射特定脑区神经元细胞上的光敏蛋白，以对实验对象提供光刺激，光遗传调控装置320可以调控光刺激的频率、强度、时间等，以对实验对象在不同的刺激模式下产生的抓力进行全面的测量和分析。抓力测量装置320用于光遗传调控装置320对实验对象进行光刺激后，实时接收实验对象的抓力并将其转换为抓力值。
本发明实施例三提供的一种动物抓力测量装置，通过基因编辑设备控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；通过光遗传调控装置使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；通过抓力测量装置实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值，实现了对实验对象进行不同模式的光刺激，提高抓力测量的实时性。
图5为本发明实施例三提供的一种动物抓力测量系统的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，所述光遗传调控装置320，包括：波形发生器321、激光器322、光纤跳线323和光纤插芯324。
所述波形发生器321产生的调制信号输入至所述激光器322，所述激光器322根据所述调制信号产生预设波长的光，所述预设波长的光通过所述光纤跳线323传输至所述光纤插芯324，所述光纤插芯324植入在所述实验对象的特定脑区。
具体的，波形发生器321可根据实际需求产生预设的调制信号，该调制信号用于对激光器322发出的预设波长的光进行调控。其中，调制信号中预设的波形包括方波，正弦波和脉冲波，用以影响光刺激的周期和时间；波形发生器321产生的调制信号，还用于影响预设波长的光的频率、幅度、占空比，以调控光刺激的频率、强弱、光刺激模式。
激光器322用于根据所述调制信号产生预设波长的光，包括蓝光激光器和黄光激光器，蓝光激光器用于产生波长为473nm的蓝光，以激活表达ChR2的神经元细胞；黄光激光器用于产生波长为593nm的黄光，以抑制表达eNpHR的神经元细胞。需要说明的是，无论是蓝光还是黄光，其波形、频率、幅度、占空比都是按照波形发生器321产生的调制信号变化的。
光纤跳线323用于将激光器322产生的预设波长的光导出，并传输至光纤插芯324。
光纤插芯324埋置在实验对象的特定脑区，用于将光导入特定脑区照射光敏蛋白，激活或者抑制特定脑区的神经元活动，使实验对象产生抓力。
进一步的，所述波形发生器321产生不同波形、频率、幅度和占空比的波形的模拟信号并输入至所述激光器322。
具体的，波形发生器321产生的调制信号，用于决定预设波长的光的波形、频率、幅度、占空比，以调控光刺激的时间、频率、强弱以及光刺激模式。
在上述实施例的基础上，所述抓力测量装置320包括：抓网331、抓力传感器332和显示屏333；
所述抓网331实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力，所述抓力传感器332将所述抓力转换为电信号，并根据所述电信号的电压值计算抓力值，所述显示屏333显示所述抓力值。具体的，将实验对象放置在抓网331上，实验对象在接收光刺激后会即时、本能地做出反应产生抓力，利用抓网331可实时接收实验对象的抓力，利用抓力传感器332可将接收到的抓力转换为电信号，该电信号与抓力成线性正比变化，根据一定的换算规则将电信号的电压值转换为抓力值。显示屏333用于实时显示测得的抓力值。
进一步的，抓力测量装置320中的抓力传感器332的数量可以为一个或两个，抓力传感器332只有一个时，用于测量实验对象前肢的抓力；抓力传感器332为两个时，可分别用于测试实验对象前肢和后肢的抓力。
进一步的，所述动物抓力测量系统300还包括PC机340，PC机340与抓力测量装置320通过数据线相连，以读取光刺激的相关参数即对应的抓力值，便于对上述数据进行分析和处理。
进一步的，所述系统还包括红外摄像头，通过红外摄像头对抓力测量过程进行监控。具体的，抓力测量过程在黑暗的环境中进行，通过红外摄像头对抓力测量过程监控，当出现操作上的错误，剔除错值，以提高数据的真实性。
需要说明的是，本发明实施例三提供的动物抓力测量装置可以用于执行上述任意实施例提供的动物抓力测量方法，具备相应的功能和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种动物抓力测量方法，其特征在于，包括：
通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；
使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；
实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激，包括：
根据预设的波形、频率、幅度和占空比产生调制信号；
根据所述调制信号对光源发出的预设波长的光进行调制；
使用调制后的预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激，包括：
将波长为473nm的蓝光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，激活所述神经元；
或将波长为593nm的黄光导入所述实验对象的特定脑区，照射所述光敏蛋白，抑制所述神经元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值，包括：
实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力；
将所述抓力转换为电信号；
根据所述电信号的电压值计算抓力值。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
记录所述波形、频率、幅度、占空比、预设波长和抓力值的对应关系。
6.一种动物抓力测量系统，其特征在于，包括：基因编辑设备、光遗传调控装置以及抓力测量装置；
所述基因编辑设备通过基因编辑技术控制实验对象的光敏蛋白表达在特定脑区的神经元上；所述光遗传调控装置使用预设波长的光照射所述光敏蛋白，对所述特定脑区的神经元进行光刺激；所述抓力测量装置实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力并计算抓力值。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光遗传调控装置，包括：波形发生器、激光器、光纤跳线和光纤插芯；
所述波形发生器产生的调制信号输入至所述激光器，所述激光器根据所述调制信号产生预设波长的光，所述预设波长的光通过所述光纤跳线传输至所述光纤插芯，所述光纤插芯植入在所述实验对象的特定脑区。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述波形发生器产生不同波形、频率、幅度和占空比的调制信号并输入至所述激光器。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述抓力测量装置包括：抓网、抓力传感器和显示屏；
所述抓网实时接收所述实验对象在接收所述光刺激后产生的抓力，所述抓力传感器将所述抓力转换为电信号，并根据所述电信号的电压值计算抓力值，所述显示屏显示所述抓力值。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：红外摄像头；
所述红外摄像头对抓力测量过程进行监控。
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