自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统与方法

本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统与方法。

背景技术：

1、目前，大多数用于超声神经调控研究的超声换能器都比较笨重，并且需要固定在支架上使用，而实验动物也得被麻醉并且固定在脑立体定位仪上。安装在麻醉动物头顶的笨重超声探头和被麻醉、束缚的肢体，限制了某些涉及感觉、认知和行为评估的实验研究的开展。肢体束缚会使实验动物受到惊吓，深度麻醉则会抑制神经活动，从而影响超声调控的实验结果。

2、目前针对观察超声刺激效果的方式主要为电生理信号反馈与行为学反馈。电生理信号主要包括脑电信号以及肌电信号等等，具有反馈抽象不直观的缺点，从而影响对超声刺激效果的评判。

3、在公开专利号为cn105684934a的发明专利申请文件中，公开了一种动物行为分析方法及系统，该实例中分别在不同的时刻对实验动物进行形状检测，并得到动物的第一形状信息和第二形状信息。并随之将第一形状信息与第二形状信息进行对比，得到动物形状的变化信息。并随之进行数据库的比对可以得到动物的行为变化。此种方法对于检测动物的行为变化过于粗略，只能有效的识别出动物的大幅度动作，包括站立，蹲下等等，无法对实验动物的精细动作得到有效的检测。且此实例中未能对动物的行为变化检测形成闭环，不利于实验者随时调整。

4、在公开专利号为cn109977768a的发明专利申请文件中，公开了一种闭环反馈式动物行为分析系统、方法及装置。该系统中将相机放于矿场上方，依靠捕获矿场中实验小鼠的运动轨迹分析实验小鼠的行为特征数据。并将前一时刻的实验小鼠的行为特征数据与下一时刻的实验小鼠行为特征数据对比，得到刺激平台的参数控制命令。此方法依旧只能粗略的得到的实验小鼠的运动行为，包括运动轨迹、跑步时间、跑步速度以及与其他小鼠相遇的次数、停留时间等等。无法对实验小鼠的跑步姿态、跑步时身体扭动角度、跑步时四肢的抬起高度以及四肢对跑道的压力等更为精细的数据。且此实例中对实验小鼠的超声刺激中未能形成一种有效的装置或方法，使其在施加超声刺激的过程中不影响自由活动小鼠的自由活动状态。因此此实例提供的装置或方法不利于精准的反应实验小鼠的运动状态，会对实验者及时观察到小鼠的运动变化以及控制刺激参数的命令产生影响。

技术实现思路

1、本技术的目的是针对以上问题，提供一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统与方法，旨在提供依靠自由活动小鼠的足底运动轨迹这一行为信息对超声刺激形成闭环反馈，可以解决上述发明专利中存在的对于实验小鼠运动过程中的精细动作(包括四肢抬起幅度、身体扭动角度以及四肢对跑道产生的压力等等)这一问题，并自主设计了一款用于自由活动小鼠超声刺激的微型头戴式超声刺激器，可以解决上述发明专利中存在的对实验小鼠施加超声刺激必须固定小鼠无法使小鼠处于自由活动状态(如图3所示)。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统，包括：超声刺激控制平台，用于对小鼠施加超声刺激作用；

4、动物行为采集装置，用于实时采集小鼠的行为信息，采集小鼠脚底掌的运动轨迹视频；

5、可视化分析平台，与动物行为采集装置相连接，用于分析小鼠行为信息，并计算出小鼠的行为特征数据，包括小鼠运动速度、步幅、压力、跑步时间、停留时间的信息。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：动物行为采集装置包括电机驱动系统、动物跑道系统、光学成像系统部分；超声刺激控制平台用于接受超声刺激参数控制命令，并根据命令产生不同形式的超声刺激，包括强度、间隔时间、持续时间、大脑作用区域；所述超声刺激控制平台依据受到的所述超声刺激参数控制命令后，生成对小鼠不同形式的超声刺激。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述电机驱动系统包括驱动动物跑道系统运动的驱动电机、电机固定板、电机控制器以及皮带传送装置；动物跑道系统包括胶辊、透明跑道、阻隔板以及跑道清洁毛刷，胶辊包括主动轮胶辊和从动轮胶辊，透明跑道套在分开一定距离的两个胶辊上，皮带传送装置带动主动轮胶辊运转进而带动透明跑道运转，两个胶辊的前后两侧设有支撑板，透明跑道上在支撑板中间设置有可插拔式的阻隔板组成小鼠活动室。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：皮带传送装置为皮带同步轮与皮带进行传动，皮带同步轮分别使用键槽与顶丝的方式固定于驱动电机的输出轴与主动轮胶辊上，并采用皮带连接的方式将所述两个皮带同步轮连接，两个同步轮的齿数比为1：3，驱动电机固定于电机固定板上，通过调节所述电机控制器来达到控制动力大小进而控制透明跑道。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：前后支撑板上在对应位置上设有滚轴调动板，从动轮胶辊固定于滚轴调动板的滑块上，通过调节螺丝调节滑块的位置，实现从动轮胶辊位置可调；小鼠活动室的阻隔板的后面设置有半圆柱形的凸台用于驱动小鼠按照实验预期进行奔跑，跑道清洁毛刷设置于透明跑道上方，可与透明跑道进行接触。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：所述光学成像系统包括反射镜平台、光源与摄像机箱体，透明跑道的上下跑道中间安装反射镜平台，反射镜平台上固定反射镜，反射镜将小鼠在透明跑道上的足底轨迹反射进入摄像机箱体，摄像机箱体设置于小鼠活动室前方，摄像机箱体采用不透光材质，上半部分开有观察窗，用于接收小鼠的行为信息，摄像机箱体中间设置有凹槽导轨用于安装摄像机及调节焦距，捕获被反射镜反射的小鼠足底轨迹。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述超声刺激控制平台包括函数信号发生器、射频功率放大器以及微型头戴式超声刺激器，微型头戴式超声刺激器以套头的方式固定于小鼠的头部，函数信号发生器产生超声波的激励信号，后经过射频功率放大器对所述激励信号进行放大，最终驱动微型头戴式超声刺激器产生所需的超声波；并随时依据可视化分析平台产生的所述小鼠行为特征数据通过调节所述信号发生器与射频功率放大器调节所述微型头戴式超声刺激器产生的超声波特征。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：超声波特征包括超声声压幅值、刺激持续时间、刺激重复周期和刺激“关闭”时间。

13、本发明技术方案的进一步改进在于：所述微型头戴式超声刺激器包括电源线、金属外壳、垫圈、压电陶瓷、聚焦声学透镜以及颅骨底座，垫圈固定于金属外壳与压电陶瓷中间，颅骨底座用于超声刺激器与小鼠头部的固定，函数信号发生器产生的周期性激励信号经由射频功率放大器放大作用于压电陶瓷上，产生固定频率的周期性震动即超声波，后经声学透镜聚焦作用于所述小鼠的颅骨内进而传达到小鼠的特定脑区。

14、一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激方法，应用上述任一权利要求所述的自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统进行，包括以下步骤：

15、s1、动物行为采集装置会实时采集超声刺激中的小鼠的行为信息，主要为小鼠的足底轨迹视频，被称作第一行为信息，第一行为信息可作为实时数据传入所述可视化分析平台进行小鼠行为特征数据的计算，也可暂时存储为离线视频用于以后的分析；

16、s2、当所述第一行为信息作为实时数据传入到所述可视化分析平台时，所述可视化分析平台利用预设的视觉分析算法分析所述第一行为信息，并得到小鼠的第一行为特征数据；

17、s3、根据实验的预期要求判定所述第一行为特征数据是否符合要求；如符合要求，保持超声刺激控制平台的控制参数不变；如不符合要求，将所述第一行为特征数据与实验预先要求对比，并生成超声刺激参数控制命令传入到所述超声刺激控制平台；

18、s4、超声刺激控制平台依据受到的所述超声刺激参数控制命令后，生成对小鼠不同形式的超声刺激；

19、s5、动物行为采集装置捕获所述不同形式超声刺激下的小鼠的行为信息，被称为第二行为信息；所述可视化分析平台分析所述第二行为信息，并生成对应的第二行为特征数据，可视化分析平台将所述第一行为特征数据与所述第二行为特征数据对比，并生成超声刺激控制参数命令送入所述超声刺激控制平台对小鼠生成超声刺激，同时将第二行为特征数据保存为第一行为特征数据以此来达到自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激。

20、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：

21、本技术的超声刺激控制平台依据可视化分析平台呈现的小鼠行为特征数据，按照系统预期期望通过实时调节下一周期的小鼠超声刺激参数，达到小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激。