CN113367078A - 基于社交条件反射的社交识别评估系统和其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于受试动物的基于社交条件反射的社交识别评估系统，其包括固定舱和旋转舱，所述旋转舱包括两个或多个分隔的舱室，可转动至将所述两个或多个分隔的舱室中的任意一个单独与所述固定舱接驳的位置，使得所述固定舱中的受试动物接受到一个旋转舱的舱室中的社交对象动物的信息，包括视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。本发明还提供了所述社交识别评估系统通过受试动物与不同社交个体偶联非条件刺激，以此评估和检测受试动物的社交反应，以及对受试动物进行社交条件反射的训练的方法。
Description
技术领域
本发明涉及生物学方法和设备领域。具体的，本发明涉及用于动物行为学研究的社交识别评估系统和其用途。
背景技术
社交识别指的是辨认不同社交个体的能力，是社交行为中的基本组成部分。因此，如何检测社交识别是动物行为学、社交神经生物学领域的一个重要问题。小鼠作为经典的模式动物，其传统的检测社交识别能力的范式是三箱社交实验。实验中，分别在三箱的两侧放入熟悉小鼠与陌生小鼠。通过受试小鼠靠近熟悉小鼠与陌生小鼠的时间差来评估受试小鼠的社交识别能力。然而三箱社交实验存在如下的问题：
(1)三箱社交实验是基于以下的假设：即相较于熟悉的社交对象，小鼠对于陌生的社交对象具有更大的偏好。因此三箱社交实验并非社交识别的直接测量范式。
(2)三箱社交实验只能检测受试小鼠对于社交对象熟悉与否，无法检测社交对象的具体身份信息。
条件反射是指一个条件刺激和另一个带有奖赏或惩罚的非条件刺激多次偶联，可使个体学会在单独呈现条件刺激时，也能引发类似非条件反射的条件反射。在经典的条件反射中，条件刺激一般为视觉、嗅觉、听觉、触觉刺激等。尚未有用社交对象作为条件刺激的报道。
针对小鼠和大鼠等常用模式动物的社交识别评估系统和方法是本领域迫切需要解决的关键问题。同时，本领域需要获得经过社交行为训练，建立稳定社交反应的模式动物。
发明内容
本发明提供了一种用于动物(特别是小鼠和大鼠等常用模式动物)的基于社交条件反射的社交识别评估系统和其用途。本发明通过在社会交互过程中社交对象与非条件刺激偶联的方法，提供了一种对动物的社交识别行为进行判断的系统和方法，以及提供了经过社交行为训练，建立了稳定社交反应的动物。
具体的，本发明提供了一种动物社交识别评估系统，其包括固定舱和旋转舱，所述固定舱具有受试动物的固定装置以及对所述受试动物的奖惩装置，所述旋转舱包括两个或多个分隔的舱室，每个舱室包括社交对象动物的固定装置。本发明针对的动物通常为小型的实验动物，例如为小鼠或大鼠。
在本发明的其中一个方面，所述系统的固定舱和旋转舱设置在底座上，所述旋转舱可转动至将所述两个或多个分隔的舱室中的任意一个单独与所述固定舱接驳的位置，使得所述固定舱中的受试动物接受到一个旋转舱舱室中的社交对象动物的信息，包括视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。
在本发明的其中一个方面，所述系统中的旋转舱包括绕中心旋转的转盘，在其圆周上排列所述两个或多个分隔的舱室，每个舱室相互独立。
在本发明的其中一个方面，所述系统中的所述旋转舱通过转动机构驱动其旋转。在本发明的其中又一个方面，所述转动机构包括第一齿轮、第二齿轮、轴承、联轴器和电机，其中所述旋转舱底板固定于所述第二齿轮之上，所述第二齿轮固定于轴承之上，所述轴承固定于底座顶板之上，第一齿轮与第二齿轮设置为水平啮合的齿轮副，电机通过联轴器与第一齿轮连接，第一齿轮在电机驱动下带动第二齿轮，进而带动其上的旋转舱转动。
在本发明的其中一个方面，所述系统中的所述旋转舱的相邻两个旋转舱舱室间通过旋转舱隔板分隔，由底板、顶板和隔板形成一面开放的旋转舱舱室。在本发明的其中又一个方面，所述系统中的固定舱舱室为顶部和底部、左右两侧和后侧封闭，一面开放的长方形的舱室，其开放端可与所述旋转舱舱室的开放端无缝连接。当旋转舱的单个舱室转动至其开放端与固定舱舱室的开放端相对时，形成连接。
在本发明的其中一个方面，所述固定舱和旋转舱之间具有挡板以阻断受试动物和社交对象动物之间的视觉和/或嗅觉。
在本发明的其中一个方面，所述系统中固定舱中具有对所述受试动物的奖惩装置中的一种或多种：给水装置、给食装置、眼部喷气装置、电击装置或颅内刺激装置。
在本发明的其中一个方面，所述系统中固定舱具有观察和记录受试动物行为的装置。例如，所述观察和记录装置包括摄像头，用于监测受试小鼠是否闭眼、是否舔舐、以及受试小鼠与社交对象小鼠的社交互动情况。
在本发明的其中一个方面，所述系统中还包括设置在底座的微处理器和电源管理器。所述微处理器和电源管理器可固定于所述底座底板上。其中所述电源管理器向电机、继电器等供电。所述微处理器的作用包括控制所述电机的转动，进而决定每一时刻与固定舱所接驳的旋转舱室。所述微处理器的作用还包括对奖惩装置，例如电磁阀、舔舐传感器的监控等。所述微处理器与外部上位机系统进行通信。
在本发明的其中一个方面，所述系统中还包括设置在固定舱内的用作产生提示信号的蜂鸣器和用于照明的LED灯。
在本发明的其中一个方面，所述系统中的所述固定装置用于固定受试动物的身体特别是头部。所述固定装置包括动物头部固定部件。在本发明的其中又一个方面，所述固定装置包括安置小鼠躯干的跑步机和头部固定部件，头部固定部件可与小鼠头部的固定片相连接，用于固定小鼠头部。
本发明提供的所述社交识别评估系统可用于检测受试动物对社交对象动物的社交反应，例如其反应行为，以及对受试动物进行基于社交条件反射的训练。
具体的，本发明提供了一种使用前述社交识别评估系统对动物(例如小鼠或大鼠等)进行基于社交识别的行为检测和训练的方法。所述系统包括固定舱和旋转舱，所述旋转舱包括两个或多个分隔的舱室，所述方法包括在所述固定舱放置受试动物，以及在所述旋转舱的各个舱室放置社交对象动物，将旋转舱转动至将每个分隔的舱室中的任意一个单独与所述固定舱接驳的位置，使得所述固定舱中的受试动物接受到一个旋转舱舱室中的社交对象动物的信息，包括视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。
在本发明的其中一个方面，所述方法中在受试动物面对与奖赏偶联的社交对象动物时给与奖励，在受试动物面对与惩罚偶联的社交对象动物时给与惩罚。例如通过给水、给食或颅内刺激进行奖励，或通过眼部喷气、电击或颅内刺激进行惩罚。
在本发明的其中一个方面，所述方法还包括通过观察所述受试动物的反应以确定其建立目的社交行为。
在本发明的其中一个方面，所述方法还包括将受试小鼠用于后续的动物学研究。例如，经利用本发明的系统训练的动物可用于后续的动物行为学、神经生物学、药物医学等生物学研究，利用在体电生理记录、在体双光子成像、光遗传学操纵等技术手段，观察其在经过处理后发生的生理或生化或行为方面的改变。
本发明首次建立了用于动物的与不同社交个体偶联非条件刺激的评估和自动化训练系统。同时本发明提供了一种基于社交条件反射的社交识别范式，解决了现有社交识别范式间接测量、无法检测具体身份信息等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的立体示意图。
图2是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的侧视剖面示意图。
图3是本发明另一示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的俯视示意图。
图4是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的旋转舱和其转动机构(部分)的爆炸视图。
图5是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别训练评估系统的旋转舱的转动机构(部分)的俯视图。
附图标记
1-底座；2-旋转舱；3-固定舱；4-动物固定装置；
11-底座顶板；12-电机；13-联轴器；14-轴承；15-第一齿轮；16-第二齿轮；
21-旋转舱舱室；211-旋转舱隔板；212-旋转舱底板；213-旋转舱顶板；22-社交对象小鼠；23-旋转舱-固定舱挡板；
31-固定舱舱室；311-固定舱底板；312-固定舱顶板；313-固定舱背板；32-受试小鼠；33-摄像头；34-蜂鸣器；35-LED灯；
41-跑步机；42-头部固定片；
51-出水口；52-舔舐传感器；53-出气口
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的区间。
下面参考附图对本发明提供的动物社交识别评估系统和使用所述系统对动物进行基于社交识别的行为的评估、检测和训练的方法进行详细说明。
实施例1基于社交条件反射的社交识别评估系统
本发明提供了一种用于受试动物的基于社交条件反射的社交识别评估系统。所述受试动物可为大鼠或小鼠。所述社交识别评估系统用于评估和检测受试动物对社交对象动物的社交反应，例如其反应行为，以及对受试动物进行基于社交条件反射的训练。
图1是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的立体示意图。图2是本发明示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的侧视剖面示意图。图3是本发明的另一示例性的基于社交条件反射的社交识别评估系统的俯视示意图。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的基于社交条件反射的社交识别评估系统包括底座1、固定舱3和旋转舱2。所述固定舱用于容纳和固定受试动物(通常容纳一只)。所述固定舱内具有受试动物的固定装置以及对所述受试动物的奖惩装置。所述旋转舱包括两个或多个均匀分隔的舱室21，其用于容纳和固定受试动物的社交对象动物(通常每个舱室内容纳一只)。所述每个舱室内具有社交对象动物的固定装置4。
具体的，如图1和图2所示，固定舱3包括固定舱底板311、固定舱顶板312和固定舱背板313，形成顶部和底部、左右两侧和后侧五面封闭，一面开放的长方形的固定舱舱室31，其开放端可与所述旋转舱舱室的开放端无缝连接。固定舱通过铜柱固定于底座上表面。在本实施例的基于社交条件反射的社交识别评估系统中，所述固定舱的长度为约400毫米，高度为约160毫米。
如图1和图2所示，旋转舱2为绕中心旋转的圆形转盘，其上下表面具有互相平行的底板212和顶板213。在圆形转盘的圆周上排列多个均匀分隔的舱室，即旋转舱室21。每个旋转舱室21相互独立，舱室间通过不透明的旋转舱隔板211完全分隔。旋转舱的底板212和顶板213和相邻两块旋转舱隔板211形成顶部和底部以及左右两侧封闭，一面开放的旋转舱舱室21。在图示的本实施例的基于社交条件反射的社交识别评估系统中，旋转舱的舱室数为4个；旋转舱的半径为约220毫米，高为约160毫米。旋转舱开放端的宽度和高度与固定舱的开放端的宽度和高度相同，当旋转舱的单个舱室转动至其开放端与固定舱舱室的开放端相对时，形成无缝连接。
旋转舱的转盘通过转动机构驱动其旋转。图4是本发明实施例的基于社交条件反射的社交识别评估系统的旋转舱和其转动机构(部分)的爆炸视图。图5是本发明实施例的基于社交条件反射的社交识别训练评估系统的旋转舱的转动机构(部分)的俯视图。如图4和图5所示，转动机构包括第一齿轮15、第二齿轮16、轴承14、联轴器13和电机12。所述旋转舱底板212固定于所述第二齿轮16之上，所述第二齿轮16固定于所述轴承14之上，所述轴承通过铜柱固定于底座顶板11上。所述电机12通过联轴器13与第一齿轮连接，所述第一齿轮在电机驱动下带动第二齿轮，进而带动其上的旋转舱转动。
所述旋转舱可转动至将所述两个或多个均匀分隔的舱室依次单独与所述固定舱接驳，使得所述固定舱中的受试动物接受到当前旋转舱室中社交对象的信息，包括视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。
本发明提供的动物社交识别评估系统特别适用于小型动物，如大鼠或小鼠等。如图3所示，受试小鼠32安置于固定舱舱室31，多个社交对象小鼠22分别安置于旋转舱的各个舱室21。受试小鼠和社交对象小鼠都固定在固定装置上。如图所示的示例性固定装置包括安置小鼠躯干的跑步机41和头部固定部件42，通过头部固定部件42与小鼠头部的固定片相连接，用于固定小鼠头部。固定舱舱室和旋转舱舱室内的跑步机设置于舱室的中轴线上，使得受试小鼠头部与社交对象小鼠头部相对。在进行小鼠的社交识别实验时，受试小鼠鼻端与社交对象小鼠鼻端的距离一般设置为约50毫米。例如，受试小鼠鼻端与固定舱开放端边缘以及社交对象小鼠鼻端与旋转舱边缘的距离均为约25毫米。
视觉、嗅觉是动物建立社交记忆，产生社交识别最为重要的感官输入。如图3所示，在旋转舱的边缘，受试小鼠与社交对象之间，还可安装不同类型的旋转舱-固定舱挡板23以在社会交互过程中阻断视觉、嗅觉的信息输入。例如，安装全透明旋转舱-固定舱挡板用以阻断嗅觉输入而保留视觉输入；安装不透光带孔旋转舱-固定舱挡板用以阻断视觉输入而保留嗅觉输入，安装不透明不带孔旋转舱-固定舱挡板同时阻断视觉、嗅觉输入。
本发明提供的基于社交条件反射的社交识别评估系统还包括设置在固定舱内的对所述受试动物的奖励奖惩装置。奖惩装置中的奖励装置包括以下的一种或多种：给水装置或给食装置或颅内刺激装置。奖惩装置中的惩罚装置包括以下的一种或多种：眼部喷气装置、电击装置或颅内刺激装置。
在本发明的其中一种示例性工作状态中，采用给水作为奖励，以及采用眼部喷气作为惩罚。训练过程中，在与社交对象建立偶联时采用给水刺激作为奖励(受试小鼠在训练前限制饮水)，采用眼部喷气作为惩罚。在多次偶联后，受试小鼠学会在面对与奖赏偶联的社交对象时，舔舐出水口以获得奖赏；而在面对与惩罚偶联的社交对象时，提前闭眼以躲避喷气。需要说明的是，奖励或者惩罚还可以采用其他方式，在此不再赘述。
如图3所示，给水装置包括水瓶、水管、电磁阀、出水口51和舔舐传感器52。水瓶通过水管与电磁阀和出水口连接。所述出水口末端为滴水状圆针头，防止对动物的划伤。所述出水口末端离小鼠吻部一侧约3毫米，位于受试小鼠嘴部舔舐范围内。优选的，每次出水量约5微升。所述舔舐传感器为电容式点动型触摸开关，与所述出水口紧密贴合。电磁阀和舔舐传感器通过微处理器监控。小鼠舔舐出水口时，所述舔舐传感器将信号传至微处理器，实时输出受试小鼠是否舔舐的信号。
眼部喷气装置包括气瓶、减压阀、电磁阀、气管、出气口53。所述减压阀安装于所述气瓶出口，通过所述气管与电磁阀和所述出气口连接。电磁阀通过微处理器监控。所述出气口末端为滴水状圆针头，防止对动物的划伤。所述出气口末端位于小鼠眼下约2毫米处，且与小鼠相距约5毫米。气流压强为0.27兆帕持续100毫秒。
本发明提供的基于社交条件反射的社交识别评估系统还包括设置在固定舱内的观察和记录受试动物行为的装置。例如安装于固定舱侧壁的摄像头33。所述摄像头用于监测受试小鼠是否闭眼、是否舔舐、以及受试小鼠与社交对象小鼠的社交互动情况。视频经上位机图像识别后，实时输出受试小鼠的行为。
本发明实施例提供的基于社交条件反射的社交识别评估系统还包括设置在固定舱内的用作产生提示信号的蜂鸣器34和用于照明的LED灯35。
本发明实施例提供的基于社交条件反射的社交识别评估系统还包括设置在底座的微处理器和电源管理器。所述微处理器和电源管理器可固定于所述底座底板上。其中所述电源管理器向电机、继电器等供电。所述微处理器的作用包括控制所述电机的转动，进而决定每一时刻与固定舱所接驳的旋转舱室。所述微处理器的作用还包括对奖惩装置中的电磁阀和传感器进行监控等。所述微处理器与外部上位机系统进行通信。
本发明提供的所述社交识别评估系统可用于检测受试动物对社交对象动物的社交反应，例如其反应行为，以及对受试动物进行基于社交条件反射的训练。
本发明提供的动物社交识别评估系统可结合其他实验方法用于生物学研究。例如经利用本发明的系统训练的动物可用于后续的动物行为学、神经生物学、药物医学等生物学研究，利用在体电生理记录、在体双光子成像、光遗传学操纵等技术手段，观察其在经过处理后发生的生理或生化或行为方面的改变。
实施例2社交识别反应行为检测和训练
采用实施例1所描述的基于社交条件反射的社交识别评估系统对小鼠进行社交识别反应行为检测和训练。
将受试小鼠固定在固定舱舱室的固定装置上，将多个社交对象小鼠分别安置于旋转舱的各个舱室的固定装置上。通过头部固定部件与小鼠头部安装的固定片相连接，用于固定小鼠头部。使得受试小鼠头部与社交对象小鼠头部相对。受试小鼠鼻端与固定舱开放端边缘以及社交对象小鼠鼻端与旋转舱边缘的距离均为约25毫米。
在上位机设置不同社交对象所处旋转舱的位置，以及所偶联的效价。训练开始后，根据上位机的指令，旋转舱将不同的社交对象小鼠旋转呈现在受试小鼠面前，并根据预设的效价给予受试小鼠奖赏或惩罚。根据社交对象小鼠旋转呈现后一定时间内舔舐传感器与摄像头的数据，即受试小鼠在面对与奖赏偶联的社交对象时是否舔舐，以及在面对与惩罚偶联的社交对象时是否闭眼等指标，上位机自动评估受试小鼠的训练情况。
当受试动物在面对特定社交对象所产生的行为正确率达到80％以上时，例如在面对与奖赏偶联的社交对象时产生舔舐行为，而不产生闭眼行为；或者在面对与惩罚偶联的社交对象时产生提前闭眼行为，而不产生舔舐行为；或者在面对空白对照社交对象时既不产生闭眼行为，也不产生舔舐行为时，则认为受试小鼠训练完成，可进入下一阶段实验。且认为受试小鼠对于该社交对象已产生社交记忆，并能够进行指定的社交识别。
利用本发明的系统训练的动物可用于后续的动物行为学、神经生物学、药物医学等生物学研究，利用在体电生理记录、在体双光子成像、光遗传学操纵等技术手段，观察其在经过处理后发生的生理或生化或行为方面的改变。
本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (10)
1.一种动物社交识别评估系统，其包括固定舱和旋转舱，所述固定舱具有受试动物的固定装置以及对所述受试动物的奖惩装置，所述旋转舱包括两个或多个分隔的舱室，每个舱室包括社交对象动物的固定装置，所述动物例如为小鼠或大鼠；
其中，所述固定舱和旋转舱设置在底座上，所述旋转舱可转动至将所述两个或多个分隔的舱室中的任意一个单独与所述固定舱接驳的位置，使得所述固定舱中的受试动物接受到一个旋转舱舱室中的社交对象动物的信息，例如为视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述旋转舱为绕中心旋转的转盘，在其圆周上排列所述两个或多个分隔的舱室，每个舱室相互独立。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转舱通过转动机构驱动其旋转，所述转动机构包括第一齿轮、第二齿轮、轴承、联轴器和电机，其中所述旋转舱底板固定于所述第二齿轮之上，所述第二齿轮固定于轴承之上，所述轴承固定于底座顶板之上，第一齿轮与第二齿轮设置为水平啮合的齿轮副，电机通过联轴器与第一齿轮连接，第一齿轮在电机驱动下带动第二齿轮，进而带动其上的旋转舱转动。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述旋转舱的相邻两个旋转舱舱室间通过旋转舱隔板分隔，由底板、顶板和隔板形成一面开放的旋转舱舱室，当旋转舱的单个舱室转动至其开放端与固定舱舱室的开放端相对时，形成连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述固定舱和旋转舱之间具有挡板以阻断受试动物和社交对象动物之间的视觉和/或嗅觉。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述固定舱中具有对所述受试动物的奖惩装置中的一种或多种：给水装置、给食装置、眼部喷气装置、电击装置或颅内刺激装置。
7.一种使用根据权利要求1-6所述的系统对动物(例如小鼠或大鼠等)进行基于社交识别的行为的检测和训练的方法，所述系统包括固定舱和旋转舱，所述旋转舱包括两个或多个分隔的舱室，所述方法包括在所述固定舱放置受试动物，以及在所述旋转舱的各个舱室放置社交对象动物，将旋转舱转动至将每个分隔的舱室中的任意一个单独与所述固定舱接驳的位置，使得所述固定舱中的受试动物接受到一个旋转舱的舱室中的社交对象动物的信息，例如为视觉信息、嗅觉信息或听觉信息中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在受试动物面对与奖赏偶联的社交对象动物时给与奖励，在受试动物面对与惩罚偶联的社交对象动物时给与惩罚，例如通过给水、给食或颅内刺激进行奖励，或通过眼部喷气、电击或颅内刺激进行惩罚。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中还包括通过观察所述受试动物的反应以确定其建立目的社交行为。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其中还包括将受试小鼠用于后续的动物学研究，例如将受试小鼠用于采用体电生理记录、在体双光子成像、光遗传学操纵等技术手段的动物行为学、神经生物学、药物医学研究。
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