CN2735764Y

CN2735764Y - 小型动物分辨学习行为自动训练系统

Info

Publication number: CN2735764Y
Application number: CN 200420061372
Authority: CN
Inventors: 隋建峰; 甘平; 杨敏; 鲜晓东; 高洁; 黄杨帆
Original assignee: Third Military Medical University TMMU
Current assignee: Third Military Medical University TMMU
Priority date: 2004-09-18
Filing date: 2004-09-18
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2014-09-18

Abstract

本实用新型涉及一种对小型动物分辨学习行为自动训练系统。根据低等动物的脑功能特性，将对单一条件刺激的感知任务变为对两个条件刺激的分辨识别，增加了低难度的分辨任务，并通过采取低难度的反应任务训练，从而建立完整的低等动物分辨学习行为自动训练系统。系统包括：控制部分、显示部件、发光部件、外触发输入口、压力输出口等。通过两组亮度、颜色、导通时间、发光间隔时间、空间位置差异、出现频率均可调的发光二极管或灯泡照射动物眼睛，并同时控制压力输出口用作强化刺激，结合细胞电生理方法同步测试受训动物脑内神经细胞的反应。本系统的使用大大降低实验成本，提高工作效率。

Description

小型动物分辨学习行为自动训练系统

技术领域

本实用新型涉及一种对动物行为进行训练的智能控制系统。尤其涉及适用于小型低等哺乳动物的分辨学习模型自动训练系统。

背景技术

近年来，已出现很多用于小动物的行为模式自动训练装置，如中国专利申请(公告号：CN2472655)公开了一种具有角度可调的用于测试白鼠行为的水迷宫实验设备，用于对大、小鼠进行空间记忆行为训练；也有对低等动物进行条件反射行为的自动训练装置，例如：穿梭箱、跳台箱、爬竿、步入实验箱等，多以声、光为条件刺激，电击或其他惩罚为非条件刺激，通过多次联合给予两类刺激，训练动物成功建立各种简单的条件反射行为。但上述两种多以长时记忆训练为目的，没有即时分辨任务，不具备分辨学习。而目前用于高等哺乳动物灵长类分辨操作行为训练的装置，从分辨和反应任务两方面都有较大难度，难以用于低等哺乳类动物的分辨学习训练。本实用新型针对以上两类训练装置的不足，设计具有分辨学习行为的自动训练系统：即在条件反射行为之前加上主动分辨识别过程，从而将对单一条件刺激的感知任务变为对两个条件刺激的分辨识别，摈弃针对高等动物训练用的复杂的图形和物体分辨识别任务，只选用简单的视觉分辨任务，降低分辨任务的难度，建立完整的低等动物分辨学习行为自动训练系统。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，生成多种实用并且低难度的，具有不同组合参数和特点的差异刺激模式，供动物进行视觉强度分辨、色觉分辨、空间位置分辨等视觉差异分辨任务。

本实用新型的技术方案是该系统通过几组亮度、颜色、导通时间、发光间隔时间、空间位置差异、出现频率均可调的发光二极管或灯泡照射动物眼睛；并同时控制强化刺激输出---水流、气流输出或电信号，训练动物的分辨学习反应。并且，此装置还可以根据需要改变强化刺激的输出种类及其延迟输出时间，以适应不同反应行为所需的不同时间要求。

一种小型动物分辨学习行为自动训练系统，包括：箱体、控制部分、显示部件、发光指示部件、发光输出端口、触发输入口、压力输入口、压力输出口。所述控制部分包括：中央处理器、脉冲宽度控制电路、随机数据产生电路、亮度控制电路、输入延时控制电路、阀门控制开关电路，由位于箱体表面的按键连接中央处理器I/O端口构成脉冲宽度控制电路，由位于箱体表面的拨动开关连接中央处理器I/O端口构成随机数据产生电路，由位于箱体表面的滑动变阻器连接中央处理器I/O端口构成亮度控制电路，发光部件连接在输出端口，由脉冲宽度控制电路、随机数据产生电路、亮度控制电路进行控制，触发输入口和压力输入口通过阀门开关控制电路连接压力输出口，位于箱体表面的按键连接中央处理器I/O端口构成输入延时控制电路，输入延时控制电路的输出连接压力输出口，显示部件位于箱体表面，通过显示电路连接到控制部分。

本实用新型充分考虑了低等动物脑功能特性，通过控制发光二极管或灯泡的亮度、导通时间等，提供低难度的分辨任务，并通过采取低难度的反应任务，进行差异视觉的分辨和反应训练。系统适用于大鼠、小鼠等低等哺乳动物的分辨学习，也可用于猕猴、狗等高等哺乳动物的视觉信息分辨行为训练，使用本系统降低了实验成本、提高了工作效率。

附图说明

图1为本实用新型的功能结构框图

图2为本实用新型的功能原理框图

图3A、B为本实用新型的实现电路原理图

具体实施方式

如图1所示，此装置有五个单极性按键A2、B2、C2、D2和E2，显示部件由数码管A1、B1、C1、D1、E1构成，三个滑动变阻器A”、B”、C”及其控制的三个输出口A、B和C，三个发光指示二极管或灯A’、B’、C’，两个拨动开关G、H，一个外部触发输入口I，一个压力输出口Cf，一个压力输入口P。按键A2、B2、C2、D2、E2连接控制部分的控制端口，按键A2用于调节输出口A和B的输出脉冲的宽度，以控制发光部件发光的时间；B2用来调节输出口A和B输出脉冲的时间间隔，以控制发光部件之间发光的间隔时间及组合；按键C2调节输出口A输出的脉冲数占A、B口输出的总脉冲数中的比例A/(A+B)，控制发光部件发光的个数、次数及其组合；按键D2用来调节压力输出口Cf以及输出口C的延迟触发的时间；按键E2可以调节压力输出口及C输出的脉冲宽度，即调节压力输出时间。

A、B、C输出口可以接上发光二级管或灯泡等发光部件，通过改变滑动变阻器的阻值，可控制发光部件输出的亮度；C输出口与压力输出口Cf同步。A输出口与B输出口是用同一脉冲触发的。

拨动开关G用于选择A输出口输出的脉冲是固定位置出现还是随机出现。随机就是按已调好的比例出现输出脉冲个数，但由系统产生随机数来控制其出现位置，固定则是按已调好的比例均匀地出现脉冲；拨动开关H用于选择是由外部触发控制压力输出口P及C输出口还是由内部触发控制，如果选择了外部，则将外部触发信号例如声音或其它电信号从I口输入，以保证该系统的压力输出强化及C输出口可以在其它外在差异刺激(例如差异声音)的触发驱动下工作，从而使系统可以用于视觉分辨之外的信号分辨训练，扩展了系统的使用范围，使用时只要自备所需要的差异刺激信号即可，如果选择了内部，则输出口C、Cf的输出由延时D2确定其在A输出一定间隔后启动输出。

本系统的强化刺激直接由输出口C、Cf同步输出，端口Cf是机械压力输出口，端口C是电信号输出口，其中机械压力输出形式是水流或气流，如果在压力输入口P外接气压(例如氧气瓶或气泵)，则通过脉冲控制阀门开关，在出口Cf处产生瞬间气流，输出气压，如果压力输入口P外接水压，则输出水流；电信号输出方式是输出直流方波信号，控制强光二极管或灯泡作视觉刺激，也可用作触发信号用于触发扬声器作听觉强化刺激或触发用于体感刺激的其它刺激器使之输出强化电压。

该小型动物分辨学习行为自动训练系统中央处理器采用双CPU设计，采用负载分担方式由单片机1及单片机2构成CPU协调电路。如图2所示为其功能原理框图。

脉冲宽度控制电路：由按键A2、E2连接单片机I/O端口构成，通过按压不同的按键及组合，程序控制单片机1输出端输出不同宽度的脉冲，用于控制A、B、C输出口上所接发光二极管/灯泡亮灭的时间和时长，以及压力输出口的脉冲宽度。

亮度控制电路：滑动变阻器A”、B”、C”连接中央处理器I/O端口构成亮度控制电路，通过调节滑动变阻器阻值，调节连接在输出口的发光二极管或灯泡的亮度。

随机数据产生电路：拨动开关G接入单片机1的I/O端口构成，开关拨动接高电平时，系统为随机控制，产生随机数，使系统的A输出口输出脉冲按一定的A/(A+B)百分比例(该比例由按键C2调节控制)随机输出。接低电平时，系统为固定控制，此时A口输出脉冲按一定的A/(A+B)百分比例在固定位置出现。

电平输出和显示电路：由单片机送出要显示的信号，经锁存器、译码器、电阻等构成的显示电路后，在数码管上显示十进制数。用来显示差异视觉刺激的脉宽、间隔、靶刺激比例、延时等数据。

灵敏电平输入电路：采用两极放大，第一级放大是由放大器与反馈电阻组成的正相放大器，第一级放大的输出经RC网络滤波后送入第二级放大，信号先经过一电容进一步滤除高频分量，经过放大器放大，输入非门整形后送入单片机1的输入端，用来将微弱的低频输入信号放大整形成可供单片机抽样判断的直流信号。

输入延时控制电路：由按键D2接入单片机2的I/O端口构成，控制按键D2可使压力输出口P和C输出口的触发延迟一定时间。按键B2用来调节输出口A和B输出脉冲的时间间隔，以控制发光部件之间发光的间隔时间及组合。

阀门控制开关电路：从单片机2的I/O端口输出控制信号，送入锁存器，驱动继电器，使气阀导通或关闭，通过输出脉冲控制气阀的开关。

系统的外触发输入口也可输入其它外来的触发信号，例如在体感刺激分辨时，差异刺激当中的靶刺激可以直接接入该触发口，使用者只需自备不同的体感刺激信号即可。

如图3的A、B两部分所示，本实用新型中央处理器由两片单片机采用负载分担方式构成CPU协调电路，外围电路包括：数码管静态显示电路，按键扫描电路，A、B、C口输出电路，压力输出口电路，外部触发放大电路。

CPU协调电路包括单片机1和单片机2。

单片机1用于控制6盏数码管的显示，对按键A2、B2、C2的扫描，A、B输出口的控制，控制A’灯及B’灯亮灭的时间和时长，采用上电复位方式。I/O端口中分配两条用于控制A’灯与A输出口、B’灯与B输出口，端口P2.4接一拨动开关，开关接高电平时，系统为随机控制灯的亮灭时间，接低电平时，系统为固定控制。

单片机1连接单片机2的外部中断0输入口，它们之间有一拨动开关，开关打在1-2间，控制单片机2的外部中断0，此时为内部触发；开关打在2-3间，则由外部电平触发输入口输入的信号控制单片机2的外部中断0，此时为外部触发。

单片机2用于控制4盏数码管的显示、C输出口的输出、D2、E2按键的扫描以及压力输出口的输出。采用上电复位方式。P0口作为数据总线。P2.0、P2.1是2片锁存器74LS373的控制线，P2.2控制C输出口与压力输出口。P1.0、P1.1接按键D2、E2。通过查看P1.0、P1.1是否为低电平来判断是否有键按下。P3.2是外部中断输入口，当系统为内部触发时，由单片机1控制单片机2的外部中断0；当系统为外部触发时，则由外部触发电平输入口输入的信号来控制单片机2的外部中断0。

数码静态显示电路，LED数码静态显示电路，采用硬件译码，由74LS373、CD4511、限流电阻和数码管组成。要输出的十进制数由P0口输出，送入74LS373的数据输入端。当74LS373芯片的G口为高电平时，数据更新，输出数据送CD4511译码，再经过限流电阻后，送数码管显示。

按键扫描电路：单片机1的P1.0、P1.1、P1.2接按键A2、B2、C2，单片机2的P1.0、P1.1接按键D2、E2。单片机工作时，每隔200ms扫描一次按键。单片机通过查询按键所接端口的电平就可以知道有无键按下，而且还知是哪一键按下了。

A、B、C口输出电路：从单片机1的P2.5出来的脉冲分两路，一路直接驱动LED_A’，另一路经放大器LM324放大，送输出口A。因为其中的电阻R₂是可变的，所以放大倍数也是可变的，A输出口的脉冲幅度也是可变的。因此可以通过调节滑动变阻器的阻值改变输出值。如果A输出口上接灯泡，则改变滑动变阻器阻值可控制灯泡的亮度。

从图中可看出A、B与C口输出电路基本相同，只是C口输出电路滑动变阻器一端还接了一固定阻值的电阻R₃，因为R₂可变，而R₃不可变，取

\frac{R_{3}}{R_{1}} \approx 35

，放大倍数总大于35。因此C口的基准电压比A、B口大。若在C输出口上接一小灯泡，则控制滑动变阻器改变其亮度的范围没有A、B口大，看起来亮度变化不明显。

压力输出口电路：压力输出口电路由一个LED、74LS244、二极管、继电器、限流电阻与气阀等组成。信号从CONTROL_OUT输入，先导通LED_C’，再送入74LS244，驱动继电器，使气阀导通或关闭。与继电器线圈并联的二极管使继电器线圈在断电瞬间产生的反电势有一泄放电路，可防止K的驱动晶体管为该反电势击穿。电路中的5.1K电阻，具有限流作用。

外部触发放大电路：当系统为外部触发时，压力输出口将由外部信号控制。外部信号为低频信号，不方便被单片机直接进行判决。因此，在信号送入单片机之前，必须对其进行放大、滤波、整形。我们设计要求的灵敏度是1mv，因此，采用两级放大。第一级放大电路是由OP07精密放大器与反馈电阻组成的正相放大器。信号由V3输入，送入OP07的+极，此时是利用反馈电阻进行放大。信号放大后，经过RC网络，从R4与R5之间输出。这个RC网络具有滤波作用，将放大后的信号滤掉高频分量。信号经过一级放大后从signal_input输入，开始第二级放大。信号先经过电容C3滤除高频分量。再经过U11放大器放大后的信号再经过一个非门U12A整形从out_simulate输出，这样经过两级放大后的信号直接送入单片机作为外部触发信号。

Claims

1、一种小型动物分辨学习行为自动训练系统，包括：箱体、控制部分、显示部件(A1、B1、C1、D1、E1)、输出端口(A、B、C)、发光指示部件(A’、B’、C’)、触发输入口(I)、压力输入口(P)、压力输出口(Cf)，其特征在于：所述控制部分包括中央处理器、脉冲宽度控制电路、随机数据产生电路、亮度控制电路、输入延时控制电路、阀门控制开关电路、灵敏电平输入电路，由位于箱体表面的按键(A2、E2)连接中央处理器I/O端口构成脉冲宽度控制电路，由位于箱体表面的拨动开关(G)连接中央处理器I/O端口构成随机数据产生电路，由位于箱体表面的滑动变阻器(A”、B”、C”)连接中央处理器I/O端口构成亮度控制电路，发光二极管或直流灯泡连接在输出口(A、B、C)，由脉冲宽度控制电路、随机数据产生电路、亮度控制电路进行控制，发光指示部件(A’、B’、C’)用于监视A、B、C输出，触发输入口(I)连接灵敏电平输入电路接入中央处理器，触发输入口(I)和压力输入口(P)通过阀门开关控制电路连接压力输出口(Cf)，位于箱体表面的按键(D2)连接中央处理器I/O端口构成输入延时控制电路，输入延时控制电路的输出连接压力输出口(Cf)及输出口(C)，显示部件位于箱体表面，由电平输出和显示电路连接到控制部分。

2、根据权利要求1所述的小型动物分辨学习行为自动训练系统，其特征在于：所述中央处理器采用双CPU设计，所述显示部件为数码管，所述发光部件为发光二极管或灯泡，压力输入口外接气压或水压，压力输出口(Cf)是机械压力输出口，输出口(C)是电信号输出口。

3、根据权利要求1所述的小型动物分辨学习行为自动训练系统，其特征在于：外部触发信号从外触发输入口接入，所述输出端口还可外接刺激器或扬声器。