一种小鼠工作记忆任务训练装置和训练方法

本发明涉及了一种记忆任务训练装置，具体涉及一种小鼠工作记忆任务训练装置和训练方法。

背景技术：

1、工作记忆障碍与众多精神疾病和神经系统疾病相关，探究工作记忆机制是这类疾病研究的一个方向。在神经生物学研究领域，小鼠是一种普遍的实验动物模型。为了探究工作记忆机制，需要建立执行工作记忆任务的小鼠模型。但由于小鼠在模拟高等认知行为上的困难，一种用于训练小鼠执行复杂认知行为的训练装置和训练方法是迫切需要的。

2、随着光学成像技术例如双光子激发荧光成像技术的发展，对小鼠神经细胞能够进行较高时空分辨率的观察和操纵。对正在执行工作记忆任务的小鼠的神经细胞活动进行实时监测或操控，有助于探究工作记忆的机制。公开号为cn 110786261a的一种基于嗅觉的小鼠行为训练装置适用于核磁共振成像，无法用于双光子成像。公开号为cn 107912326 a的一种基于嗅觉的小鼠工作记忆任务训练装置依赖于箱体的排风系统清除气味，难以用于双光子成像；其提供的训练方法缺少惩罚措施，可能导致小鼠连续舔，降低训练效率。公开号为cn 114569068a的一种活体清醒小动物多功能检测平台整合了多种条件刺激平台，适用于双光子成像，但仅有条件刺激的范式，难以用于训练小鼠执行工作记忆任务。

3、现有的小鼠行为学训练装置和训练方法存在难以和双光子成像结合和行为范式单一的问题。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种小鼠工作记忆任务训练装置和训练方法，使其适用于双光子成像。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种小鼠工作记忆任务训练装置：

4、装置包括用于固定小鼠的小鼠固定装置。

5、装置包括安装在小鼠固定装置上并用于给小鼠提供水源的进水组件。

6、装置包括安装在小鼠固定装置上并用于给小鼠提供气源的进气组件。

7、装置包括安装在小鼠固定装置上并用于给小鼠提供声音信号的音源组件。

8、装置包括用于检测小鼠行为的检测组件。

9、装置包括安装在小鼠固定装置上并用于观察和记录小鼠行为全过程的监控组件。

10、装置包括用于控制进水组件、进气组件、音源组件、检测组件和监控组件的控制器，其中，控制器包括相互连接的单片机和计算机，进水组件、进气组件、音源组件和检测组件电连接单片机，监控组件电连接计算机，检测组件电连接进水组件。

11、所述的小鼠固定装置包括小鼠身体固定管、小鼠头部固定支架和底板，小鼠头部固定支架包括头部固定器和支架体，小鼠身体固定管水平安装在水平布置的底板的顶面，小鼠身体固定管为空心圆管状结构，小鼠身体固定管的两端的上半部分截去形成半圆环状，小鼠位于小鼠身体固定管中且头部和尾部自小鼠身体固定管的两端露出；支架体安装在底板上且靠近小鼠身体固定管其中一端的小鼠头部，支架体的上部位于小鼠身体固定管其中一端的小鼠头部的正上方，小鼠的头部通过头部固定器固定在支架体上。小鼠身体固定管11为两端开放的管体，小鼠身体由管体限制，小鼠尾部从一开放端伸出，小鼠头部从另一开放端伸出。

12、所述的进水组件包括支撑杆、出水件、电动滑台、导水管和注射泵，电动滑台安装在小鼠固定装置的底板上且靠近小鼠身体固定管其中一端，支撑杆的一端固定在电动滑台上，支撑杆的另一端上安装有出水件且正对小鼠身体固定管的其中一端的小鼠嘴部，出水件通过导水管连通注射泵；电动滑台和注射泵电连接控制器的单片机，出水件电连接检测组件。进水组件采用注射泵可以使行为学训练中微量液体的供应准确和稳定。

13、所述的电动滑台包括矩形滑块、丝杠和步进电机，步进电机的机身安装在小鼠固定装置的底板上，步进电机的输出轴水平连接丝杠的一端，丝杠的另一端通过连接块铰接在底板上，矩形滑块螺纹套装在丝杠上，进水组件的支撑杆的一端固定在矩形滑块上；步进电机的输出轴和丝杠平行于小鼠身体固定管的中心轴线，支撑杆垂直于丝杠；步进电机电连接控制器的单片机。

14、所述的进气组件包括导气管和气泵，导气管的出气口通过固定件安装在小鼠固定装置的底板上且正对小鼠身体固定管其中一端的小鼠嘴部，导气管的进气口连通气泵；气泵电连接控制器的单片机。导气管的出气口朝向小鼠面部，固定于小鼠侧前方，用于在行为学训练中给予小鼠惩罚。

15、所述的音源组件和监控组件安装在小鼠固定装置的底板上且分别靠近小鼠身体固定管的另一端的小鼠尾部以及一端的小鼠头部；监控组件朝向小鼠身体固定管其中一端的小鼠头部。

16、音源组件的红外相机捕捉范围包括小鼠舌部活动以及进水组件的出水件的出水口端部。通过监控组件观察和记录行为学训练中小鼠舌部的活动。

17、所述的音源组件具体为扬声器，检测组件具体为电容传感器，监控组件具体为红外相机。

18、所述的小鼠固定装置的底板采用绝缘材料或顶面设置有绝缘层，以减少环境电容对电容传感器的干扰；进水组件的出水件采用金属材料，出水件的端部朝向小鼠嘴部，尾部连接电容传感器，通过电容传感器检测出水件的出水口的电容变化，判断小鼠是否舔出水口，并发送相应信号到控制器。

19、二、一种小鼠工作记忆任务训练装置的训练方法，包括：

20、将待训练的小鼠固定在小鼠固定装置的小鼠身体固定管中，通过小鼠头部固定支架将小鼠头部固定；进行训练过程，通过控制器控制进水组件的步进电机启动进而带动丝杠同步旋转，使得矩形滑块沿丝杠长度方向移动，带动支撑杆和出水件沿丝杠长度方向移动，直至出水件的出水口和小鼠嘴部的距离为预设第一距离时停止步进电机，此时出水件的出水口位于小鼠嘴部舔舐范围外；通过控制器控制音源组件发送第一声音信号go或第二声音信号no-go，经过预设时长后，控制步进电机启动，直至出水件的出水口和小鼠嘴部的距离为预设第二距离时停止步进电机，此时出水件的出水口位于小鼠嘴部舔舐范围内；在小鼠舔舐出水件的出水口时，通过检测组件检测出水件的出水口的电容变化，进而判断小鼠是否舔舐出水口，并发送电容变化信号到控制器，通过控制器根据音源组件发送的声音信号以及小鼠的舔舐行为控制进水组件的注射泵提供水源或者控制进气组件的气泵向小鼠头部吹气；重复训练过程并记录训练正确率，直至达到预设训练正确率时停止训练；通过监控组件观察和记录小鼠的舔舐行为全过程并传输至控制器的计算机中保存。

21、所述的通过控制器根据音源组件发送的声音信号以及小鼠的舔舐行为控制进水组件的注射泵提供水源或者控制进气组件的气泵向小鼠头部吹气，具体如下：

22、若音源组件发送的声音信号为第一声音信号go，小鼠舔舐了出水口，则结果记为一次正确舔舐hit，通过所述进水组件的注射泵给予小鼠5％蔗糖溶液作为奖赏。

23、若音源组件发送的声音信号为第一声音信号go，小鼠未舔舐出水口，则结果记为一次未舔舐miss，不进行操作。

24、若音源组件发送的声音信号为第二声音信号no-go，小鼠舔舐了出水口，则结果记为一次错误舔舐fa(false alarm)，通过所述进气组件的气泵给予小鼠吹气作为惩罚。

25、若音源组件发送的声音信号为第二声音信号no-go，小鼠未舔舐出水口，则结果记为一次正确拒绝cr(correct rejection)，不进行操作。

26、所述的训练正确率包括第一声音信号go的训练正确率和第二声音信号no-go的训练正确率，具体如下：

27、a)第一声音信号go的训练正确率g：

28、g＝hit次数/(hit次数+miss次数)×100％

29、b)第二声音信号no-go的训练正确率n：

30、n＝cr次数/(cr次数+fa次数)×100％

31、直至第一声音信号go的训练正确率和第二声音信号no-go的训练正确率均达到预设训练正确率时停止训练。

32、本发明的有益效果是：

33、本发明工作记忆任务训练装置的进水组件用以在训练中提供奖赏。进气组件用以在训练中提供惩罚。检测组件用以在训练中检测小鼠是否舔出水口。监控组件用以在训练中捕捉小鼠舌部活动和出水口。本发明集听觉刺激、奖惩机制和过程记录为一体，为基于听觉的小鼠工作记忆任务训练提供了条件，有助于训练得到执行复杂认知行为任务且具有较高的正确率和表现稳定性的小鼠模型。本发明适用于活体清醒的小鼠双光子成像，自动化程度高，操作简便，实验数据便于记录，可帮助研究人员对执行工作记忆任务的小鼠的神经细胞活动进行观察或操纵。