實驗動物操作行為研究計算機控制系統及處理方法
2023-09-18 12:34:40
專利名稱：實驗動物操作行為研究計算機控制系統及處理方法
技術領域：
本發明涉及一種研究動物操作式條件反射行為的實驗模型裝置，屬於行為學實驗方法。特別是涉及一種研究獎賞、強化行為(如自身給藥行為)的計算機控制系統和實驗方法。
背景技術：
動物條件性學習記憶有兩種方式巴浦洛夫或經典條件性(Pavlovian or classicalconditioning)、以及操作式條件(operant conditioning)行為。後者是研究獎賞(reward)、強化(reinforcement)行為，特別是藥物成癮、藥物精神依賴性的最直接和最重要的動物模型。由於該系統涉及複雜的計算機硬體、軟體、外部設備、系統安裝維護技術，而進口設備昂貴、系統安裝複雜，大大限制了該實驗技術在我國的應用，目前國內僅有3-4家科研機構能開展此類研究工作，設備主要依賴進口。國外產品同類系統控制軟體為西文版本，而且其強化程序設計內核基本沿用傳統的類似Basic的解釋語言StateNotation結構，對於複雜實驗強化程序(reinforcement schedule)的設計有一定限制，而且不容易使用，要求從事此類研究的科研人員熟悉State Notation語言，大大限制了對計算機編程不熟悉的科研人員對此技術的應用。
發明內容
本發明的目的在於克服目前我國開展此項研究技術完全依賴進口而且仍很難運行的現狀，關鍵設備完全國產化，通過加強軟體的功能來簡化系統所需的外圍硬體設備的複雜性；加強了實驗強化程序的設計控制能力，實驗自動化運行，使科研人員完全擺脫複雜的計算機編程工作，提高工作效率；從而提供一套功能強大的實驗動物操作行為研究控制系統及處理方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的實驗動物操作行為研究控制系統包括三部分(一)一臺運行在Windows 9x/Me/NT/2000/XP作業系統的PII以上IBM兼容計算機，一至數個安裝於計算機主板(ISA、PCI卡)或外部通過USB接口連接的光電隔離開關量輸入輸出(I/O)接口卡，I/O卡輸入輸出信號分線盒，給I/O卡和其他外圍設備提供直流24V的開關電源，實驗籠外圍電器設備電路板。
(二)一套安裝於該計算機並運行的動物操作行為控制系統軟體，可以最多同時控制16個實驗籠。
(三)實驗籠電器設備每個實驗籠具有一個外圍電器設備電路板，實驗籠的所有被控制的電器設備連接於該電路板。實驗籠電器設備分為兩類，一類是輸入設備，如踏板(response lever，機械開關)、鼻觸(nose poke，紅外開關)、水平和垂直運動紅外探測器，這些設備插在外圍電器設備電路板的輸入插座上(16個插座，IN-1至IN-16)。另一類是輸出設備，如LED指示燈、24V白熾燈、聲音刺激(蜂鳴器)、液體食物泵、顆粒食物泵、液體注射泵、足電刺激裝置等，這些設備插在外圍電器設備電路板的輸出插座上(16個插座，OUT-1至OUT-16)。每個實驗籠可以最多連接16個輸入設備和16個輸出設備。每個實驗籠放置在單獨的通風隔音箱內。
具體實驗步驟如下(1)正確安裝系統控制軟體、計算機I/O卡、以及和實驗籠設備連接的硬體；(2)通過軟體設置系統參數，包括I/O卡參數(地址和卡類型)、實驗籠數量，每個實驗籠的輸入輸出設備參數(包括對每個設備命名，連接的I/O卡埠及位地址，對於注射泵還包括泵速和液體濃度)。
(3)實驗動物管理按課題、實驗、動物三個層次對實驗和數據進行管理，對課題、實驗、動物進行分別命名，該名字用於在計算機硬碟上建立數據目錄，動物參數還包括體重(用於自身給藥時自動計算開啟注射泵的時間)。
(4)建立實驗方法每一個強化程序是由一系列單元結構(Component)組成，而每一個單元又由一系列State狀態組成，每個State描述了實驗籠輸入輸出設備的狀態，如開啟和關閉輸出設備、包括開啟方式和時間，開啟方式有連續、或斷續、或脈衝式；每個State轉換的條件，如時間(可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)，輸入設備反應次數(反應次數可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)，輸入設備反應時間(時間可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)。輸出設備還可以控制其他實驗籠輸出設備(用於Yoked控制)。每個單元可以同時運行或按序運行，單元可以在一定時間內自行結束，或由State控制其結束。整個程序可以在一定時間內結束，或根據動物行為自行結束。每個程序被存儲為一個文件。
(5)自動運行實驗對實驗進行自動安排，建立運行列表，包括日期、時間、動物，方法，系統根據列表自動運行並記錄數據。
(6)數據分析實驗數據採用文本格式記錄、並具有實時軟體模擬的設備事件記錄儀(Event Recorder)和累進記錄儀(Cumulative Recorder)，可對實驗數據進行分時分段圖形化處理，數據可以按動物或實驗進行匯總，結果可以拷貝到Excel、SigmaPlot進行繪圖，或SPSS進行統計分析，實驗數據可以列印或拷貝。
本發明的優點在於一臺計算機可以控制所有實驗籠，軟體運行於Windows各個平臺包括Win98/Me/NT/2000/XP，軟體控制的實驗籠數完全取決於計算機的運行速度；強化程序的設計不要求實驗人員具有高深的計算機編程知識；可以完成任何複雜強化程序的實驗要求；實時記錄設備的狀態和動物行為；實驗可以自動定時運行，提高工作效率，節省人力；通過加強軟體功能簡化外圍實驗籠電器設備。系統安裝簡便，成本底，是進口產品的1/3至1/5。
圖1是本發明的系統結構框架示意圖；圖2是實驗籠設備電路板元件面和印刷電路板圖；圖3是I/O卡分線盒電路板元件面和印刷電路板圖；圖4是計算機控制軟體流程圖；具體實施方式
下面結合附圖並以研究濫用藥物精神依賴性的自身給藥模型為例，採用大鼠為實驗對象，通過建立16套大鼠自身給藥實驗系統並開展實驗，以對本發明作進一步詳述。
具體操作如下1、控制系統首先按照圖1製作實驗動物操作行為控制系統，包括一臺P4(2.4M)計算機19，內存256M，硬碟120G，4個空PCI插槽；4個PCI接口I/O卡18(型號AC-6410，32路輸入，32路輸出，每路輸出200mA)；4個I/O卡輸入輸出信號分線盒16，分線器電路板印刷板見圖3；16個實驗籠外圍電器設備電路板15，該電路板印刷板見圖2；4個10A、24V給I/O卡和其他外圍設備提供直流的開關電源17。
2、實驗籠116個，採用透明有機玻璃和鋁合金製作，箱體尺寸為30×30×25cm(高×寬×深)。前後面板採用透明有機玻璃，前面板為一個上下開的門。左右側面分別是4個帶刻槽的鋁合金柱，提供垂直3個插槽。左右兩個側面板可分別垂直插入模塊化的輸入輸出設備或封閉用插板(寬7.7cm)。頂板採用透明有機玻璃，底板為一個不鏽鋼柵欄2，由16根不鏽鋼管組成，間距1.9cm，相鄰的不鏽鋼管用導線連通，通電後相鄰的不鏽鋼管間具有電壓，可用於足電休克刺激，底板下方是垃圾託盤3。
3、隔音箱1416個，每個實驗籠放置於單獨隔音箱內。隔音箱採用細木工貼面板，箱體尺寸為60×70×50cm(寬×高×深)，箱體內壁覆蓋一層吸音材料。前面板為一單開門，右側板中央高55cm處安裝一個直徑10cm 24V直流電風扇進行通風，左面板中央高5cm處開一個3×10cm(高×寬)的進氣孔，後面板中央高5cm處開一個直徑5cm空作為電纜通路，後面板安裝一個交流220V電源插座，給實驗籠交流電器提供電源。
4、實驗籠設備左面板安裝兩個由鼻觸8和鼻觸紅外控制器9構成的紅外鼻觸探測器，每個探測器內有一個綠色LED指示燈10，一個用於聲音刺激的24V2.7kHz蜂鳴器(75dB)，一個用於燈光刺激的24V0.1A鎢絲燈7，一個飲水瓶架；右面板安裝兩個踏板，每個踏板上方是一個LED指示燈，兩個踏板中間是一個食物槽(內有一個紅外探頭)，可以接收液體和顆粒食物，一個顆粒食物泵和液體食物泵。前後面板離不鏽鋼管高5cm安裝一排共8路紅外水平活動探測器，用於記錄大鼠水平運動，該探測器用單片計算機控制，輸出8+1路開關信號作為實驗籠輸入設備。實驗籠外是一個注射泵11用於靜脈自身給藥。實驗籠頂面板有一個直徑2cm孔。後面板固定一個輸液器支架5，一個可旋轉的輸液器通過此支架懸掛在籠的上方，並和一個直徑4mm的軟彈簧6連接，通過頂面板的孔進入實驗籠，彈簧末端是一個輸液器接口4，輸液器中的輸液線13一端與該接口相連，另一端連接注射器12。所有設備插接在實驗籠外圍設備電路板上。
5、軟體安裝安裝作業系統Windows 2000，然後安裝PCI接口卡驅動程序，接著安裝系統控制軟體，然後進行系統參數設置，包括I/O卡的類型，地址，實驗籠數量，每個實驗籠的輸出輸入設備參數，包括對每個設備命名，連接的I/O卡埠地址，泵速和液體濃度等，設置完畢系統就可以進入實驗流程。
6、運行實驗大鼠右頸靜脈插管，術後恢復1周，開始靜脈自身給藥訓練。啟動系統控制軟體，建立課題、實驗、動物數據目錄、對課題、實驗、動物進行分別命名，該名字用於在計算機硬碟上建立數據目錄，動物參數還包括體重(用於自身給藥時自動計算開啟注射泵的時間)；建立實驗方法(強化程序)，每一個方法由一系列單元結構(Component)組成，而每一個單元又由一系列State狀態組成，每個State描述了實驗籠輸入輸出設備的狀態，每個State轉換的條件，如時間(可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)，輸入設備反應次數(反應次數可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)，輸入設備反應時間(時間可以是固定、隨機、或從列表裡選擇)。輸出設備還可以控制其他實驗籠輸出設備(用於Yoked控制)。每個單元可以同時運行或按序運行，單元可以在一定時間內自行結束，或由State控制其結束，每個方法被存儲為一個文件；安排實驗日期時間，按照實驗安排把大鼠放入實驗籠，系統自動記錄控制動物的行為，最後進行數據分析列印或拷貝，實驗數據採用文本格式記錄、並具有實時軟體模擬的事件記錄儀(Event Recorder)和累進記錄儀(Cumulative Recorder)，可對實驗數據進行分時分段圖形化處理。
權利要求
1.一種實驗動物操作條件性行為研究計算機控制系統包括至少一個或一個以上操作式實驗籠，其特徵在於每個實驗籠放置在一個單獨的通風隔音箱內；每個實驗籠上安裝有輸入和輸出設備，其中輸入設備包括有踏板、鼻觸以及紅外水平活動探測器，輸出設備包括有液體注射泵、顆粒和液體食物泵、燈光刺激裝置、聲音刺激裝置和電休克刺激裝置；每個實驗籠還配備一個顆粒和液體食物槽，一套靜脈輸液連接保護設備；每個實驗籠有一個外圍設備接口電路板，通過電纜與安裝有用於控制和記錄動物行為軟體的計算機I/O卡相連接。
2.如權利要求1所述的實驗動物操作條件性行為研究計算機控制系統，其特徵在於所述的燈光刺激裝置採用2.8W24V白熾燈，所述的聲音刺激裝置採用24V蜂鳴器，所述的電休克裝置採用作為實驗籠底板的不鏽鋼柵欄，相鄰的不鏽鋼管用導線連通。
3.如權利要求1或2所述的實驗動物操作條件性行為研究計算機控制系統，其特徵在於所述的每個實驗籠最多配備安裝16個輸入設備和16個輸出設備。
4.一種應用權利要求1所述的實驗動物操作條件性行為研究計算機控制系統的處理方法，其特徵是具體操作步驟如下(1)正確安裝系統控制軟體、計算機I/O卡、以及和實驗籠設備連接的硬體；(2)通過軟體設置系統參數，包括I/O卡參數、實驗籠數量，每個實驗籠的輸入、輸出設備參數；(3)實驗動物管理按課題、實驗、動物三個層次對實驗和數據進行管理，對課題、實驗、動物進行分別命名，該名字用於在計算機硬碟上建立數據目錄，動物參數還包括體重；(4)建立實驗方法每一個方法由一系列單元結構組成，而每一個單元又由一系列State狀態組成，每個State描述了實驗籠輸入輸出設備的狀態，每個State轉換的條件，輸入設備反應次數，輸入設備反應時間，輸出設備還可以控制其他實驗籠輸出設備，每個單元可以同時運行或按序運行，單元可以在一定時間內自行結束，或由State控制其結束，每個方法被存儲為一個文件；(5)自動運行實驗對實驗進行自動安排，建立運行列表，包括日期、時間、動物，方法，系統根據列表自動運行並記錄數據；(6)數據分析實驗數據採用文本格式記錄、並具有實時軟體模擬的事件記錄儀和累進記錄儀，可對實驗數據進行分時分段圖形化處理，實驗數據可以列印或拷貝。
全文摘要
一種實驗動物操作條件性行為研究計算機控制系統及處理方法，該系統包括一個或多個操作式實驗籠，每個實驗籠放置在一個單獨的通風隔音箱內；每個實驗籠上安裝有輸入和輸出設備，其中輸入設備包括有踏板、鼻觸以及紅外水平活動探測器，輸出設備包括有液體注射泵、顆粒和液體食物泵、燈光刺激裝置、聲音刺激裝置和電休克刺激裝置；每個實驗籠還配備一個顆粒和液體食物槽，一套靜脈輸液連接保護設備；每個實驗籠有一個外圍設備接口電路板，通過電纜與安裝有用於控制和記錄動物行為軟體的計算機I/O卡相連接。本發明通過加強軟體的功能來簡化系統所需的外圍硬體設備的複雜性，加強了實驗強化程序的設計控制能力，實驗自動化運行，使科研人員完全擺脫複雜的計算機編程工作，提高工作效率。
文檔編號A01K1/03GK1768578SQ20051006074
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年9月9日
發明者張富強 申請人:寧波市微循環與莨菪類藥研究所