CN1768578A

CN1768578A - 实验动物操作行为研究计算机控制系统及处理方法

Info

Publication number: CN1768578A
Application number: CN 200510060741
Authority: CN
Inventors: 张富强
Original assignee: NINGBO MICRO CIRCULATION AND HENBANES MEDICINE INST
Current assignee: NINGBO MICRO CIRCULATION AND HENBANES MEDICINE INST
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2006-05-10

Abstract

一种实验动物操作条件性行为研究计算机控制系统及处理方法，该系统包括一个或多个操作式实验笼，每个实验笼放置在一个单独的通风隔音箱内；每个实验笼上安装有输入和输出设备，其中输入设备包括有踏板、鼻触以及红外水平活动探测器，输出设备包括有液体注射泵、颗粒和液体食物泵、灯光刺激装置、声音刺激装置和电休克刺激装置；每个实验笼还配备一个颗粒和液体食物槽，一套静脉输液连接保护设备；每个实验笼有一个外围设备接口电路板，通过电缆与安装有用于控制和记录动物行为软件的计算机I/O卡相连接。本发明通过加强软件的功能来简化系统所需的外围硬件设备的复杂性，加强了实验强化程序的设计控制能力，实验自动化运行，使科研人员完全摆脱复杂的计算机编程工作，提高工作效率。

Description

实验动物操作行为研究计算机控制系统及处理方法

技术领域

本发明涉及一种研究动物操作式条件反射行为的实验模型装置，属于行为学实验方法。特别是涉及一种研究奖赏、强化行为(如自身给药行为)的计算机控制系统和实验方法。

背景技术

动物条件性学习记忆有两种方式：巴浦洛夫或经典条件性(Pavlovian or classicalconditioning)、以及操作式条件(operant conditioning)行为。后者是研究奖赏(reward)、强化(reinforcement)行为，特别是药物成瘾、药物精神依赖性的最直接和最重要的动物模型。由于该系统涉及复杂的计算机硬件、软件、外部设备、系统安装维护技术，而进口设备昂贵、系统安装复杂，大大限制了该实验技术在我国的应用，目前国内仅有3-4家科研机构能开展此类研究工作，设备主要依赖进口。国外产品同类系统控制软件为西文版本，而且其强化程序设计内核基本沿用传统的类似Basic的解释语言StateNotation结构，对于复杂实验强化程序(reinforcement schedule)的设计有一定限制，而且不容易使用，要求从事此类研究的科研人员熟悉State Notation语言，大大限制了对计算机编程不熟悉的科研人员对此技术的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服目前我国开展此项研究技术完全依赖进口而且仍很难运行的现状，关键设备完全国产化，通过加强软件的功能来简化系统所需的外围硬件设备的复杂性；加强了实验强化程序的设计控制能力，实验自动化运行，使科研人员完全摆脱复杂的计算机编程工作，提高工作效率；从而提供一套功能强大的实验动物操作行为研究控制系统及处理方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的实验动物操作行为研究控制系统包括三部分：

(一)一台运行在Windows 9x/Me/NT/2000/XP操作系统的PII以上IBM兼容计算机，一至数个安装于计算机主板(ISA、PCI卡)或外部通过USB接口连接的光电隔离开关量输入输出(I/O)接口卡，I/O卡输入输出信号分线盒，给I/O卡和其他外围设备提供直流24V的开关电源，实验笼外围电器设备电路板。

(二)一套安装于该计算机并运行的动物操作行为控制系统软件，可以最多同时控制16个实验笼。

(三)实验笼电器设备：每个实验笼具有一个外围电器设备电路板，实验笼的所有被控制的电器设备连接于该电路板。实验笼电器设备分为两类，一类是输入设备，如踏板(response lever，机械开关)、鼻触(nose poke，红外开关)、水平和垂直运动红外探测器，这些设备插在外围电器设备电路板的输入插座上(16个插座，IN-1至IN-16)。另一类是输出设备，如LED指示灯、24V白炽灯、声音刺激(蜂鸣器)、液体食物泵、颗粒食物泵、液体注射泵、足电刺激装置等，这些设备插在外围电器设备电路板的输出插座上(16个插座，OUT-1至OUT-16)。每个实验笼可以最多连接16个输入设备和16个输出设备。每个实验笼放置在单独的通风隔音箱内。

具体实验步骤如下：

(1)正确安装系统控制软件、计算机I/O卡、以及和实验笼设备连接的硬件；

(2)通过软件设置系统参数，包括I/O卡参数(地址和卡类型)、实验笼数量，每个实验笼的输入输出设备参数(包括对每个设备命名，连接的I/O卡端口及位地址，对于注射泵还包括泵速和液体浓度)。

(3)实验动物管理：按课题、实验、动物三个层次对实验和数据进行管理，对课题、实验、动物进行分别命名，该名字用于在计算机硬盘上建立数据目录，动物参数还包括体重(用于自身给药时自动计算开启注射泵的时间)。

(4)建立实验方法：每一个强化程序是由一系列单元结构(Component)组成，而每一个单元又由一系列State状态组成，每个State描述了实验笼输入输出设备的状态，如开启和关闭输出设备、包括开启方式和时间，开启方式有连续、或断续、或脉冲式；每个State转换的条件，如时间(可以是固定、随机、或从列表里选择)，输入设备反应次数(反应次数可以是固定、随机、或从列表里选择)，输入设备反应时间(时间可以是固定、随机、或从列表里选择)。输出设备还可以控制其他实验笼输出设备(用于Yoked控制)。每个单元可以同时运行或按序运行，单元可以在一定时间内自行结束，或由State控制其结束。整个程序可以在一定时间内结束，或根据动物行为自行结束。每个程序被存储为一个文件。

(5)自动运行实验：对实验进行自动安排，建立运行列表，包括日期、时间、动物，方法，系统根据列表自动运行并记录数据。

(6)数据分析：实验数据采用文本格式记录、并具有实时软件模拟的设备事件记录仪(Event Recorder)和累进记录仪(Cumulative Recorder)，可对实验数据进行分时分段图形化处理，数据可以按动物或实验进行汇总，结果可以拷贝到Excel、SigmaPlot进行绘图，或SPSS进行统计分析，实验数据可以打印或拷贝。

本发明的优点在于：一台计算机可以控制所有实验笼，软件运行于Windows各个平台包括Win98/Me/NT/2000/XP，软件控制的实验笼数完全取决于计算机的运行速度；强化程序的设计不要求实验人员具有高深的计算机编程知识；可以完成任何复杂强化程序的实验要求；实时记录设备的状态和动物行为；实验可以自动定时运行，提高工作效率，节省人力；通过加强软件功能简化外围实验笼电器设备。系统安装简便，成本底，是进口产品的1/3至1/5。

附图说明

图1是本发明的系统结构框架示意图；

图2是实验笼设备电路板元件面和印刷电路板图；

图3是I/O卡分线盒电路板元件面和印刷电路板图；

图4是计算机控制软件流程图；

具体实施方式

下面结合附图并以研究滥用药物精神依赖性的自身给药模型为例，采用大鼠为实验对象，通过建立16套大鼠自身给药实验系统并开展实验，以对本发明作进一步详述。

具体操作如下：

1、控制系统：首先按照图1制作实验动物操作行为控制系统，包括一台P4(2.4M)计算机19，内存256M，硬盘120G，4个空PCI插槽；4个PCI接口I/O卡18(型号AC-6410，32路输入，32路输出，每路输出200mA)；4个I/O卡输入输出信号分线盒16，分线器电路板印刷板见图3；16个实验笼外围电器设备电路板15，该电路板印刷板见图2；4个10A、24V给I/O卡和其他外围设备提供直流的开关电源17。

2、实验笼1：16个，采用透明有机玻璃和铝合金制作，箱体尺寸为30×30×25cm(高×宽×深)。前后面板采用透明有机玻璃，前面板为一个上下开的门。左右侧面分别是4个带刻槽的铝合金柱，提供垂直3个插槽。左右两个侧面板可分别垂直插入模块化的输入输出设备或封闭用插板(宽7.7cm)。顶板采用透明有机玻璃，底板为一个不锈钢栅栏2，由16根不锈钢管组成，间距1.9cm，相邻的不锈钢管用导线连通，通电后相邻的不锈钢管间具有电压，可用于足电休克刺激，底板下方是垃圾托盘3。

3、隔音箱14：16个，每个实验笼放置于单独隔音箱内。隔音箱采用细木工贴面板，箱体尺寸为60×70×50cm(宽×高×深)，箱体内壁覆盖一层吸音材料。前面板为一单开门，右侧板中央高55cm处安装一个直径10cm 24V直流电风扇进行通风，左面板中央高5cm处开一个3×10cm(高×宽)的进气孔，后面板中央高5cm处开一个直径5cm空作为电缆通路，后面板安装一个交流220V电源插座，给实验笼交流电器提供电源。

4、实验笼设备：左面板安装两个由鼻触8和鼻触红外控制器9构成的红外鼻触探测器，每个探测器内有一个绿色LED指示灯10，一个用于声音刺激的24V2.7kHz蜂鸣器(75dB)，一个用于灯光刺激的24V0.1A钨丝灯7，一个饮水瓶架；右面板安装两个踏板，每个踏板上方是一个LED指示灯，两个踏板中间是一个食物槽(内有一个红外探头)，可以接收液体和颗粒食物，一个颗粒食物泵和液体食物泵。前后面板离不锈钢管高5cm安装一排共8路红外水平活动探测器，用于记录大鼠水平运动，该探测器用单片计算机控制，输出8+1路开关信号作为实验笼输入设备。实验笼外是一个注射泵11用于静脉自身给药。实验笼顶面板有一个直径2cm孔。后面板固定一个输液器支架5，一个可旋转的输液器通过此支架悬挂在笼的上方，并和一个直径4mm的软弹簧6连接，通过顶面板的孔进入实验笼，弹簧末端是一个输液器接口4，输液器中的输液线13一端与该接口相连，另一端连接注射器12。所有设备插接在实验笼外围设备电路板上。

5、软件安装：安装操作系统Windows 2000，然后安装PCI接口卡驱动程序，接着安装系统控制软件，然后进行系统参数设置，包括I/O卡的类型，地址，实验笼数量，每个实验笼的输出输入设备参数，包括对每个设备命名，连接的I/O卡端口地址，泵速和液体浓度等，设置完毕系统就可以进入实验流程。

6、运行实验：大鼠右颈静脉插管，术后恢复1周，开始静脉自身给药训练。启动系统控制软件，建立课题、实验、动物数据目录、对课题、实验、动物进行分别命名，该名字用于在计算机硬盘上建立数据目录，动物参数还包括体重(用于自身给药时自动计算开启注射泵的时间)；建立实验方法(强化程序)，每一个方法由一系列单元结构(Component)组成，而每一个单元又由一系列State状态组成，每个State描述了实验笼输入输出设备的状态，每个State转换的条件，如时间(可以是固定、随机、或从列表里选择)，输入设备反应次数(反应次数可以是固定、随机、或从列表里选择)，输入设备反应时间(时间可以是固定、随机、或从列表里选择)。输出设备还可以控制其他实验笼输出设备(用于Yoked控制)。每个单元可以同时运行或按序运行，单元可以在一定时间内自行结束，或由State控制其结束，每个方法被存储为一个文件；安排实验日期时间，按照实验安排把大鼠放入实验笼，系统自动记录控制动物的行为，最后进行数据分析打印或拷贝，实验数据采用文本格式记录、并具有实时软件模拟的事件记录仪(Event Recorder)和累进记录仪(Cumulative Recorder)，可对实验数据进行分时分段图形化处理。

Claims

1、一种实验动物操作条件性行为研究计算机控制系统包括至少一个或一个以上操作式实验笼，其特征在于：每个实验笼放置在一个单独的通风隔音箱内；每个实验笼上安装有输入和输出设备，其中输入设备包括有踏板、鼻触以及红外水平活动探测器，输出设备包括有液体注射泵、颗粒和液体食物泵、灯光刺激装置、声音刺激装置和电休克刺激装置；每个实验笼还配备一个颗粒和液体食物槽，一套静脉输液连接保护设备；每个实验笼有一个外围设备接口电路板，通过电缆与安装有用于控制和记录动物行为软件的计算机I/O卡相连接。

2、如权利要求1所述的实验动物操作条件性行为研究计算机控制系统，其特征在于：所述的灯光刺激装置采用2.8W24V白炽灯，所述的声音刺激装置采用24V蜂鸣器，所述的电休克装置采用作为实验笼底板的不锈钢栅栏，相邻的不锈钢管用导线连通。

3、如权利要求1或2所述的实验动物操作条件性行为研究计算机控制系统，其特征在于：所述的每个实验笼最多配备安装16个输入设备和16个输出设备。

4、一种应用权利要求1所述的实验动物操作条件性行为研究计算机控制系统的处理方法，其特征是：具体操作步骤如下：

(2)通过软件设置系统参数，包括I/O卡参数、实验笼数量，每个实验笼的输入、输出设备参数；

(3)实验动物管理：按课题、实验、动物三个层次对实验和数据进行管理，对课题、实验、动物进行分别命名，该名字用于在计算机硬盘上建立数据目录，动物参数还包括体重；

(4)建立实验方法：每一个方法由一系列单元结构组成，而每一个单元又由一系列State状态组成，每个State描述了实验笼输入输出设备的状态，每个State转换的条件，输入设备反应次数，输入设备反应时间，输出设备还可以控制其他实验笼输出设备，每个单元可以同时运行或按序运行，单元可以在一定时间内自行结束，或由State控制其结束，每个方法被存储为一个文件；

(5)自动运行实验：对实验进行自动安排，建立运行列表，包括日期、时间、动物，方法，系统根据列表自动运行并记录数据；

(6)数据分析：实验数据采用文本格式记录、并具有实时软件模拟的事件记录仪和累进记录仪，可对实验数据进行分时分段图形化处理，实验数据可以打印或拷贝。