一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大鼠行为红外线识别系统及其使用方法和应用。
【背景技术】
[0002] 现有的大鼠行为学量化实验中，一般使用的是电驱动跑步机，通过控制电驱动跑 步机的转动速率，来控制大鼠的跑步速率，但是电驱动跑步机存在以下弊端，一是电驱动跑 步机会产生一定的电磁场，大鼠的脑电信号非常微弱，一般在微伏级，该电磁场会对大鼠的 脑电信号产生严重的影响，导致无法准确的检测和分析脑电信号；二是需要添加额外的屏 蔽装置，但是屏蔽装置占面积大，使用操作不便，而且价格昂贵。
[0003] 现有的行为学实验中多是利用食物诱导形成条件反射使大鼠运动，但是该方法存 在明显的弊端，一是在实验前需要对大鼠进行长期的饥饿处理，体质下降，有些大鼠甚至处 于病态，影响脑电信号；二是饥饿状态会影响大鼠的情绪，有研究表明情绪影响脑电信号； 三是无法灵活地控制大鼠连续运动，难以采集大鼠在连续运动状态下的脑电信号；四是大 鼠边咀嚼边跑动，咀嚼对脑电信号的干扰很大，无法进行后续的分析。
[0004] 现有的跑步机装置上很少有同步标记大鼠特定行为的装置，只能通过肉眼或摄像 装置标记，但是由于肉眼观察后再操作或摄像设备的延迟，标记不准确，无法实现同步标 记，很难识别大鼠在特定行为下对应的脑电信号。
[0005] 此外，现有的行为学实验中对大鼠运动缺陷症状的评价只有运动时间一项指标， 不能准确、全面的量化评价，缺乏一种较为完善的大鼠行为学量化评价方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种大鼠行为红外线识别 系统及其使用方法和应用。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种大鼠行为红外线识别系统，包括记录显示器、跑步机、信号采集系统、若干个 红外探测器以及用于读取大鼠脑电信号的装置，其中，若干个红外探测器分别与大鼠的行 为发生处对应安装；所有红外探测器和用于读取大鼠脑电信号的装置均与信号采集系统连 接，信号采集系统与记录显示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中。
[0009] 优选的，所述跑步机为手摇式跑步机，其包括转杆、用于供大鼠跑步的滚筒以及安 装在滚筒一侧的阻挡杆，所述转杆与滚筒连接，用以控制滚筒转速。该跑步机便于灵活地控 制大鼠连续运动，节省实验操作时间，不再依赖食物形成条件反射，有效地避免了咀嚼干扰 脑电信号，而且手工摇动，可以避免电驱动跑步机电磁场对脑电信号的干扰。
[0010] 进一步优选的，所述滚筒的两侧还分别设置有转轮，所述阻挡杆安装在转轮上。转 轮的直径大于滚筒的直径，由于大鼠溜边跑动，能有效地避免大鼠从跑步机上跌落，而且阻 挡杆安装在转轮上可以更方便地与红外探测器相对安装，避免大鼠阻挡红外探测器。
[0011] 优选的，所述红外探测器包括红外避障传感器和上拉电阻，上拉电阻与红外避障 传感器信号输出端连接。红外避障传感器是NPN型光电开关，输出状态是0,1，即数字电路 中的高电平和低电平。该红外探测器能够自动检测大鼠的特定行为，并且能够触发信号采 集系统以"标记"的形式同步记录在大鼠的脑电信号中，几乎没有延迟。
[0012] 进一步优选的，所述上拉电阻的阻值为1ΚΩ。实验发现，在该阻值的定值电阻下， 红外探测器的灵敏度更高，延迟更小。
[0013] 优选的，所述用于读取大鼠脑电信号的装置为头皮记录电极。头皮记录电极可以 通过贴合在头皮上获得头皮的脑电信号，不需要通过手术植入电极，对大鼠没有造成创伤， 没有引入更多的影响因素，更加方便操作。
[0014] 所述红外线识别系统的使用方法，包括如下步骤：
[0015] 1)当大鼠在跑步机上跑动时，观察大鼠的行为，并将红外探测器设置在大鼠特定 行为发生位置的相应位置上；用以记录大鼠的特定行为。
[0016] 2)跑步机匀速运动，使大鼠在跑步机上运动，将大鼠的特定行为记录在大鼠的脑 电信号中，分析大鼠的特定行为与脑电信号之间的关系。
[0017] 优选的，步骤1)中，大鼠的特定行为为迈前肢、抬头或失误等。可以将大鼠的特定 行为与大鼠的相应的脑电信号对应起来，更加有利于研究大鼠的行为。
[0018] 优选的，步骤2)中，跑步机的旋转速度为12r/min。在该旋转速度下，大鼠连续 跑动，可以保证较好的实验效果，更好的分析大鼠连续跑动、特定行为与脑电信号之间的关 系。
[0019] 所述大鼠行为红外线识别系统在建立帕金森综合症大鼠行为学量化评价体系中 的应用。
[0020] 本系统可以用于建立帕金森综合症大鼠行为学量化评价体系，进而根据评价体系 得出大鼠病情的严重程度。
[0021] 红外识别的原理：
[0022] 红外探测器与Plexon信号采集系统的数字输入端口（Digital Input)相连，正常 处于导通状态而输出高电平（5V)，当检测到目标时（即被目标物阻挡时）因电路中断而输 出低电平（OV)，该低电平触发信号采集系统，从而记录为一次"事件"。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] (1)跑步机手工驱动，有效地避免了电驱动跑步机电磁场对脑电信号的干扰；
[0025] (2)红外探测器与信号采集系统配合，可以检测跑步机转速，也可以检测大鼠特定 运动行为，并以"事件"的形式同步记录在脑电信号中，用于分析大鼠特定运动行为下脑电 信号的变化；
[0026] (3)本发明的跑步机，便于灵活地控制大鼠连续运动，节省实验操作时间，不再依 赖食物形成条件反射，有效地避免了咀嚼干扰脑电信号；
[0027] (4)本发明的结构简单，成本低，并且便于灵活搬动。
[0028] (5)可以量化评价患病大鼠运动缺陷症，比如帕金森综合症、癫痫等。
[0029] (6)可以用于创建大鼠行为学量化评价体系。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的跑步机的结构示意图；
[0031] 图2为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中最长运动时间比较示意 图；
[0032] 图3为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速测评中步频比较示意图；
[0033] 图4为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中失误次数比较示意图；
[0034] 图5为实施例3中实验组和对照组大鼠在不同转速评测中不连续运动频率比较示 意图；
[0035] 图6为头皮脑电信号截取片段；
[0036] 图7为红外探测器的原理示意图。
[0037] 其中，1、转轮，2、红外探测器，3、滚筒，4、阻挡杆，5、转杆，6、支架，7、数据传输线。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0039] 一种大鼠行为红外线识别系统，包括记录显示器、跑步机、Plexon信号采集系统 (购买于美国Plexon公司，是目前国际上较为先进的采集脑电信号的机器，可以采集大鼠 活体状态下的脑电信号，并且可以对信号进行放大，用于后续分析；传统的技术只能采集麻 醉状态的脑电信号，但麻醉剂会对脑电信号产生影响）、若干个红外探测器2以及用于读取 大鼠脑电信号的装置，其中，跑步机上设置阻挡杆4, 一个红外探测器2与阻挡杆4的位置对 应设置；其他红外探测器2分别与大鼠的行为发生处对应安装；所有红外探测器2和用于 读取大鼠脑电信号的装置均与Plexon信号采集系统连接，Plexon信号采集系统与记录显 示器连接，将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中。
[0040] 如图1所示，跑步机为手摇式跑步机，其包括转杆5、用于供大鼠跑步的滚筒3以及 安装在滚筒3 -侧的阻挡物，所述转杆5与滚筒3连接，用以控制滚筒3转速。跑步机的阻 挡物为阻挡杆4。
[0041] 滚筒3的两侧还可以分别设置有转轮1，所述阻挡杆4安装在转轮1上。
[0042] 与阻挡杆4相对应的红外探测器2安装在于跑步机的一侧，阻挡杆4在转轮1的 带动下每旋转一周都会阻挡红外探测器2的光线，根据时间，得到跑步机的转速。
[0043] 如图7所示，红外探测器2包括红外避障传感器和和阻值1ΚΩ的上拉电阻，上拉 电阻与红外避障传感器信号输出端连接。
[0044] 红外探测器2与Plexon信号采集系统的数字输入端口（Digital Input)的连接， 正常处于导通状态而输出高电平（5V)，当检测到目标时（即被目标物阻挡时）因电路中断 而输出低电平（OV)，该低电平触发Plexon信号采集系统，从而记录为一次"事件"。
[0045] 实施例1
[0046] 使用所述大鼠行为红外线识别系统进行实验的方法，包括如下步骤：
[0047] 1)训练帕金森综合症大鼠，使大鼠形成在跑步机上连续跑动的条件反射；
[0048] 实验者进行匀速旋转跑步机训练，跑步机的转速为12r/min，实验者目视秒表，手 持转杆，每5s匀速旋转1圈，连续旋转30min ;训练大鼠连续运动，控制跑步机向大鼠头部 方向旋转，由于恐惧，大鼠迅速转身并跑动，多次训练后，大鼠消除恐惧心理，形成条件反 射，在跑步机上连续跑动。
[0049] 2)当大鼠在跑步机上连续跑动时，观察大鼠的行为（伸前肢），记下大鼠行为发生 的位置；将红外探测器设置在大鼠行为发生位置的相应位置上，当大鼠伸前肢时，阻挡红外 探测器的光线，系统会以"事件"的形式记录，进而记录下大鼠的特定行为；
[0050] 3)匀速启动跑步机，用Plexon信号采集系统记录大鼠的脑电信号，使大鼠在跑步 机上连续运动，并将大鼠的特定行为同步记录在大鼠的脑电信号中，如果大鼠伸前肢，则通 过红外探测器将信号传递到Plexon信号采集系统，Plexon信号采集系统将信号输出到计 算机进行显示，显示的形式为在大鼠的脑电信号中打了一次标。
[0051] 通过分析打标的位置和相应位置处大鼠的脑电信号，就可以知道帕金森综合症大 鼠在做迈前肢时的动作时，其脑电信号是怎样的。
[0052] 实施例2
[0053] 实验过程与实施例1是相同的，不过实验用大鼠改用患有癫痫的大