一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统的制作方法

本发明属于神经生物学
技术领域：
，尤其涉及一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统。
背景技术：
：神经生物学研究表明大多数大脑听觉神经元表现出对新异声刺激的敏感性。在自然环境中，人类和动物需要感知环境中的各种变化并对此及时做出反应。对动物而言，对周围环境中的新异纯音刺激或事件及时做出反应是一种对生存至关重要的能力。刺激特异性适应(ssa：stimulusspecificadaptation)是指感觉中枢中某些神经元对新异刺激(小概率刺激事件)的反应强于对标准刺激(大概率事件)的反应的现象。猕猴作为一种常用的非人灵长类听觉研究实验动物，通过训练猕猴对新异声刺激的分辨能力，有助于研究猕猴大脑内侧膝状体、丘脑网状核听觉区或听觉皮层神经元对外部新异声刺激的发放行为及相互之间的关联。同时，对丘脑功能的深入认识和理解听觉皮层如何参与各种高级认知过程和行为决策显得异常重要。技术实现要素：本发明提供了一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统，该系统可以在不需要固定猕猴的情况下，训练猕猴对新异纯音刺激的分辨行为，采用按钮作为猕猴行为感知传感器，触发下位机主控制器实时采集猕猴的听觉分辨行为数据。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统，主要包括上位机和下位机两部分；所述下位机包含一个主控制器、一个扬声器、一个按钮、一根金属饮水管(例如：不锈钢饮水管，可以更好地防止损坏)、一个电磁阀、一根输液软管和一个带刻度的饮水容器(例如：量程为500毫升的塑料量杯，用于记录猕猴每天饮水量)；扬声器连接至主控制器，扬声器喇叭朝向猕猴笼的右侧，用于播放听觉刺激；按钮安装于猕猴笼的正前方，按钮连接至主控制器；金属饮水管安装于按钮的上方，金属饮水管与输液软管相连，用于给猕猴提供奖励性质的饮水；输液软管经电磁阀后连接至饮水容器；主控制器实时采集猕猴按下按钮的行为数据，猕猴每次按下按钮，主控制器会立即发送相应的触发信号给上位机；同时，主控制器接收来自上位机的训练指令完成上位机中不同参数组合的听觉行为训练的控制任务；所述训练指令包括：输出给扬声器声音刺激的纯音频率、扬声器播放声音刺激的时刻、扬声器声音刺激的持续时间、饮水管水泵打开的时刻及时长；主控制器负责接收上位机传送过来的纯音频率及幅值数据，最终通过扬声器播放对应频率的纯音刺激；主控制器控制电磁阀的打开与闭合，当电磁阀打开时，饮水容器里的水经电磁阀和输液软管流入饮水管，当电磁阀闭合时，饮水容器里的水则不能通过电磁阀经输液软管流入饮水管。进一步地，所述上位机中包含纯音刺激模式参数设置、奇异球参数设置、奖励时间参数设置、惩罚参数设置、额外参数设置、标准纯音刺激时没有按钮按下时的参数设置共6部分；所述纯音刺激模式参数设置包括：设置每个纯音刺激组合的间隔时间tblock(单位:秒)，设置每个纯音刺激组合中每个纯音刺激的间隔时间tinter(单位:秒)，设置猕猴按按钮响应有效时间窗twin(单位:秒)；所述奇异球参数设置包括：设置标准纯音刺激与新异纯音刺激比例(在若干个标准纯音刺激与新异纯音刺激的组合中，新异纯音刺激个数取1个)，设置标准纯音刺激与新异纯音刺激差异值(即标准纯音刺激频率与新异纯音刺激频率的最小比值，或新异纯音刺激频率与标准纯音刺激频率的最小比值)，设置“标准纯音刺激频率大于新异纯音刺激频率”出现比例a1(a1∈[0，1])和“标准纯音刺激频率小于新异纯音刺激频率”的出现比例a2(这里a2∈[0，1]且a2＝1-a1)，设置频率f1的取值范围(当f1为标准纯音刺激频率时，f2成为新异纯音刺激频率)(单位:赫兹)，设置频率f2的取值范围(当f2为标准纯音刺激频率时，f1成为新异纯音刺激频率)(单位:赫兹)，设置频率f1持续时间t1的取值范围(单位:秒)，设置频率f2持续时间t2的取值范围(单位:秒)，设置频率持续时间差异比值(t1与t2的最小比值或t2与t1的最小比值)，设置频率f1对应纯音的幅值a1(单位:伏)，设置频率f2对应纯音的幅值a2(单位:伏)；所述奖励时间参数设置包括：设置当标准纯音刺激频率大于新异纯音刺激频率时，标准纯音刺激频率时的奖励时间(奖励时间即饮水管给水持续时间或对应水泵打开的时间)和新异纯音刺激频率时的奖励时间(单位:秒)；设置当标准纯音刺激频率小于新异纯音刺激频率时，标准纯音刺激频率时的奖励时间和新异纯音刺激频率时的奖励时间(单位:秒)；所述惩罚参数设置包括：在标准纯音刺激之后在新异纯音刺激之前按下按钮时，增加的标准纯音刺激个数，即如果在这个时间按下按钮，则不开始新异纯音刺激，而是再增加几个标准纯音刺激作为惩罚；所述额外参数设置包括：当猕猴在新异纯音刺激后的有效时间窗内按下按钮，且在该新异纯音刺激之前有6次、7次或8次标准纯音刺激时的奖励时间设置(单位:秒)；所述标准纯音刺激时没有按钮按下时的参数设置包括：标准纯音刺激时，按钮没有按下的奖励时间设置(单位:秒)。进一步地，所述上位机的训练指令分为3个训练阶段：第1训练阶段、第2训练阶段、第3训练阶段：第1训练阶段：该阶段引导猕猴通过按键饮水，并将声音刺激、饮水和按键进行关联；第2训练阶段：第1训练阶段训练至猕猴懂得通过按键饮水后，切换进入第2阶段，该阶段重点训练猕猴听纯音刺激取水的行为，即当听到纯音刺激后，在有效时间窗内按键则有水，其他时间按下按键则没有水；第3训练阶段：第2训练阶段训练至猕猴懂得在听到纯音刺激后快速按键饮水后则可进入第3阶段，该阶段需加入新异纯音刺激，重点让猕猴分辨新异纯音刺激，在听到新异纯音刺激后在设定的时间窗内按下按键才能饮水。进一步地，所述第1训练阶段过程中，猕猴每次按下按钮，则主控制器向上位机发送按钮按下的时刻，上位机进行实时记录；同时，主控制器输出纯音，纯音播放结束后，主控制器打开水泵，饮水管出水，到设定时间后关闭水泵，饮水管停止出水。进一步地，所述第2训练阶段过程中，当纯音刺激发出后，系统必须在设定时间内检测到按键按下才给水，否则不给水；该阶段可以结合猕猴每天的学习情况，实时调整参数，参数调整准则：在给出纯音刺激后，猕猴能在越短时间内按下按钮饮水越好，其他时间段按按钮次数越少越好。进一步地，所述第3训练阶段过程中，当标准纯音刺激后有效窗内即使有键按下也不给水，而当新异纯音刺激后有效窗内按下则给水；该阶段需结合猕猴每天的行为数据实时调整下次训练的参数，参数调整准则：猕猴在标准纯音刺激后不按键，而是在听到新异纯音刺激后迅速按键饮水。本发明的有益效果：本发明可以训练猕猴对新异纯音刺激的分辨行为，并用按钮作为猕猴行为传感器，记录每次猕猴按下按钮的时间，结合标准声刺激和新异纯音刺激的时间，借此分析猕猴对新异纯音刺激分辨行为的统计数据。本系统不需要对猕猴进行固定训练，可让猕猴在猴笼里自由地学习，有利于加速猕猴新鲜声音刺激的听觉分辨能力的训练，对后续研究猕猴大脑内侧膝状体、丘脑网状核听觉区或听觉皮层神经元对外部新异声刺激的发放行为及相互之间的关联具有一定的意义。同时，对丘脑功能的深入认识和理解听觉皮层如何参与高级认知过程和行为决策具有重要意义。附图说明图1为本发明系统结构框图；图2为本发明的下位机硬件结构图；图3为本发明的上位机软件界面图；图4一次纯音刺激波形示意图；图5奇异球(oddball)过程示意图；图6choicewindow参数示意图；图7为猕猴行为数据及分析举例；(a)猕猴在标准纯音刺激和新异纯音刺激后按按钮的统计直方图；(b)新异纯音刺激之后猕猴按按钮行为数据的散点图；(c)标准纯音刺激之后猕猴按按钮行为数据的散点图；(d)新异纯音刺激前猕猴没有按按钮行为的块分布图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，本实施例提供的一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统，主要包括：上位机和下位机。如图1所示，一种用于猕猴听觉行为训练的自动化系统组成模块包括：(1)上位机软件监控及数据存储；(2)下位机主控制器；(3)扬声器；(4)饮水装置(包含：金属饮水管(不锈钢材质)、电磁阀、输液软管、带刻度饮水容器；(5)按钮；(6)猕猴笼；(7)主控制器驱动程序；(8)软件监控程序。如图1所示，下位机主控制器(2)输出纯音信号给扬声器(3)。下位机主控制器(2)输出控制信号控制饮水装置(4)。下位机主控制器(2)实时采集按钮(5)的状态。如图2所示，所述下位机包含一个主控制器(型号：cedpower1401-3)、一个扬声器s1(sada有源音箱，型号：d-201，电压及电流：usb/dc5v600ma)、一个按钮k1(常闭型一位双联回弹开关，型号：ha261-2-wh)、一根金属饮水管d1(金属材质：不锈钢，尺寸：长50mm，内径3mm，外径4mm)、一个电磁阀m1(型号：parker-vac-50-psig)、一根输液软管k2和一个带刻度饮水容器b1(量程：500毫升)；扬声器s1通过bnc接口连接至主控制器cedpower1401-3的dacoutput0口，扬声器s1喇叭口朝向猕猴笼的右侧，用于播放频率为f1或f2的纯音听觉刺激；按钮k1安装于猕猴笼的正前方，按钮k1连接至主控制器cedpower1401-3的eventinput0口，用于采集猕猴按下按钮k1时的行为数据；主控制器会实时检测按钮k1的状态，猕猴每次按下按钮k1，主控制器会立即以响应外部硬件中断的方式发送相应的触发信息给上位机软件(上位机软件ide版本：spike28.03，开发语言：spike2scriptlanguage)；金属饮水管d1安装于按钮k1的上方，金属饮水管d1与输液软管k2相连，用于给猕猴提供奖励性质的饮水；输液软管经电磁阀m1后连接至塑料饮水容器b1；电磁阀m1通过dc/dc转换器c1和bnc接口连接至主控制器的digitaloutput0口；dc/dc转换器实现主控制器5v电压到12v电压的转换；主控制器通过按钮k1实时采集猕猴按按钮的行为数据，同时接收来自上位机的训练指令完成不同的听觉行为训练的控制任务；主控制器负责接收上位机传送过来的声音频率数据，最终通过扬声器s1播放对应频率的纯音刺激；主控制器控制电磁阀m1的开关与闭合，当电磁阀m1打开时，饮水容器b1里的水可以经电磁阀m1和输液软管k2流入金属饮水管d1，当电磁阀m1闭合时，饮水容器b1里的水则不能通过电磁阀m1经输液软管k2流入金属饮水管d1。主控制器驱动程序采用的编程语言：spike2outputsequencerinstructions。如图3所示，所述上位机软件中主要包含纯音刺激模式参数设置(timesetting)、奇异球参数设置(oddballsetting)、奖励时间参数设置(rewardtimesetting)、惩罚参数设置(punishmentsetting)、额外参数设置(extrasetting)、标准纯音刺激时没有按钮按下时的参数设置(stdwithoutsetting)共6部分。如图3所示，所述上位机包含的纯音刺激模式参数设置(timesetting)包括设置每个纯音刺激组合的间隔时间(inter-block-interval)，设置每个纯音刺激组合中每个纯音刺激的间隔时间(inter-stimuli-interval)，设置猕猴按按钮响应有效时间窗(choicewindow)，即输出声音刺激时刻开始多少时间内按下按钮才认为是猕猴行为的有效响应，这里的时间间隔为时间窗。所述奇异球参数设置中的奇异球(oddball)概念是指：在一个声音刺激序列中，在一个出现概率较高的标准纯音刺激序列中加入一个出现概率较低的另一个刺激，即新异纯音刺激。例如，在一个声刺激序列中，有两个频率的声音(纯音频率f1和纯音频率f2)，f1出现的概率为90％，f2出现的概率为10％，那么在这个序列中，f1是标准纯音刺激频率，f2就是新异纯音刺激频率。频率f1幅值为a1的纯音的输出信号可表示为：s1(t)＝a1*sin(2*pi*f1*t)，频率f2幅值为a2的纯音的输出信号可表示为：s2(t)＝a2*sin(2*pi*f2*t)。f1与f2出现概率的比值为9:1。如图3所示，所述上位机包含的奇异球参数设置(oddballsetting)包括设置标准纯音刺激与新异纯音刺激比例(standard-deviantratio)，新异纯音刺激比例值取为1，标准纯音刺激比例值取整数n，设置标准纯音刺激与新异纯音刺激差异值(standard-deviantdifference)，设置标准纯音刺激频率大于新异纯音刺激频率与标准纯音刺激频率小于新异纯音刺激频率的比例([fs>fd]:[fs<fd]ratio)，设置频率f1的取值范围(frequencyf1)，设置频率f2的取值范围(frequencyf2)，设置频率f1持续时间的取值范围(durationf1)，设置频率f2持续时间的取值范围(durationf2)，设置频率持续时间差异比值(durationdifference>＝)，设置频率f1对应纯音的幅值(amplitudef1)，设置频率f2对应纯音的幅值(amplitudef2)。频率f1与f2在每次刺激组合里面，在所设置的取值范围内随机取值。如图3所示，所述上位机包含的奖励时间参数设置(rewardtimesetting)包括：设置当标准纯音刺激频率大于新异纯音刺激频率时(fs>fd)，标准纯音刺激频率时的奖励时间(standard)和新异纯音刺激频率时的奖励时间(deviant)；设置当标准纯音刺激频率小于新异纯音刺激频率时(fs<fd)，标准纯音刺激频率时的奖励时间(standard)和新异纯音刺激频率时的奖励时间(deviant)。如图3所示，所述上位机包含的惩罚参数设置(punishmentsetting)包括：在标准纯音刺激之后在新异纯音刺激之前按下按钮时，增加的标准纯音刺激个数(trailsbeforedev：punishment复选框选中则该选项有效，punishment复选框未选中则该选项无效)。如图3所示，所述上位机包含的额外参数设置(extrasetting)包括：在新异纯音刺激之前有6次、7次或8次标准纯音刺激，奖励时间设置(6-7-8stdbeforedev/rewardtime：extrareward复选框选中则该选项有效，extrareward复选框未选中则该选项无效)。如图3所示，所述上位机包含标准纯音刺激时没有按钮按下时的参数设置(stdwithoutsetting)包括：标准纯音刺激时按钮没有按下奖励时间(rewardtime：stdwithoutpressingbeforedev复选框选中则该选项有效，stdwithoutpressingbeforedev复选框未选中则该选项无效)。如图4所示，本发明所采用的某次纯音(puretone)刺激总时间长度为tms，纯音频率为f0，其中包含5ms的上升时间、5ms的下降时间和t0＝(t-10)ms的平台时间。这里某次纯音刺激总时间长度可以是标准纯音刺激或新异纯音刺激，在图3里的durationf1或durationf2里设置。这里某次纯音刺激频率可以是标准纯音刺激或新异纯音刺激，在图3里的frequencyf1或frequencyf2对应的区间范围内随机取值。如图5所示，在图5(上)图中：黑色实心圆表示频率为f1的标准纯音刺激，黑色实心方块表示频率为f2的新异纯音刺激，tinter表示相邻两个声音刺激的间隔时间，tblock表示相邻两个纯音刺激组合的间隔时间，tinter对应于图3中的纯音刺激的间隔时间(inter-stimuli-interval)，tblock对应于每个纯音刺激组合的间隔时间，其中对应于图3中的标准纯音刺激与新异纯音刺激比例(standard-deviantratio)为8:1。这样每个纯音刺激组合包括8个同一频率的标准纯音刺激和1个新异纯音刺激，该组合在整个训练过程中以tblock间隔循环出现，且每次出现前需重新采用随机生成的标准纯音刺激频率和新异纯音刺激频率，直至训练终止。如图5所示，在图5(下)图中：黑色实心方块表示频率为f2标准纯音刺激，黑色实心圆表示频率为f1的新异纯音刺激，tinter表示相邻两个声音刺激的间隔时间，tblock表示相邻两个纯音刺激组合的间隔时间，tinter对应于图3中的纯音刺激的间隔时间(inter-stimuli-interval)，tblock对应于每个纯音刺激组合的间隔时间，其中对应于图3中的标准纯音刺激与新异纯音刺激比例(standard-deviantratio)为8:1。如图6所示，图6中tw表示图3中的choicewindow参数，当标准纯音刺激或新异纯音刺激结束后，如果猕猴在有效时间窗tw内按下按钮，则表示该行为有效，可以在图3中的奖励时间参数设置(rewardtimesetting)中设置对应情况的给水奖励时间。如图7所示，每个纯音刺激组合中，标准纯音刺激与新异纯音刺激的比例为10:1(26010:2601)，即每10个标准纯音刺激后面出现1个新异纯音刺激。图7(a)说明，经过训练的猕猴在新异纯音刺激后按键时间主要集中在300～400ms内，标准纯音刺激后则几乎没有按键行为；图7(b)和图7(c)分别为新异声纯音刺激的行为散点图和标准纯音刺激的行为散点图；图7(d)表示经过训练的猕猴，按按钮行为主要集中在正常情况下的标准纯音刺激结束以后，图7(d)中的横坐标取值表示添加的用于惩罚的标准纯音刺激个数，如图7(d)所示，猕猴按键行为集中在惩罚个数为0的时候。猕猴听觉行为训练过程说明，将训练过程分为3个训练阶段：第1训练阶段、第2训练阶段、第3训练阶段：第1训练阶段：该阶段引导猕猴通过按键饮水，并将声音刺激、饮水和按键进行关联。该阶段为最简单模式，不需要填写训练参数，直接按下图3所示“firststagestart”按钮开始训练。猕猴每次按下图2中的按钮k1，则主控制器cedpower1401-3向上位机软件发送按钮k1按下的时刻，上位机软件进行实时记录。同时，主控制器cedpower1401-3通过dacoutputs输出频率为500hz的纯音，该纯音持续时间100ms，纯音播放结束后，主控制器cedpower1401-3通过digitaloutputs0输出5v高电平打开水泵，饮水管出水，该高电平持续300ms后digitaloutputs0输出0v低电平关闭水泵，饮水管d1停止出水。该阶段每天训练3～4小时，一般情况下，训练3天即可。第2训练阶段：第1训练阶段训练至猕猴懂得通过按键饮水后，可以切换进入第2阶段。该阶段重点训练猕猴听声音刺激取水的行为，即当听到声音刺激后，在有效时间窗内按键则有水，其他时间按下按键则没有水。该阶段目的在训练猕猴在听到声音刺激后，立即按键饮水。表1给出了某次第2阶段训练参数示例。该训练参数下，由于standard-deviantratio参数为1:1，即每个纯音刺激组合只含有1个标准纯音刺激和1个新异纯音刺激。相邻纯音刺激组合间隔12s(inter-block-interval)，每个组合内部纯音刺激间隔6s(inter-stimuli-interval)，即每隔6s就有一个纯音刺激，从启动训练开始每隔6s输出一个纯音刺激，每次刺激的纯音频率取值在300～8000hz之间随机生成，f1对应的幅值为4v，f2对应的幅值为8v，声音幅值的取值范围0～10v。choicewindow的值为0.0～4.0s，即当纯音刺激发出后，系统必须在4.0s内检测到按键按下才会给出0.15s时长的饮水，否则不给水。由于durationf1与durationf2取值限制在0.1s，所以声音刺激持续时间恒定为0.1s，持续时间比值恒定为1(durationdifference)。第2阶段每天连续训练3～4小时，可以结合猕猴每天的学习情况，实时调整参数。参数调整准则：在给出纯音刺激后，猕猴能在越短时间内按下按钮饮水越好，其他时间段按按钮次数越少越好。由于不同的猕猴行为能力有一定的差异，所以不同的猕猴训练参数存在一定的差异性。表1第2阶段训练参数设置举例inter-block-interval:12sdurationf2:0.1～0.1sinter-stimuli-interval:6sdurationdifference>＝:1choicewindow:0.0～4.0samplitudef1:4.0vstandard-deviantratio:1:1amplitudef2:8.0vstandard-deviantdifference>＝:1.3fs>fdstandard:0.15s[fs>fd]:[fs<fd]ratio:1.0:1.0fs>fddeviant:0.15sfrequencyf1:300～8000hzfs<fdstandard:0.15sfrequencyf2:300～8000hzfs<fddeviant:0.15sdurationf1:0.1-0.1s第3训练阶段：第2训练阶段训练至猕猴懂得在听到纯音刺激后快速按键饮水后则可进入第3阶段(第2阶段choicewindow参数0.0～0.5s)。这个阶段需加入新异纯音刺激，重点让猕猴分辨新异纯音刺激，在听到新异纯音刺激后在设定的时间窗内按下按键才能饮水。并结合情况增加一定的惩罚。结合图3，表2给出了某次第3阶段训练参数示例。inter-block-interval参数为8s表示每个纯音组合周期为8s。standard-deviantratio为8:1表示，每8个标准纯音刺激结束后输出1个新异纯音刺激，标准纯音刺激的间隔0.5s(inter-stimuli-interval为0.5s)，且纯音刺激持续时间均为0.1s(durationf1与durationf2均为0.1s)，纯音刺激频率f1取值区间500～4000hz，纯音刺激频率f2取值区间6000～8000hz，每组纯音组合在输出前在指定区间内均随机取值，并且以[fs>fd]:[fs<fd]＝0.4:0.6的比例产生，其中fs表示标准纯音刺激频率，fd表示新异纯音刺激频率。假设在第3阶段某次训练中共产生1000组纯音组合，则在这1000组组合里，标准纯音刺激频率大于新异纯音刺激频率的组合数为400个，标准纯音刺激频率小于新异纯音刺激频率的组合数为600个。注意到fs>fd或fs<fd时，standard给水时间0.0s，deviant给水时间0.3s，表示当标准纯音刺激后有效窗内即使有键按下也不给水，而当新异纯音刺激后有效窗内按下则给水0.3s。第3阶段需结合猕猴每天的行为数据实时调整下次训练的参数。参数调整准则：猕猴在标准纯音刺激后不按键，而是在听到新异纯音刺激后迅速按键饮水，且该行为产生一定的统计性，而不是偶然行为。表2第3阶段训练参数设置举例inter-block-interval:8sdurationf2:0.1～0.1sinter-stimuli-interval:0.5sdurationdifference>＝:1choicewindow:0.0～0.7samplitudef1:4.0vstandard-deviantratio:8:1amplitudef2:8.0vstandard-deviantdifference>＝:1.3fs>fdstandard:0.0s[fs>fd]:[fs<fd]ratio:0.4:0.6fs>fddeviant:0.3sfrequencyf1:500～4000hzfs<fdstandard:0.0sfrequencyf2:6000～8000hzfs<fddeviant:0.3sdurationf1:0.1-0.1s以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，都在本发明保护范围内。当前第1页12