CN110339449B - 睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质。所述方法包括：预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；采集所述目标动物的生理信号；当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。本发明实施例实现优化现有的睡眠剥夺方法，提高睡眠剥夺试验的可靠性，保证试验数据的精度。

Description

睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质
技术领域
本发明实施例涉及睡眠剥夺技术领域，尤其涉及一种睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
睡眠是高等脊椎动物周期出现的一种自发的可逆的大脑的静息状态，是机体对于外界感知觉刺激的反应性降低和意识的短暂中断。已有研究表明睡眠与学习记忆、生物钟的调节、生物体的代谢、免疫、激素的分泌等密切相关。睡眠障碍会影响大脑思维、记忆、情绪、免疫等异常的改变，与精神疾病的发生密切相关也可能导致神经代谢、神经免疫、神经内分泌相关的疾病。
目前，为了研究生物的睡眠对生物的影响，研究人员一般对试验生物进行睡眠剥夺，采集试验生物的状态数据，以此分析睡眠对试验生物的影响。现有的睡眠剥夺装置有强迫运动法、物理刺激法(拍打笼子、木棒拨动或电击刺激等)、水上平台法、或药物刺激法。
强迫运动法是通过动力装置(如转笼)迫使试验动物不停地运动，从而达到睡眠剥夺的目的，但长时间不停运动会引起运动性应激及身体疲劳，成为干扰睡眠剥夺的因素，同时由于食物笼与转笼的角度缺陷，有时会出现试验动物头部卡在食物笼与转笼之间造成试验动物伤害或者死亡；物理刺激法是试验动物承受施加的物理刺激来保持清醒，需要研究人员执行施加物理刺激的操作，但该方法易导致研究人员的睡眠剥夺，产生较大的误差，故较适合短时间的睡眠剥夺试验，同时物理刺激可能会导致试验动物受到伤害，无法研究自然状态下动物的睡眠的状态，而且电刺激可能引起脑内化学物质的改变而造成研究基线的变化，从而导致无法准确获取被测动物的状态数据；药物刺激剥夺是定时给试验动物注射一些中枢兴奋药也可造成部分或全部睡眠的剥夺，但试验动物存在个体差异，睡眠剥夺的效果及程度不易掌握，往往用在研究特殊药物的药理实验中；水上平台法利用试验动物进入快速眼动睡眠时，全身肌张力降低引起节律性低头，头触到水面而清醒，以此达到快速眼动睡眠剥夺的目的，该方法存在环境隔离、活动限制、体力疲劳、反复落水等多种应激因素存在，干扰结果的可靠性。
发明内容
本发明实施例提供一种睡眠剥夺方法、装置、计算机设备及存储介质，优化现有的睡眠剥夺方法，提高睡眠剥夺试验的可靠性，保证试验数据的精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种睡眠剥夺方法，包括：
预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；
采集所述目标动物的生理信号；
当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
第二方面，本发明实施例还提供了一种睡眠剥夺装置，包括：
基因导入模块，用于预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；
生理信号接收模块，用于采集所述目标动物的生理信号；
调控信号输出模块，用于当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例中任一所述的睡眠剥夺方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例中任一所述的睡眠剥夺方法。
本实施例的技术方案，通过在目标动物进入睡眠时，针对目标动物的特定细胞给予光刺激，使目标动物从睡眠中唤醒，达到剥夺目标动物睡眠的目的，解决了现有技术中的睡眠剥夺方法使动物产生其他应激状态而造成试验方法可靠性差的问题，实现了避免在对动物进行睡眠剥夺时引入干扰因素，通过采用光遗传技术可以针对特定细胞特异性调控动物的睡眠状态，精确进行睡眠剥夺，从而实现提高睡眠剥夺试验结果的精度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种睡眠剥夺方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种睡眠剥夺方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种睡眠剥夺装置的结构示意图；
图4是本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图。
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是本发明实施例一提供的一种睡眠剥夺方法的流程图，本实施例可适用于对动物进行睡眠剥夺的情形，该方法由睡眠剥夺装置执行，该装置可以由软件和/或硬件来实现，一般可集成在计算机设备中，该方法具体包括如下步骤：
S110，预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因。
在本实施例中，采用光调控的方法使目标动物的体内的用于抑制睡眠的细胞兴奋，或者使目标动物的体内的用于进入睡眠的细胞降低兴奋性，从而使目标动物由睡眠状态进入觉醒状态，达到睡眠剥夺的效果。具体的，向不同的设定细胞中，导入与设定细胞对应的设定基因，例如，向合成去甲肾上腺素的神经元导入抑制型蛋白基因，向中缝核中用于合成5-羟色胺的神经元导入抑制型蛋白基因。
可选的，所述设定细胞包括：蓝斑区中用于合成去甲肾上腺素的神经元或中缝核中用于合成5-羟色胺的神经元。
具体的，蓝斑脑区可以是蓝斑核(Locus Coeruleus)，其位于第四脑室底，脑桥前背部，与快波睡眠有直接关系。蓝斑脑区是脑中合成去甲肾上腺素的主要部位。去甲肾上腺素可以是肾上腺素去掉N-甲基后形成的物质，其既是一种神经递质，也是一种激素，蓝斑脑区可以通过去甲肾上腺素的合成与分泌，以参与唤醒与警戒。其中，蓝斑脑区在中枢神经系统内的投射很广，其主要目标区可以包括脊髓、小脑、下丘脑、丘脑的中继核团、杏仁核、端脑基底部、以及大脑皮质等。一般来说，蓝斑脑区内的单个神经元可以通过其巨大的轴突分支激活几乎整个大脑皮质，而且还可以增强前额叶的认知功能，提高动机水平，并激活下丘脑-垂体-肾上腺轴心，进而提高交感神经活动并抑制副交感神经活动。具体的，可以通过抑制蓝斑去甲肾上腺素神经元实现抑制快眼动睡眠。
而中缝核可以是位于脑干中缝附近的狭窄区域内的数个核团，是5-羟色胺能神经元密集区，其头部和尾部在功能上有区别，具体是，中缝核头部形成慢波睡眠，其尾部则触发快眼动睡眠。具体的，抑制5-羟色胺可以造成完全失眠，但一周后慢波睡眠和快速眼动睡眠可恢复70％，因此，该方法适用于短期睡眠剥夺试验。可以通过在快眼动睡眠期及慢波睡眠期，减少中缝核头部的5-羟色胺能神经元的活性，实现对目标动物的促醒效应。
需要说明的是，还有其他细胞群可以促进觉醒，例如，腹侧导水管周围灰质多巴胺能神经元、结节乳头体核组织胺能神经元、外侧下丘脑食欲素能神经元以及基底前脑的4-氨基丁酸和乙酰胆碱能神经元。关于设定细胞的种类，以及对应的基因类型，本发明实施例不做具体限制。
其中，光调控可以是指采用光遗传技术特异性的兴奋或抑制目标细胞活动。在进行对目标动物进行光调控之前，需要预先向目标细胞导入光敏感基因，其向细胞中导入基因的方法可以采用病毒载体、物理方法或化学方法等方法。编码光敏感基因或其功能片段的多核苷酸序列可操作地连接一个细胞特异的启动子，从而靶向性的在设定细胞中表达，使非光敏感细胞转变为光敏感细胞，当光敏感细胞受到光照刺激时，可以引起该细胞的兴奋或抑制，从而实现对植入部位进行光调控的目的。
更详细的是，光遗传技术是结合光学与遗传学，通过基因工程手段将携带有特异性的光敏感基因病毒转入特定细胞类型表达，如兴奋型通道蛋白基因为离子通道视紫红质2(Channelrhodopsin-2，ChR2)，抑制型通道蛋白基因为嗜盐菌视紫红质(Helorhodopsin，NpHR)，针对特定细胞进行光照刺激，可以实现兴奋细胞或者抑制细胞活动。由于光敏感基因离子通道在不同波长，从而需要针对性的采用不同波长的光去刺激不同的光敏感基因。其中，离子通道是各种离子跨膜被动运输的通路，如蓝光波长λ＝473nm能够激活ChR2，从而选择让阳离子特异性通过，引起细胞去极化作用，从而兴奋细胞；黄光波长λ＝593nm能够激活NpHR，从而选择让阴离子特异性通过，引起细胞的超极化，从而抑制细胞活动。以实现通过光照刺激来抑制该神经元，促进合成去甲肾上腺素，从而加强目标动物的觉醒状态，使目标动物从睡眠中觉醒。
从而，针对不同部位的细胞，需要针对性的导入与部位对应的基因，例如，为了使目标动物从睡眠状态进入觉醒状态时，可以将NpHR导入目标动物的中缝核区域中用于合成抑制5-羟色胺的神经元中。
需要说明的是，兴奋型通道蛋白基因还可以包括从团藻中提取的视紫红质(channelrhodopsin-1from Volvox carteri，VChR1)，抑制型通道蛋白基因还可以是古细菌视紫红质3(Archaerhodopsin-3，Arch)、细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，eBR)或视紫红质3(rhodopsin-3，GtR3)等，本实施例并不作具体限制。
S120，采集所述目标动物的生理信号。
在本实施例中，生理信号可以是心率信号、电生理信号或血氧饱和度等，可选的，生理信号为脑电波信号，具体可以包括皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号。具体的，皮层脑电信号可以是指皮层脑电图(Electrocorticogram，ECoG)，主要是大脑在活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的，其采集部位主要有前额叶、顶叶和枕叶等；海马场电信号可以包括海马电图(Electrohippocampogram，EHG)和海马诱发场电位(field evoked potentials，FEP)；肌电信号可以是肌肉静止或收缩时的电活动，用于检查神经、肌肉兴奋及传导功能，通过肌电信号可以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态。
一般来说，分析目标动物的睡眠实验中主要根据大脑皮层电信号进行分析，但因为睡眠状态下的波主要来源于海马组织，因此为了能清楚的分析研究该睡眠状态，以及更准确的判断出睡眠状态，除了对大脑皮层电信号进行分析之外，还需采集海马部位的电信号，以实现提高入睡状态判断的准确性，从而实现睡眠剥夺的相关后续试验的试验结果的精度。
S130，当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
在本实施例中，对导入设定基因的细胞进行光调控的需要输出的光束与设定基因匹配，具体是，当细胞导入的设定基因是ChR2时，采用波长λ＝473nm的蓝光对该细胞进行光照刺激；当细胞导入的设定基因是NpHR时，采用波长λ＝593nm的黄光对该细胞进行光照刺激。一般来说，在睡眠-觉醒周期的不同阶段，脑电波图(electroencephalography，EEG)中显示脑电波在不同频段上的功率值有较大的变化，从而，根据生理信号判断采集的生理信号是否为睡眠信号，可以通过采集并分析目标动物的EEG，判断目标动物是否进入睡眠。
更详细的是，脑电波图一般分为delta频段(1-4Hz)、theta频段(4-8Hz)、alpha频段(8-13Hz)、beta频段(13-30Hz)、gamma频段(30-48Hz)，同时脑电波信号包括目标动物颅内多个部位的电信号，例如海马EEG、前边缘皮质EEG、皮层前额叶EEG、枕叶EEG或肌电EEG等。通常目标动物的活动状态可以分成如下三个时相：清醒状态(Wake)、慢波睡眠状态(Slow Wave Sleep，SWS)和快眼动睡眠状态(Rapid Eye Movement Sleep，REMS)；在清醒状态下当目标动物处于注意状态时，以及在REMS状态下，ECoG和海马EEG的theta频段功率较大，其他频段功率较小；而在SWS期，ECoG和海马EEG的delta频段和alpha频段的功率所占比重大比其他频段大。可以根据这些频段在不同状态下的特性和变化情况，具体是根据EEG的频率域特征，确定目标动物是否处于睡眠状态。
此外，从觉醒到睡眠的状态，会出现一些特殊的脑电波信号：例如，从瞌睡进入轻度睡眠状态时，可能会出现一个尖波形式的反应；进入睡眠时，会出现多个显著的梭形波，同时可能夹杂着K复合波；在SWS阶段会定期重复出现震荡信号，即纺锤波。也可以根据这些特殊的波形是否出现，判断目标动物是否进入睡眠状态。
在本发明另一个可选的实施例中，在确定所述生理信号为睡眠信号之后，还包括：根据预先设定至少两个睡眠阶段，判断所述生理信号对应的睡眠阶段；根据所述生理信号对应的睡眠阶段，确定输出光束的光学参数，并将所述输出光束作为光调控信号。
具体的，将睡眠状态，分为两个阶段，具体可以是SWS和REMS：可以设置与SWS对应的输出光束的光学参数中光束的持续时长大于与REMS对应的输出光束的光学参数中光束的持续时长。根据不同的睡眠阶段针对性的设置输出光束的光学参数，可以实现细化目标动物的睡眠信号，并根据目标动物的不同睡眠阶段，对应设置不同的光调控信号，针对性的剥夺目标动物的睡眠，提高睡眠剥夺方法的可靠性。
需要说明的是，还可以将睡眠阶段划分的更详细，例如，可以分为非快眼动睡眠阶段1期、非快眼动睡眠阶段2期、非快眼动睡眠阶段3期、REMS阶段。对此，本实施例不做具体限制。
在本实施例中，可以将目标动物放置在睡眠剥夺箱体进行睡眠剥夺试验中，该箱体包括：食盒、饮水瓶、平台(供目标动物活动和休息等)以及水池。通过光调控装置向目标动物输出光调控信号，其中，光调控装置可以包括波形发生器，激光器，光纤，用于固定光纤的插芯等。通过采集反馈装置采集目标动物的生理信号，并基于该生理信号确定光调控信号的光学参数，并控制光调控装置输出光调控信号，具体可以包括，信号采集器、电极、用于记录和分析生理信号的计算机设备等。其中，光纤和电极均需植入目标动物体内，光纤用于向目标动物体内的设定细胞输出光调控信号，并通过插芯固定目标动物体内，电极用于采集和传输目标动物体内的生理信号。
本实施例的技术方案，通过在目标动物进入睡眠时，针对目标动物的特定细胞给予光刺激，使目标动物从睡眠中唤醒，达到剥夺目标动物睡眠的目的，解决了现有技术中的睡眠剥夺方法使动物产生其他应激状态而造成试验方法可靠性差的问题，实现了避免在对动物进行睡眠剥夺时引入干扰因素，通过采用光遗传技术可以特异性调控动物的睡眠状态，精确进行睡眠剥夺，从而实现提高睡眠剥夺试验结果的精度。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的一种睡眠剥夺方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上进行了具体化，将所述生理信号具体化为皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号。如图2所示，该方法具体包括如下步骤：
S210，预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因。
S220，采集所述目标动物的生理信号，所述生理信号包括皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号。
在本实施例中，通过采集目标动物体内的电信号(包括皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号)作为生理信号，由于电信号的时间精度远超化学信号，从而实现提高睡眠状态判断的精度；同时电信号可以进行实时多点记录，降低人力成本以及时间成本，而且，电信号中包含了大量的信息，适用于深入研究分析，有利于研究人员从大量的信息中提取出多个信号，从而进一步深入分析睡眠障碍对动物的影响。
一般来说，清醒状态下，目标动物一般存在两种EEG：目标动物处于走动、爬高、探寻和关注行为时，ECoG和海马EEG以theta节律波为主；目标动物擦脸、舔身或静立时，ECoG以不规则的低幅高频信号为主。在SWS状态下，目标动物处于静卧不动状态，微闭目或全闭目，有时埋头卷身熟睡，ECoG以高幅慢波和纺锤波为主。在REMS状态下，目标动物全身松弛、闭目，呼吸急促、不规则，偶尔伴有身体的抽动，此时ECoG和海马EEG均出现theta节律波，特别是海马EEG的theta节律波较明显。由此，可以根据脑电信号的变化特征和行为确定目标动物所处的状态，从而选择目标动物的ECoG、海马EEG以及肌电信号，确定目标动物所处的觉醒状态、睡眠状态。
S230，根据所述生理信号确定所述生理信号对应的特征参数，其中，特征参数包括重心频率、功率和复杂度值。
在本实施例中，EEG可以是大量神经元电信号的综合，可以是包含一定规律的典型的非线性时间序列，由此可以采用非线性的度量算法：算法复杂性。可以通过埋置电极同时检测所述目标动物大脑皮层和海马部位的自发电位，并采用复杂性测度的多个方法来分析和比较两种电位在觉醒和睡眠各期的变化特性；而EEG的功率体现了脑电波的单位频带内的信号功率，可以获取EEG中各个频段的能量变化；而重心频率(即平均频率)可以反映频谱中占分量较大的信号成分的频率。具体的，可以获取设定时间(如1min)的EEG，获取各个波段的功率谱能量，并计算各个波段的重心频率。复杂度值包括算法复杂性(Algorithmiccomplexity，Kc)、复杂性C1、近似熵(Approximate entropy，ApEn)等。
需要说明的是，还可以根据目标动物正常生活状态时的觉醒状态EEG和睡眠状态EEG，并分别从中提取符号熵指数、去趋势波动指数以及delta频段能量比等特征参数，建立分类模型，再对当前采集的设定时间的EEG进行判别，判断目标动物的状态是否为睡眠状态。具体判断目标动物是否进入睡眠状态的方法，以及特征参数的类型，本实施例不做具体限制。
S240，当确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件时，确定所述生理信号为睡眠信号。
在本实施例中，可以通过ECoG和海马EEG联合分析判断目标动物是否进入睡眠状态。具体的，可以通过ECoG的重心频率、复杂度值Kc、C1、ApEn的直方图分布上确定非REMS的睡眠状态的阈值范围。而海马场电的重心频率、复杂度值KC、C1具有良好的单调性，其REMS状态和清醒状态的重心频率和复杂度值之间的差距较大，由此可以区分REMS状态和清醒状态。
更详细的是，首先利用ECoG的重心频率和复杂度值直方图统计上的非REM的睡眠状态形成的高峰判断出非REMS的睡眠状态的阈值(非REMS的睡眠状态时的ECoG的重心频率和复杂度值均较低)；利用海马场电的重心频率和复杂度值均在REMS状态下最小，在清醒状态下最大的特性判断出REM状态的阈值。也就是说，可以分析目标动物正常生活时的ECoG和海马场电的数据，获取ECoG的重心频率和复杂度值的非REMS的睡眠状态的阈值，以及海马场电重心频率和复杂度值的REMS阈值和清醒状态阈值。当采集的目标动物的ECoG的重心频率和复杂度值均不高于该非REMS的睡眠状态的阈值时，确定该目标动物正处于睡眠状态，且处于非REMS的睡眠状态；当采集的目标动物的ECoG的重心频率和复杂度值均高于该非REMS的睡眠状态的阈值时，计算该目标动物的海马场电的重心频率和复杂度值，若此时海马场电的重心频率和复杂度值不高于海马场电的重心频率和复杂度值的REMS阈值，确定该目标动物处于睡眠状态，且处于REMS状态；若此时海马场电的重心频率和复杂度值不低于海马场电的重心频率和复杂度值的清醒状态阈值，确定该目标动物处于清醒状态。
S250，当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
在本发明另一个可选的实施例中，在确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件之前，还包括：预先采集所述目标动物正常生活时的生理信号，并作为基准信号；对所述基准信号进行划分，生成睡眠期阶段对应的基准睡眠信号和非睡眠期阶段对应的基准非睡眠信号；根据所述基准睡眠信号确定与所述基准睡眠信号对应的特征参数，同时根据所述基准非睡眠信号确定与所述基准非睡眠信号对应的特征参数；根据所述基准睡眠信号、所述基准非睡眠信号、与所述基准睡眠信号对应的特征参数，以及与所述基准非睡眠信号对应的特征参数，确定目标阈值条件。
具体的，生理信号可以是目标动物的皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号，特征参数可以是重心频率和复杂度值。可以先获取目标动物正常生活时的皮层脑电波信号，生成基准睡眠信号和基准非睡眠信号，分别提取基准睡眠信号和基准非睡眠信号的特征参数，可以分析特征参数的变化方向和变化量，并将此作为目标阈值条件。具体是，可以根据提取的基准睡眠信号和基准非睡眠信号的特征参数，确定基准睡眠信号和基准非睡眠信号的阈值，或者阈值范围以及信号后续的变化方向(如斜率的正负情况)，可以根据该阈值或阈值范围判断采集的目标动物的生理信号是否符合基准睡眠信号的阈值或阈值范围，从而确定目标动物是否进入睡眠状态。
在一个具体的例子中，提取基准睡眠信号和基准非睡眠信号的样本熵(复杂性测度分析法)，样本熵值在清醒状态进入非REMS状态后会呈现下降的趋势，而在进入REMS状态后有一定的回升。同时，提取基准睡眠信号和基准非睡眠信号的节律波的能量比，delta波的能量占比在清醒状态进入非REMS状态后会呈现上升的趋势，而在进入REMS状态后有一定的下降；alpha波的能量占比在清醒状态进入非REMS状态后会呈现下降的趋势，而在进入REMS状态后有一定的回升。由此，可以设置目标阈值条件包括，样本熵值、delta波的能量占比和alpha波的能量占比的阈值，以及上述三者的变化方向，而且，采集目标动物的生理信号的样本熵值不低于样本熵值的阈值；同时delta波的能量占比不高于delta波的能量占比的阈值；同时，alpha波的能量占比不低于alpha波的能量占比的阈值，确定目标动物为清醒状态。若采集目标动物的生理信号的样本熵值高于样本熵值的阈值，且呈现变小的趋势(如斜率为负)；同时，delta波的能量占比低于delta波的能量占比的阈值，且呈现变大的趋势(如斜率为正)；同时，alpha波的能量占比高于alpha波的能量占比的阈值，呈现变小的趋势，确定目标动物处于睡眠状态。
需要说明的是，确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件还可以是其他的方式，对此，本实施例不做具体限制。
本发明实施例通过采集目标动物的电信号，并根据电信号的特征参数判断目标动物的睡眠状态，从而唤醒目标动物，达到睡眠剥夺的目的，实现快速实时的对目标动物进行睡眠剥夺，而且可以从电信号中获取大量的状态信息，从而可以在判断睡眠状态的同时分析电信号，以进行后续研究，降低时间成本和经济成本。
实施例三
图3是本发明实施例三提供的睡眠剥夺装置的示意图。实施例三是实现本发明上述实施例提供的睡眠剥夺方法的相应装置。
基因导入模块310，用于预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；
生理信号接收模块320，用于采集所述目标动物的生理信号；
调控信号输出模块330，用于当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
本实施例的技术方案，通过在目标动物进入睡眠时，给目标动物的特定细胞给予光刺激，使目标动物从睡眠中唤醒，达到剥夺目标动物睡眠的目的，解决了现有技术中的睡眠剥夺方法使动物产生其他应激状态而造成试验方法可靠性差的问题，实现了避免在对动物进行睡眠剥夺时引入干扰因素，通过采用光遗传技术可以特异性调控动物的睡眠状态，精确进行睡眠剥夺，从而实现提高睡眠剥夺试验结果的精度。
进一步的，所述装置还包括：所述生理信号包括皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号。
进一步的，所述调控信号输出模块330，包括：特征参数确定模块，用于根据所述生理信号确定所述生理信号对应的特征参数，其中，特征参数包括重心频率、功率和复杂度值；睡眠信号判断模块，用于当确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件时，确定所述生理信号为睡眠信号。
进一步的，所述装置用于：预先采集所述目标动物正常生活时的生理信号，并作为基准信号；对所述基准信号进行划分，生成睡眠期阶段对应的基准睡眠信号和非睡眠期阶段对应的基准非睡眠信号；根据所述基准睡眠信号确定与所述基准睡眠信号对应的特征参数，同时根据所述基准非睡眠信号确定与所述基准非睡眠信号对应的特征参数；根据所述基准睡眠信号、所述基准非睡眠信号、与所述基准睡眠信号对应的特征参数，以及与所述基准非睡眠信号对应的特征参数，确定目标阈值条件。
进一步的，所述装置用于：根据预先设定至少两个睡眠阶段，判断所述生理信号对应的睡眠阶段；根据所述生理信号对应的睡眠阶段，确定输出光束的光学参数，并将所述输出光束作为光调控信号。
进一步的，所述装置还包括：所述设定细胞包括：蓝斑区中用于合成去甲肾上腺素的神经元或中缝核中用于合成5-羟色胺的神经元。
本发明实施例所提供的睡眠剥夺装置可执行本发明任意实施例所提供的睡眠剥夺方法，具备执行睡眠剥夺方法相应的功能模块和有益效果。
实施例四
图4为本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图。图4示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备401的框图。图4显示的计算机设备401仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示，计算机设备401以通用计算设备的形式表现。计算机设备401的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元402，系统存储器403，连接不同系统组件(包括系统存储器403和处理单元402)的总线404。
总线404表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture，ISA)总线，微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)局域总线以及外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
计算机设备401典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备401访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器403可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)405和/或高速缓存存储器406。计算机设备401可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统407可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-OnlyMemory，CD-ROM)，数字视盘(Digital Video Disc-Read Only Memory，DVD-ROM)或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线404相连。存储器403可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块408的程序/实用工具409，可以存储在例如存储器403中，这样的程序模块408包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块408通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备401也可以与一个或多个外部设备410(例如键盘、指向设备、显示器411等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备401交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备401能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(Input/Output，I/O)接口412进行。并且，计算机设备401还可以通过网络适配器413与一个或者多个网络(例如局域网(LocalArea Network，LAN)，广域网(Wide Area Network，WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器413通过总线404与计算机设备401的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备401使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列(Redundant Arrays ofInexpensive Disks，RAID)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元402通过运行存储在系统存储器403中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种睡眠剥夺方法。
也即，所述处理单元执行所述程序时实现：预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；采集所述目标动物的生理信号；当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
实施例五
本发明实施例五提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有发明实施例提供的睡眠剥夺方法：
也即，该程序被处理器执行时实现：预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；采集所述目标动物的生理信号；当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、RAM、只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)、可擦式可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、闪存、光纤、便携式CD-ROM、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、无线电频率(RadioFrequency，RF)等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括LAN或WAN——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
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 (5)

1.一种睡眠剥夺装置，其特征在于，包括：
基因导入模块，用于预先向目标动物体内的设定细胞导入设定基因，其中，所述设定细胞是参与清醒睡眠行为调控机制的神经元细胞，所述设定基因包括兴奋型蛋白基因和抑制型蛋白基因；
生理信号接收模块，用于采集所述目标动物的生理信号；
调控信号输出模块，用于当确定所述生理信号为睡眠信号时，使用设定光调控信号对所述设定细胞进行光调控，其中，所述设定光调控信号是设定波长的光束，用于激活所述设定基因；
所述装置还用于：根据预先设定至少两个睡眠阶段，判断所述生理信号对应的睡眠阶段；根据所述生理信号对应的睡眠阶段，确定输出光束的光学参数，并将所述输出光束作为光调控信号；
所述睡眠阶段包括慢波睡眠状态和快眼动睡眠状态，与所述慢波睡眠状态对应的输出光束的光学参数中光束的持续时长大于与所述快眼动睡眠状态对应的输出光束的光学参数中光束的持续时长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生理信号包括皮层脑电信号、海马场电信号和肌电信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调控信号输出模块包括特征参数确定模块和睡眠信号判断模块，其中，
所述特征参数确定模块，用于根据生理信号确定所述生理信号对应的特征参数，其中，所述特征参数包括重心频率、功率和复杂度值；
所述睡眠信号判断模块，用于当确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件时，确定所述生理信号为睡眠信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在确定所述生理信号对应的特征参数符合目标阈值条件之前，还包括：
预先采集所述目标动物正常生活时的生理信号，并作为基准信号；
对所述基准信号进行划分，生成睡眠期阶段对应的基准睡眠信号和非睡眠期阶段对应的基准非睡眠信号；
根据所述基准睡眠信号确定与所述基准睡眠信号对应的特征参数，同时根据所述基准非睡眠信号确定与所述基准非睡眠信号对应的特征参数；
根据所述基准睡眠信号、所述基准非睡眠信号、与所述基准睡眠信号对应的特征参数，以及与所述基准非睡眠信号对应的特征参数，确定目标阈值条件。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设定细胞包括：蓝斑区中用于合成去甲肾上腺素的神经元或中缝核中用于合成5-羟色胺的神经元。
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