基于无痛苦训练刺激的听皮层可塑性的知觉训练装置、方法和应用与流程

本发明属于生命科学/医学技术领域，涉及提高脑感觉系统可塑性，维持脑健康的技术方案，具体涉及一种基于无痛苦训练刺激的听皮层可塑性的知觉训练装置、方法和应用。

背景技术：

哺乳动物出生后，脑会经历一个快速的发育成熟过程。在发育的关键期(criticalperiod)，大脑的结构和功能易受环境、经验等因素影响，具极大的可塑性。然而对关键期后(post-criticalperiod)的成年动物而言，脑可塑性的诱导、表达及其调节机制与处于关键期的幼年动物相比具明显的差异。例如在关键期，动声暴露即可诱导大脑听觉皮层发生与声刺激特性相关的结构重组(reorganization)及过度表达(overrepresentation)。而对于成年听觉系统，特定声刺激只有与动物的行为相联合并通过训练才可能诱导听皮层的可塑性变化(zhouetal.,2010；zhangetal.,2013；zhuetal.,2016；liuetal.,2018)。这种脑对输入信息的加工因训练而得到改变并最终影响感觉认知功能的范式即为知觉训练(perceptualtraining)。

由于知觉训练往往具较强的任务特异性(taskspecificity)和刺激特异性(stimulusspecificity)(luetal.,2011；阎崟等,2015)。通过频率知觉训练后，大鼠初级听皮层神经元只有任务相关频率的皮层区域受到强化(zhouandmerzenich,2007；zhouetal.,2010)，而任务相关频率之外的皮层代表区并未得到强化。为此，目前存在的频率知觉训练范式只能局限地强化任务相关的频率代表区域，表现在任务相关代表区面积的扩大与该频率代表区功能的强化，而任务相关代表区外的神经元频率选择性消失或并未改变。

由于频率知觉训练后，大鼠初级听皮层神经元只有任务相关频率的皮层区域受到强化(zhouandmerzenich,2007；zhouetal.,2010)，而任务相关频率之外的皮层代表区并未得到强化。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明首次提供了从整体上强化听皮层神经元功能的技术方案，设计了一种新的知觉训练方法和训练系统，所述方法和系统能够广泛诱导听皮层可塑性，将可塑性诱导效果放大至全频率谱皮层代表区域。

本发明方法是仁慈的、免痛苦的训练方法，本发明方法不向动物施加负面或痛苦的刺激且不依靠痛苦或恐惧来教授所需动作，本发明方法适用于广泛的动物训练领域。

为了让动物有足够的动力去完成训练任务，在训练前和训练时，需要调整动物每日的进食时间。以大鼠为例，在满足大鼠体重不下降的情况下，每只大鼠每日需要进食10g鼠饲料。因此，在训练前和训练过程中，根据动物得到的食物奖励总重量，在训练后进行补食，同时保证在训练过程中大鼠保持饥饿而有更多的训练欲望。

本发明提出了一种非治疗目的的知觉训练装置，所述训练装置位于隔音屏蔽箱中，所述训练装置包括：控制器、声音发生器、扬声器、给食器、红外探鼻器及照明灯；其中，所述控制器分别连接声音发生器、扬声器、给食器、红外探鼻器及照明灯，并外接计算机，将计算机语言转换为硬件控制信号；所述声音发生器产生声音信号经过所述扬声器播出声音；所述红外探鼻器与所述给食器置于训练装置的同一面，该面作为操作面；所述操作面是指受训动物需要触发红外探鼻器与获取奖励的装置内面；所述扬声器置于所述操作面对面；所述照明灯置于训练装置顶部或隔音屏蔽箱顶板；所有部件均由电缆连接至控制器，装置工作时，由电脑编程通过控制器控制各部件信号的输入与输出。

本发明装置中，还包括饮水器，供动物自由饮水。

本发明还提出了一种前述知觉训练装置在听皮层可塑性的诱导、知觉训练中的应用。

基于以上装置，本发明还提出了一种非治疗目的的基于无痛苦训练刺激的听皮层可塑性的知觉训练方法所述方法包括以下四个阶段：

第一个阶段，在训练装置中，当动物触发光电传感器时，通过给食器给予食物奖赏，当动物至少成功获得食物奖赏100次，进入下一个阶段；

第二个阶段，由扬声器喇叭给出目标频率声的纯音，当动物听到声音即触碰传感器时，由给食器给予食物奖赏；当训练的正确率达到80％以上时，认定动物学会联系目标声与食物奖赏的训练规则，进入下一个阶段；

第三个阶段，由扬声器喇叭随机给出目标频率声和非目标频率声，只有在目标频率声触碰传感器时，由给食器给予食物奖赏；计算目标频率声正确率h(％)＝hit/总目标频率数，和非目标频率声错误率f(％)＝false-positive/总非目标频率数，综合表现得分p(performance,％)＝h-h×f；如果满足平均p值≥75％，可以进入下一阶段；

第四个阶段，在频率范围1～30khz，按照音程0.4oct选取多个频率，随机排序，然后每天选取一个频率作为具有食物奖赏的目标频率声，任意选取其余多个频率纯音作为非目标频率声，当目标频率声出现动物即触碰传感器时，则通过给食器给予食物奖励；计算平均p值，在1天的训练中，动物会在前两局适应新的目标频率声，之后会逐渐适应；绘制动物训练多天的得分曲线，若平均p值达到75％以上，认定动物最终训练结束。

本发明方法中，训练时，将动物置于知觉训练装置中，训练程序连续给出2次声音刺激记为1次训练，100次训练计为1局，动物每天完成10局训练；训练过程中，动物可自由饮水。

本发明方法中，所述第二个阶段中，由扬声器喇叭给出纯音的频率为6.5khz；每100次训练记为1局，每天进行10局训练。

本发明方法中，所述第三个阶段中，由扬声器喇叭随机给出非目标频率声为1.6khz；每100次训练记为1局，10局训练后计算每局目标频率声正确率h(％)＝hit/总目标频率数，和1.6khz非目标频率声错误率

f(％)＝false-positive/总非目标频率数，每局的综合表现得分

p(performance,％)＝h-h×f；如果满足第3～6局的平均p值≥75％，进入下一阶段。

本发明方法中，所述第四个阶段中，按照音程0.4oct选取至少11个频率，随机排序，然后每天选取一个频率作为具有食物奖赏的目标频率声，任意选取其余至少5个频率纯音作为非目标频率声，当目标频率声出现动物即触碰传感器时，则通过给食器给予食物奖励；进行至少12天，至少100次训练记为1局，每天进行至少10局训练；计算每局的平均p值，在1天的训练中，动物会在前两局适应新的目标频率声，之后会逐渐适应；绘制动物训练至少12天得分曲线，若两局的平均p值达到75％以上，认定动物最终训练结束。

本发明方法中，所述方法将动物置于知觉训练装置中训练。

本发明方法中，通过控制器连接计算机与设备硬件，将计算机语言转换为硬件控制信号；通过扬声器播放声音；通过给食器给受训动物正确奖励；通过红外探鼻器接收动物触发；通过照明灯给受训动物错误提醒。

本发明方法中，训练时间12天是知觉训练能成功诱导脑可塑性的最少训练时间。也就是说，要达到诱导脑可塑性的目的，最少要给与动物12天的训练，大于12天会有更加显著的效果。

本发明的有益效果在于，本发明通过认知训练，无需手术埋藏电极，具有操作简单，无创的特性；由于可塑性往往只针对于任务相关的感觉刺激有反应，本发明通过对任务进行优化设计，使任务中出现的听觉刺激能够覆盖整个听皮层，从而对听皮层功能具有整体的提高，具有广谱性；本发明所述装置具有无创、广谱等特性，能有效改善听觉皮层的功能异常，提高听皮层神经元频率选择性；本发明装置在诸多神经系统问题中都具有普遍应用性，具有广泛应用前景，如通过认知训练可以改善早期噪音暴露引起的听皮层功能异常。

附图说明

图1为听认知训练范式。a，训练装置位于隔音屏蔽箱中，由声音发生器、扬声器、给食器、红外探鼻器及照明灯等组成。b，训练时目标声音和非目标声音随机出现，动物必须辨别目标或非目标声音以便在目标声音从扬声器播放时在特定时间窗阻断红外探鼻器以获得食物颗粒的奖赏(详见具体实验手段部分)。

图2为知觉训练前期与后期动物的行为表现。黑色折线为动物对目标声反应的表现得分，灰色折线为动物对非目标声反应的表现得分。

图3为知觉训练可广泛提高听皮层神经元频率选择性。a，训练组与对照组大鼠听皮层频率感受野示意图。灰色方框为计算bw20的区域。b，对所有记录到的神经元bw20的统计结果。结果表示为平均数±标准误，*p<0.05，+p<0.01，t-testwithbofforonicorrected。

图4为知觉训练能改善噪声引起的听觉皮层功能异常。a，造模时间线。大鼠出生后p7-p35给与噪音暴露，即为噪声暴露组。噪声暴露后大鼠在p36-p90接受本发明范式训练，即为噪声暴露后训练组。对照组为同环境四饲养的正常大鼠。b，三组大鼠听觉皮层bw20指标统计结果。结果表示为平均数±标准误，#p<0.001，t-testwithbofforonicorrected。

图5为训练装置示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明还提供了一种新的知觉训练方法，训练时，动物置于训练装置中，训练程序连续给出2次声音刺激记为1次训练，100次训练计为1局，动物每天完成10局训练。训练过程中，动物可自由饮水。

具体包括以下四个阶段：

第一个阶段，在训练装置中，当动物触发光电传感器(nose-poke)时，通过给食器给予食物奖赏(bio-serve,45mg)，当动物成功触发传感器100次，可进入下一个阶段。

第二个阶段，由扬声器喇叭给出频率为6.5khz(目标频率声)的纯音，当动物听到声音即触碰传感器时，由给食器给予食物奖赏；每100次训练记为1局，每天进行10局训练；连续两局正确率达到80％以上时，认定动物学会联系目标频率声与食物奖赏的训练规则，进入下一个阶段。

第三个阶段，由扬声器喇叭随机给出6.5khz目标频率声和1.6khz非目标频率声，只有在6.5khz目标频率声触碰传感器时，由给食器给予食物奖赏；每100次训练记为1局，10局训练后计算每局6.5khz目标频率声的正确率h(％)＝hit/总目标频率数，和1.6khz非目标频率声的错误率f(％)＝false-positive/总非目标频率数，每局的综合表现得分p(performance,％)＝h-h×f；如果满足第3～6局的平均p值≥75％，可以进入下一阶段。

第四个阶段，在频率范围1～30khz，按照音程0.4oct选取1.6，2.1，2.8，3.7，4.9，6.5，8.6，11.4，15.0，19.9，26.2khz共11个频率，随机排序，然后每天选取一个频率作为具有食物奖赏的目标频率声，任意选取其余5个频率声作为非目标频率声，当目标频率声出现动物即触碰传感器时，则通过给食器给予食物奖励；进行12天，每100次训练记为1局，每天进行10局训练，训练12天；计算每局的平均p值，在1天的训练中，大鼠会在前两局适应新的目标纯音，之后会逐渐适应；绘制动物训练12天得分曲线，若两局的平均p值达到75％以上，认定大鼠最终训练结束。

本发明提供了一种训练装置(斯金纳箱)，所述训练装置位于隔音屏蔽箱中，所述训练装置包括：控制器、声音发生器、扬声器、给食器、红外探鼻器及照明灯。

所述控制器连接计算机与设备硬件，将计算机语言转换为硬件控制信号；

所述声音发生器产生声音信号经过扬声器播出声音；

所述扬声器置于操作面对面；

所述红外探鼻器与给食器置于训练装置同一面，即操作面；所述操作面是指受训动物需要触发红外探鼻器与获取奖励的装置内面；

所述照明灯为美国medassociate公司生产，所述照明灯置于训练装置顶部或隔音屏蔽箱顶板。

所有部件(扬声器、给食器、红外探鼻器及照明灯)均由电缆连接至控制器，装置工作时，由电脑编程通过控制器控制各部件信号的输入与输出。

进一步地，所述训练装置(斯金纳箱)还包括饮水器，供动物自由饮水。

本发明还提供了所述训练装置在听皮层可塑性的诱导、知觉训练中的应用。

动物首先学会当特定频率(即目标声音)从扬声器播放时，阻断红外探鼻器以获得食物颗粒的奖赏。随后目标声音和非目标声音(其频率或重复率有别于目标声音)随机出现，动物必需辨别目标或非目标声音，以便在目标声音从扬声器播放时在特定时间窗阻断红外探鼻器以获得食物颗粒的奖赏。之后本发明在频率范围1～30khz，按照音程0.4oct选取1.6，2.1，2.8，3.7，4.9，6.5，8.6，11.4，15.0，19.9，26.2khz共11个频率随机排序。按照此频率顺序，每天选取一个频率作为具有食物奖赏的目标声，任意选取其余5个频率纯音作为非目标声音，同样目标声出现后触碰传感器有食物奖励。绘制大鼠训练12天得分曲线，若两局的平均p值达到75％以上，认定大鼠训练结束。

以下实施例中知觉训练装置硬件包括自动给食器，声刺激喇叭，鼻触传感器，光源刺激灯和自由饮水器(图1a)。所有硬件均由控制器控制，控制器连接电脑，由电脑编写训练程序。训练时，动物置于斯金纳箱中，训练程序连续给出2次声音刺激记为1次训练，100次训练计为1局，动物每天完成10局训练。训练过程中，动物可自由饮水。

实施例1

训练过程总体分为4个阶段。第一个阶段，大鼠在实验装置内自由活动过程中逐渐学会触发光电传感器(nose-poke)，从而获得食物奖赏(bio-serve,45mg)，当大鼠成功触发传感器100次可进入下一阶段训练。第二个阶段，喇叭给出频率为6.5khz(目标频率)的纯音，大鼠需要学会听到声音后触碰传感器，获得食物奖赏。目标声给出后3秒内，大鼠触发传感器定义为hit(go)，同时会获得一颗食物奖励；否则定义为miss(no-go)，并且受到熄灭照明灯12秒的提示，待恢复照明进入下一次训练。每100次训练记为一局，每天进行10局训练。计算每局的正确率h(％)＝hit/50。连续两局正确率达到80％以上，认定大鼠学会联系目标声与食物奖赏的训练规则，进入下一阶段。第三个阶段，喇叭随机给出6.5khz目标频率纯音和1.6khz非目标频率纯音，只有在目标频率出现触碰传感器才会有食物奖赏。在每局中目标声与非目标声的比例为3:10。此时新增加了两种事件，非目标声出现3秒内触发传感器，定义为false-positive，否则定义为withhold(no-go)。false-positive给与照明灯熄灭12秒的提示，待恢复照明后进入下一次训练。如果大鼠在喇叭给出声信号的前3秒内误触传感器，则受到熄灭照明灯12秒的提示，待恢复照明重新计时进入下一次训练。10局训练后计算每局目标声正确率h(％)＝hit/总目标声数，和非目标声错误率

f(％)＝false-positive/总非目标声数，那么每局的综合表现得分p(performance,％)＝h-h×f。如果满足第3～6局的平均p值≥75％，可以进入下一阶段。第四阶段，我们在频率范围1～30khz，按照音程0.4oct选取1.6，2.1，2.8，3.7，4.9，6.5，8.6，11.4，15.0，19.9，26.2khz共11个频率，随机排序。按照此频率顺序，每天选取一个频率作为具有食物奖赏的目标声，任意选取其余5个频率纯音作为非目标声音，同样目标声出现后触碰传感器有食物奖励。进行12天，每天10局的训练。计算每一局的平均p值，在一天的训练中，大鼠会在前两局适应新的目标纯音，之后会逐渐适应。绘制大鼠训练12天得分曲线，若两局的平均p值达到75％以上，认定大鼠最终训练结束。

1、知觉训练影响大鼠的听觉分辨能力。

知觉训练前期，大鼠对每次给与的声音刺激均做出反应。而在训练后期，大鼠对目标声做出反应而对非目标声不做反应(图2a)。

2、知觉训练可广泛提高听觉皮层功能。

已经证明，听觉皮层神经元频率感受野的改变可以影响个体的听觉分辨行为。听觉皮层神经元频率感受野通过硬件系统改变声刺激频率与强度，描绘听觉皮层神经元对声音的频率和强度的感受范围，即频率感受野(图3a)。对听皮层神经元频率感受野的描述可以了解听觉皮层神经元的功能。

对频率感受野进行描边，可得听皮层神经元频率调谐曲线。一般使用频率调谐曲线的最低点所对应的的横坐标(频率)作为神经元的特征频率，最低点向上20db的曲线宽度(bw20)作为指标描述感受野的宽度(图3a中灰色方框)。通过使用所记录到的神经元特征频率进行神经元分类，经过知觉训练的大鼠听皮层神经元bw20普遍低于未经过训练的大鼠。统计结果显示，其中心频率为6，12，24khz范围神经元均表现出显著差异(图b,6khzp<0.05；12khzp<0.01；24khzp<0.05；t-testwithbofforonicorrected)。由此可知，本训练范式可广泛提高个体听觉皮层功能。

3、知觉训练能改善噪声引起的听觉皮层功能异常。

多数研究已经证明，非连续白噪音可影响听觉皮层的发育，造成成年后听觉功能异常。本部分实验使用非连续型白噪音(50ms，0-30khz)，以每秒5次的播放速度给出生后第7-35天的大鼠播放，每天10h。待正常环境饲养至90天，记作噪声暴露组。噪声暴露后再经过本发明范式训练后的大鼠记为噪声暴露后训练组，与对照组一同饲养至90日龄，完成本部分实验(图4a)。

如图4b，通过对比对照组大鼠和噪声暴露组大鼠的bw20指标，可知噪声暴露组bw20明显高于对照组大鼠(p<0.001,t-testwithbofforonicorrected)。提示，噪音可显著影响听觉皮层功能。而经过本发明范式训练后，对比噪声暴露组大鼠与噪声暴露后训练组大鼠听皮层bw20指标，噪声暴露后训练组大鼠显著低于噪声暴露组大鼠(p<0.001,t-testwithbofforonicorrected)。提示，训练可显著改善听觉皮层神经元频率感受野的宽度，提高听皮层神经元的频率选择性，改善听觉皮层功能。

本发明装置及方法无需痛苦或负面的刺激，且动物及训练者都不会产生负面的情绪，保持精神饱满。

以上实施例只是为了说明本发明技术构思及特点，让本领域普通技术人员能够了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作的等效变化和修饰，都应涵盖在本发明保护范围内。