基于多模式可见光小鼠智能实验方法及系统与流程

本发明涉及生物实验
技术领域：
，特别涉及一种基于多模式可见光小鼠智能实验方法及系统。
背景技术：
：在生物实验系统中，小鼠实验有很重大的意义。大量小鼠被用于脑神经科学的行为学研究中，为神经科学的进步提供了实验资料和第一手的数据。相关技术中的小鼠行为学实验设备功能过于单一，且需要大量人工操作。主要有普通养殖鼠笼，开放式运动场，固定的运动场，八臂迷宫等。影响小鼠行为的因素很多，功能分散的设备无法满足进一步与节律相关的复杂实验的需求。而小鼠对人类的味道和触摸敏感，大量依赖人力进行实验，造成行为学实验的不确定性和不可重复性大幅增加。现有的小鼠行为学实验存在的主要弊端。脑神经实验的发展，需要新的实验手段和方法开拓，而人工智能和自动控制技术的进步，可以实现这些新的需求。2017年的诺贝尔生理学或医学奖被授予发现控制昼夜节律的jeffreyc.hall，michaelrosbash和michaelw.young。节律研究被赋予了更深广的意义和模式，从过去的单维度照明开关控制，变成综合了可见光照明、小鼠食水投喂、奖惩刺激等多模式控制问题，但多模式的控制实验仍存在许多问题。现有的小鼠行为学实验的核心是普通养殖鼠笼，小鼠大多数时间居住其中。根据不同的实验设计，实验员将小鼠从普通养殖鼠笼中取出，使用不同的单一功能实验设备进行实验。主要有支持小鼠节律研究的节律箱、支持多只小鼠同笼社交属性研究的开放式运动场、支持运动能力研究的固定运动场、支持空间记忆力研究的八臂迷宫和水迷宫、支持奖惩记忆实验的震惊箱等。影响小鼠行为的因素很多，功能分散的设备无法满足进一步与节律相关的复杂实验的需求。小鼠对人类的味道和触摸敏感，大量依赖人力进行实验，造成行为学实验的不确定性和不可重复性大幅增加。现有的实验系统存在如下弊端：1、无法根据小鼠的行为调整不同的反馈控制/刺激模式，使实验设计过于单一，无法进行复杂实验。2、需要人工介入设置小鼠生活环境和添加食物(如常用的八臂迷宫中的食物奖励，需要实验员反复进行观察/添加的过程)。人操作的行为和气味，会影响到小鼠的行为，给实验带来不确定性。3、无法以不同频率、频闪、以及调制特性的可见光来控制小鼠的节律以现有的小鼠行为学节律实验设备，小鼠节律箱为例。小鼠节律箱一般为三层，每层可以放置6个小鼠饲养笼，每层有照明单元。通过人工或可编程控制的电源开关，控制照明单元的开闭，调整小鼠的节律周期。现有小鼠节律箱存在小鼠生存空间小、小鼠之间气味会互相干扰，照明控制功能单一，只能实现基本的开闭功能等问题。最近的神经科学发现，可见光照明系统的不同发光频率、频闪以及调制特性的可见光对小鼠脑神经有不同的影响。现有的小鼠节律箱无法实现这些领域的实验。技术实现要素：本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于多模式可见光小鼠智能实验方法，该方法通过刺激被实验小鼠在多模式可见光影响下产生的不同行为学特征，用自动化刺激过程实现被实验小鼠不被人工操作干扰的长时间实验，达到刺激被实验小鼠神经、影响节律调控、蛋白表达、刺激运动神经和脑区记忆控制等目的。本发明的另一个目的在于提出一种基于多模式可见光小鼠智能实验系统。为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于多模式可见光小鼠智能实验方法，包括：配置多模式可见光光源，并对所述多模式可见光光源进行初始化；控制所述多模式可见光光源对小鼠发射不同模式的可见光信号，并记录所述小鼠在所述不同模式的可见光信号下所述小鼠的行为信息；对所述小鼠的行为信息进行分析处理得到所述小鼠的当前行为特性，根据所述当前行为特性和预定义的实验范式对所述小鼠进行自动食水刺激和自动反馈刺激。本发明实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验方法，通过刺激被实验小鼠在多模式可见光影响下产生的不同行为学特征，用自动化刺激过程实现被实验小鼠不被人工操作干扰的长时间实验，达到刺激被实验小鼠神经、影响节律调控、蛋白表达、刺激运动神经和脑区记忆控制等目的。另外，根据本发明上述实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述不同模式的可见光信号包括：不同频率，不同频闪和不同调制特性的可见光信号。进一步地，在本发明的一个实施例中，通过多个摄像头从不同角度采集所述小鼠的行为信息并进行存储，通过人工智能分析软件自动对采集到的所述小鼠的行为信息进行分析处理。进一步地，在本发明的一个实施例中，对所述小鼠的行为信息进行分析处理包括：3d重构，小鼠骨架抽取，运动状态评估。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预定义的实验范式可以通过编程接口进行更改。为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于多模式可见光小鼠智能实验系统，包括：可见光光源模块，用于配置多模式可见光光源，并对所述多模式可见光光源进行初始化；生成模块，用于控制所述多模式可见光光源对小鼠发射不同模式的可见光信号，并记录所述小鼠在所述不同模式的可见光信号下所述小鼠的行为信息；自动控制模块，用于对所述小鼠的行为信息进行分析处理得到所述小鼠的当前行为特性，根据所述当前行为特性和预定义的实验范式对所述小鼠进行自动食水刺激和自动反馈刺激。本发明实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验系统，通过多模式可见光对小鼠节律和神经系统的控制和影响，通过内置的食物刺激控制模块，实现小鼠自动投喂和刺激，减少人工操作对小鼠行为学实验的影响，通过顶部的小鼠行为采集模块(摄像头和人工智能分析软件)，获得小鼠当前行为特性，按照实验范式控制模块定义的规则，控制食物刺激控制模块，对小鼠行为进行自动反馈刺激。另外，根据本发明上述实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述不同模式的可见光信号包括：不同频率，不同频闪和不同调制特性的可见光信号。进一步地，在本发明的一个实施例中，通过多个摄像头从不同角度采集所述小鼠的行为信息并进行存储，通过人工智能分析软件自动对采集到的所述小鼠的行为信息进行分析处理。进一步地，在本发明的一个实施例中，对所述小鼠的行为信息进行分析处理包括：3d重构，小鼠骨架抽取，运动状态评估。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预定义的实验范式可以通过编程接口进行更改。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明一个实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验方法流程图；图2为根据本发明一个实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验方法结构框图；图3为根据本发明一个实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验系统结构示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模式可见光小鼠智能实验方法及系统。首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模式可见光小鼠智能实验方法。图1为根据本发明一个实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验方法流程图。如图1所示，该基于多模式可见光小鼠智能实验方法包括以下步骤：在步骤s101中，配置多模式可见光光源，并对多模式可见光光源进行初始化。进一步地，在本发明的一个实施例中，多模式可见光光源指的是不同模式的可见光信号，其可以包括：不同频率，不同频闪和不同调制特性的可见光信号。具体地，可通过软件自由定义和自动配置调制方式、强度和频率控制参数的led多模式可见光发生设备。在步骤s102中，控制多模式可见光光源对小鼠发射不同模式的可见光信号，并记录小鼠在不同模式的可见光信号下小鼠的行为信息。可以理解的是，小鼠在不同模式的可见光信号下下，会对小鼠行为、神经、蛋白和脑电等多方面会产生影响，进而会产生不同的小鼠行为信息。可以认为，小鼠接收多模式可见光光源作为输入，产生的小鼠行为作为输出。在步骤s103中，对小鼠的行为信息进行分析处理得到小鼠的当前行为特性，根据当前行为特性和预定义的实验范式对小鼠进行自动食水刺激和自动反馈刺激。进一步地，在本发明的一个实施例中，通过多个摄像头从不同角度采集小鼠的行为信息并进行存储，通过人工智能分析软件自动对采集到的小鼠的行为信息进行分析处理。可以理解的是，在步骤s102中产生的小鼠的行为信息，小鼠行为采集模块可以通过多个摄像头从不同的角度采集小鼠的动态信息，并将这些动态信息以视频的而形式进行存储，供人工智能软件进行分析，软硬件结合分析小鼠的行为信息，其中，对小鼠行为的分析包括但不限于3d重构，小鼠骨架抽取，运动状态评估等。可以认为，输入为小鼠的行为信息，输出为小鼠行为的描述向量。进一步地，通过分析后获得小鼠的当前行为特性，根据小鼠的当前行为特性预定义的实验范式对小鼠进行自动食水刺激和自动反馈刺激。其中，预定义的实验范式由实验范式控制模块提供，实验范式控制模块为研究人员提供编程接口，研究人员可以通过编程接口对实验范式进行更改。通过预定义的实验范式和小鼠当前行为特性判定小鼠是否需要进行食物和水的刺激。进一步地，在本发明的实施例中，如图2所示，对小鼠进行食水刺激是通过食物刺激控制模块实现的，是自动投食喂水的系统，通过各个模块的共同作用，根据分析结果自动进行的，不需要人工干涉，减少了人为因素对实验结果的影响。进一步地，根据小鼠的当前行为特性还可以生成自动反馈刺激，将反馈传输出到多模式可见光光源，输出多模式可见光控制向量给led控制设备。可以认为输入为小鼠的当前行为特性，输出为控制信号，其中，控制信号包括食水控制和多模式可见光控制，综上，本发明实施例的主要步骤为：通过配置可见光频率、调制方式和频闪控制设备，对多模式可见光光源进行初始化，在初始化后，多模式可见光光源发射出可见光信号，小鼠在多模式可见光光源控制的节律环境中生活或实验，可以认为小鼠接收多模式可见光光源作为输入，从而小鼠的神经、节律、蛋白表达、脑电等在多模式可见光光源辐射下发生变化，产生小鼠行为作为输出，通过小鼠行为采集模块对小鼠行为进行采集和人工智能实时分析处理，将处理结果传输给实验范式控制模块，实验范式控制模块根据科研人员通过编程自定义的实验范式自动判定是否需要对小鼠进行食物和水的刺激，如果需要就驱动刺激控制单元，自动产生刺激，之后继续观察小鼠的行为，对小鼠的行为进行分析，实现无人工干涉的闭环实验。研究多模式可见光刺激下(频率、频闪和调制方式的不同组合)，小鼠行为学特征的不同和相关的脑神经反馈影响。使用者通过实验范式控制模块任意组合出具有特定属性的可见光和小鼠行为反馈规则，对小鼠的脑神经中枢进行可以调控的影响，如舒缓神经，蛋白表达选择，脑电信号选择，促进血液循环和脑区损伤/记忆恢复等。本发明的实施例可以解决现有小鼠行为学实验技术或装置功能单一的问题，可以解决现有小鼠行为学实验无法有效排除人工干扰的问题，可以解决科研人员无法定义长时间小鼠独立多模式实验的问题，可以解决现有小鼠行为学实验技术或装置无法实时调整节律控制的问题。下面通过一个具体实施例对发明的基于多模式可见光小鼠智能实验方法进行详细说明。以一次小鼠昼夜节律在50hz调整实验为例(普通小鼠昼夜节律为24小时，普通阳光包含不同频率的光谱特性，没有人工调制方式；进行此实验的目的是尝试将小鼠的昼夜节律调整为22小时，观察小鼠行为是否有焦虑和其他应急性反应，实验之后，可将小鼠进行脑电信号采集，或者蛋白分析，观察其生化机理和神经信号的变化；关注50hz是因为此频率的脑电可能与治疗阿尔兹海默症有关系)，具体步骤如下：(1)研究人员通过接口对实验范式控制模块进行编程，定义led控制单元产生50hz多模式可见光信号(含强度、频率、调制模式等)。(2)研究人员通过接口对实验范式控制模块进行编程，定义led控制单元timevector为22小时周期，设置为实验需要的节律。(3)研究人员通过接口对实验范式控制模块进行编程，定义自动投喂模块的节律为22小时。(4)研究人员通过接口对实验范式控制模块进行编程，定义被实验小鼠出现应急性行为时对被实验小鼠进行自动投喂进行安抚的实验范式。(5)将实验的实例结果，输入数据库，进行保存，保存形式如表1和表2所示。其中，表1为可见光控制向量数据保存格式，表2为被实验小鼠行为结果数据保存格式。表1useridledcodecledfreqledqtimevector表1中，userid表示被实验小鼠的名称，ledcodec表示此次可见光的调制方式，ledfreq表示此次可见光的工作频率，ledq表示此次实验的可见光强度，timevector表示此次实验led输出的时间。userid占用两个字节；ledcodec占用两个字节；ledfreq占用两个字节；ledq占用两个字节；timevector是多模式可见光调节事件的一个可变长的多维向量。表2useridactioncodeactionvideoactioncontroltimevector表2中，userid表示被实验小鼠的名称，actioncode表示此事件的定义代码(可由科研人员自由定义，如静止00，缓步移动01，嗅探02，急速移动03，抬头04等)，actionvideo是指向相关视频记录的链接，指向一段包含时间标签的视频文件，该文件记录小鼠发生此动作时的视频片段，actioncontrol表示针对小鼠行为的处理方法(可由科研人员自由定义，如投食00，投水01，改变多模式可见光环境02等)，timevector表示此次实验action事件发生的时间。userid占用两个字节；actioncode占用两个字节；actionviedo为一个链接；actioncontrol占用两个字节；timevector为行为发生和处理事件的一个可变长的多维向量。根据本发明实施例提出的基于多模式可见光小鼠智能实验方法，通过刺激被实验小鼠在多模式可见光影响下产生的不同行为学特征，用自动化刺激过程实现被实验小鼠不被人工操作干扰的长时间实验，达到刺激被实验小鼠神经、影响节律调控、蛋白表达、刺激运动神经和脑区记忆控制等目的。其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于多模式可见光小鼠智能实验系统。图3为根据本发明一个实施例的基于多模式可见光小鼠智能实验系统的结构示意图。如图3所示，该基于多模式可见光小鼠智能实验系统10包括：可见光光源模块100、生成模块200和自动控制模块300。其中，可见光光源模块100用于配置多模式可见光光源，并对多模式可见光光源进行初始化。生成模块200用于控制多模式可见光光源对小鼠发射不同模式的可见光信号，并记录小鼠在不同模式的可见光信号下小鼠的行为信息。自动控制模块300用于对小鼠的行为信息进行分析处理得到小鼠的当前行为特性，根据当前行为特性和预定义的实验范式对小鼠进行自动食水刺激和自动反馈刺激。该智能实验系统10通过刺激被实验小鼠在多模式可见光影响下产生的不同行为学特征，用自动化刺激过程实现被实验小鼠不被人工操作干扰的长时间实验。进一步地，在本发明的一个实施例中，不同模式的可见光信号包括：不同频率，不同频闪和不同调制特性的可见光信号。进一步地，在本发明的一个实施例中，通过多个摄像头从不同角度采集小鼠的行为信息并进行存储，通过人工智能分析软件自动对采集到的小鼠的行为信息进行分析处理。进一步地，在本发明的一个实施例中，对小鼠的行为信息进行分析处理包括：3d重构，小鼠骨架抽取，运动状态评估。进一步地，在本发明的一个实施例中，预定义的实验范式可以通过编程接口进行更改。需要说明的是，前述对基于多模式可见光小鼠智能实验方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。根据本发明实施例提出的基于多模式可见光小鼠智能实验系统，通过多模式可见光对小鼠节律和神经系统的控制和影响，通过内置的食物刺激控制模块，实现小鼠自动投喂和刺激，减少人工操作对小鼠行为学实验的影响，通过顶部的小鼠行为采集模块(摄像头和人工智能分析软件)，获得小鼠当前行为特性，按照实验范式控制模块定义的规则，控制食物刺激控制模块，对小鼠行为进行自动反馈刺激。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页12