決策行為的光刺激裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種決策行為的光刺激裝置，包括中央控制系統、障礙迷宮系統、光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述中央控制系統分別與所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統連接，用于控制所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述光刺激系統用于對測試動物施加光刺激信號；所述紅外探測系統用于監測測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動進程；所述視頻分析系統用于記錄并分析測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動狀態。該裝置建立了一種基于獎賞系統的需要付出努力的決策行為測試模型，判定動物在選擇前后的狀態以及反應的潛伏期，可以結合光遺傳的方法對于動物的決策行為進行干預。
【專利說明】決策行為的光刺激裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有關研究決策行為的模型，尤其是一種用于調控動物決策行為的光刺激裝置，用于醫學生物學和神經藥理學等領域。
【背景技術】
[0002]“決策”(decisionmaking)是中樞神經系統的高級認知活動，決策水平的發展在一定程度上影響了動物及人類對于尋求食物以及其他獎賞的進化壓力。決策行為決定于動物和人類對于環境、自身以及多種可供選擇條件之間的利益和代價的經濟學平衡。決策行為的腦機制和相關神經環路的研究對于揭示腦的認知功能有重要意義，同時對因腦功能失調導致的決策行為紊亂的精神疾病(重癥抑郁、多動癥、精神分裂等)的治療有提示作用。
[0003]光遺傳技術是通過光學與遺傳學相結合，通過基因工程手段將攜帶有特異性的光敏感基因病毒轉入特定細胞類型表達，如興奮型通道蛋白基因為Channelrhodopsin-2(ChR2)，抑制型通道蛋白基因為Helorhodopsin (NpHR)，光感基因離子通道在不同波長，如藍光波長\ =473nm能夠激活ChR2,從而選擇讓陽離子特異性通過，引起細胞去極化作用，從而興奮細胞；相反黃光波長、=593nm能夠激活NpHR，從而選擇讓陰離子特異性通過，引起細胞的超極化，從而抑制細胞活動。
[0004]基于獎賞系統的以研究決策行為的動物行為學裝置主要有主動操作箱和T-迷宮。主動操作箱主要由隔音箱和踏板系統組成，通過訓練動物通過按壓踏板以獲得食物獎賞，可以選擇設置動物按壓踏板的次數來建立動物需要付出努力才能獲得食物獎賞，比如可以通過讓動物按壓5次時才給一粒好吃的糧食，隔音箱里放置了不用需要付出努力就能獲取的粗糙的糧食，測試動物在面對兩種選擇時的決策行為。上述主動操作箱的主要局限性在于:(1)操作箱密閉，動物的行為不易觀察，動物的行為受到局限；(2)主動操作箱的使用不便于對動物采取后期的藥物或是光、電、光遺傳學干預；并且，動物在自然的狀態下，一般不偏向主動去操作實驗，相對操作箱，迷宮更符合動物的愛鉆洞的習性；(3)主動操作箱只能通過分析兩次按踏板的時間判斷動物的反應潛伏期，但是對于兩次選擇之間動物的狀態、時間無法做出正確的判斷，即動物選擇去吃好吃的糧食與選擇吃粗糙的糧食期間的反應潛伏期無法判定；(4)比較動物兩者之間的決策行為，需要對于動物消耗粗糧與精糧的量進行比較，因此需要稱量實驗前后粗糧與精糧的重量，實驗中由于動物將食物吃得較碎，常零星散落，因此操作比較麻煩，浪費了實驗人員的時間。另外傳統的T迷宮只以對于位置的左右條件的不同來進行選擇，達到一定正確率后進行其他的分子、藥理或是遺傳操作，不能夠測試動物在面對選擇并結合自身的能力進行的權衡與比較。
【發明內容】
[0005]為解 決上述現有技術所存在的問題，本發明的目的在于提供一種用于調控動物決策行為的光刺激裝置，該裝置建立了一種基于獎賞系統的需要付出努力的決策行為測試模型，判定動物在選擇前后的狀態以及反應的潛伏期，可以結合光遺傳的方法對于動物的決策行為進行干預。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0007]—種決策行為的光刺激裝置，包括中央控制系統、障礙迷宮系統、光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述中央控制系統分別與所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統連接，用于控制所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述光刺激系統用于對測試動物施加光刺激信號；所述紅外探測系統用于監測測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動進程；所述視頻分析系統用于記錄并分析測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動狀態。
[0008]優選地，所述障礙迷宮系統包括一 T型迷宮，所述T型迷宮包括起始臂、第一目標臂和第二目標臂，所述第一目標臂中設置有一柵欄；其中，所述第一目標臂的末端放置有高獎賞食物，所述第二目標臂的末端放置有低獎賞食物。
[0009]優選地，所述T型迷宮中，起始臂的長度范圍是70~100mm，寬度范圍是10~20mm,高度范圍是10~20mm ;第一目標臂和第二目標臂的長度范圍是50~70mm，寬度范圍是10~20mm，高度范圍是10~20mm ;所述T型迷宮距離地面的高度為50~70cm。
[0010]優選地,所述T型迷宮中，起始臂的長度是70mm,寬度是IOmm,高度是IOmm ;第一目標臂和第二目標臂的長度分別是是50mm，寬度是10mm，高度是IOmm ;所述T型迷宮距離地面的高度為60cm。
[0011]優選地，所述柵欄的寬度為10mm，高度為10~30mm。
[0012]優選地，所述光刺激系統包括激光器、波形發生器、光纖以及可植入式光纖插芯；可植入式光纖插芯植入到測試動物的頭部，所述中央控制系統通過所述波形發生器控制所述激光器產生光刺激信號，所述光刺激信號由所述光纖連接到可植入式光纖插芯從而施加于測試動物。
[0013]優選地,所述激光器為藍光激光器或黃光激光器。
[0014]優選地，所述紅外探測系統包括多組紅外探頭，用于監測測試動物的運動進程并將檢測信息回傳到所述中央控制系統，該多組紅外探頭至少分別位于起始臂的始端和末端、第一目標臂的始端和末端以及第二目標臂的始端和末端。
[0015]優選地，所述起始臂、第一目標臂以及第二目標臂中還設置有一擋板。
[0016]優選地，所述視頻分析系統包括設置于所述T型迷宮內的攝像頭，用于記錄測試動物的運動進程的圖像信息并將該信息回傳到所述中央控制系統。
[0017]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0018](I)本發明在傳統的T型迷宮的一個目標臂設置有柵欄，通過柵欄障礙對應高獎賞與不通過柵欄對應低獎賞模擬了自然狀態下面臨多種選擇時的境況，從而可以衡量測試動物將自身能力與所獲利益的比較的決策行為；
[0019](2)本發明采用了具有細胞選擇性和高時空分辨率的光遺傳技術，可以選擇特定神經元進行興奮或是抑制從而干預動物正常或是異常的決策行為；
[0020](3)本發明采用高靈敏的紅外探測系統和視頻分析系統對測試動物在迷宮內的運動進程進行監控，可以靈敏地反應動物在起始臂到目標臂以及兩種選擇的目標臂選擇的時程差異，通過分析動物的軌跡，確定動物移動的距離、速度、時間，從而在兩個目標臂之間的選擇進行比較。【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明一具體實施例提供的決策行為的光刺激裝置的連接框圖。
[0022]圖2為本發明一具體實施例提供的決策行為的光刺激裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如前所述，本發明為解決現有技術所存在的問題，提供了一種決策行為的光刺激裝置，該裝置建立了一種基于獎賞系統的需要付出努力的決策行為測試模型，判定動物在選擇前后的狀態以及反應的潛伏期，可以結合光遺傳的方法對于動物的決策行為進行干預。
[0024]為了更好地闡述本發明的技術特點和結構，以下結合實施例及其附圖進行詳細描述。
[0025]參閱圖1和圖2，本實施例提供的決策行為的光刺激裝置包括中央控制系統1、障礙迷宮系統2、光刺激系統3、紅外探測系統4以及視頻分析系統5 ;其中，中央控制系統I分別與光刺激系統3、紅外探測系統4以及視頻分析系統5連接，用于控制光刺激系統3、紅外探測系統4以及視頻分析系統5 ;光刺激系統3用于對測試動物6施加光刺激信號；紅外探測系統4用于監測測試動物6在障礙迷宮系統2中的運動進程；視頻分析系統5用于記錄并分析測試動物6在障礙迷宮系統2中的運動狀態。
[0026]本實施例中，障礙迷宮系統2包括一 T型迷宮，T型迷宮包括起始臂201、第一目標臂202和第二目標臂203，第一目標臂202中設置有一柵欄204 ;其中，第一目標臂202的末端放置有高獎賞食物205，第二·目標臂203的末端放置有低獎賞食物206 ;所述T型迷宮中，起始臂201、第一目標臂202和第二目標臂203的上部均為敞開的結構，并且T型迷宮距離地面有一定的高度；并且，起始臂201、第一目標臂202以及第二目標臂203中還分別設置有擋板402，其中，設置于起始臂201中的擋板用于防止測試動物6從入口逃離，而設置于第一目標臂202和第二目標臂203中的擋板主要用于在訓練階段，有針對性地強迫測試動物6去選擇第一目標臂202 (高獎勵臂)或是第二目標臂203 (低獎勵臂)，從而提高訓練的速度；擋板402的數量以及放置的位置可以根據訓練的目的進行設置，擋板402是通過從T型迷宮的上方抽離或插入來安裝的。所謂的高獎賞食物和低獎賞食物是相對而言的，例如，高獎賞食物可以是數量較多的食物而低獎賞食物指的是數量較少的食物；或者是，高獎賞食物可以是品質較好的食物而低獎賞食物指的是品質較差的食物；本實施例中，高食物獎賞側放置4顆糧食而低獎賞側放置2顆糧食。
[0027]在本實施例中，所述T型迷宮中，起始臂201的長度是70mm，寬度是10mm，高度是IOmm ;第一目標臂202和第二目標臂203的長度分別是是50臟，寬度是10臟，高度是IOmm ；柵欄204的寬度為10mm，高度為30mm，T型迷宮距離地面的高度為60cm ;在另外一些較為優選的實施例中，起始臂201的長度可以選擇的范圍是70~100_，寬度可以選擇的范圍是10~20mm，高度可以選擇的范圍是10~20mm ;第一目標臂202和第二目標臂203的長度可以選擇的范圍是50~70mm，寬度可以選擇的范圍是10~20mm，高度可以選擇的范圍是10~20mm，T型迷宮距離地面可以選擇的高度為50~70cm。
[0028]本實施例中，光刺激系統3包括激光器(附圖中未標示出)、波形發生器(附圖中未標不出)、光纖301以及可植入式光纖插芯302 ;可植入式光纖插芯302植入到測試動物6的頭部，中央控制系統I通過波形發生器控制激光器產生光刺激信號，光刺激信號由光纖301連接到可植入式光纖插芯302從而施加于測試動物6。中央控制系統I對光刺激系統3的波形發生器進行控制，決定輸出的激光的波形、波長、強度、時程、間隔等光信號信息；光刺激系統中激光光源主要有藍光和黃光激光光源，其中藍光波長\ =473nm能夠激活動物腦內光敏感基因ChR2，從而選擇讓陽離子特異性通過，引起細胞去極化作用，從而興奮細胞；相反黃光波長、=593nm能夠激活NpHR,從而選擇讓陰離子特異性通過，引起細胞的超極化，從而抑制細胞活動。
[0029]本實施例中，紅外探測系統4包括6組紅外探頭401，用于監測測試動物106的運動進程并將檢測信息回傳到中央控制系統1，該6組紅外探頭401分別位于起始臂201的始端和末端、第一目標臂202的始端和末端以及第二目標臂203的始端和末端；紅外探測系統4用于監測測試動物6在障礙迷宮系統2的行動進程，包括測試動物6從起始臂202到選擇端口的潛伏期，以及選擇第一、第二目標臂(203、204)的時間等信息。
[0030]本實施例中，視頻分析系統5包括設置于所述T型迷宮內的攝像頭(附圖中未標示出)，用于記錄測試動物6的運動進程的圖像信息并將該信息回傳到中央控制系統I。通過分析動物的軌跡，確定動物移動的距離、速度、時間，從而在兩個目標臂之間的選擇進行比較。
[0031]本發明中所述的測試動物6主要是指嚙齒類動物，例如大鼠或小鼠。
[0032]使用本發明的裝置對測試動物進行測試時，首先需要在測試動物的腦內定點注射具有特異性標記的光感基因病毒，可以是攜帶了興奮性光感基因片段的ChR2，也可以是攜帶了抑制性光感基因片段的NpHR，取決于實驗的目的；然后將測試動物先放置在起始臂，當動物在進入目標臂進行選擇前通過光纖給予光遺傳刺激，比如用藍光激活ChR2能夠興奮神經元，如果該神經元編碼的是負性信號比如介導厭惡性的刺激，就可以使動物不去選擇之前學習好的高獎勵側；也可以通過黃光抑制編碼獎賞信號的神經元，如多巴胺能神經元，也能夠促使動物不去選擇高獎勵側。通過對測試動物的行為記錄，有助于理解動物光遺傳學調控和行為學之間的關系，滿足對神經系統和精神疾病的發病機制以及治療機制的研究的需要。當然用這種方法也可以刺激本身具有決策障礙或者一直學不會的動物，用來治療決策障礙或是提高訓練學習成績，這時候就可以直接用藍光興奮編碼獎賞信息的神經元，或是用黃光抑制編碼惡性刺激的神經元。
[0033]綜上所述，與現有技術相比，本發明在傳統的T型迷宮的一個目標臂設置有柵欄，通過柵欄障礙對應高獎賞與不通過柵欄對應低獎賞模擬了自然狀態下面臨多種選擇時的境況，從而可以衡量測試動物將自身能力與所獲利益的比較的決策行為；本發明采用了具有細胞選擇性和高時空分辨率的光遺傳技術，可以選擇特定神經元進行興奮或是抑制從而干預動物正常或是異常的決策行為；本發明采用高靈敏的紅外探測系統和視頻分析系統對測試動物在迷宮內的運動進程進行監控，可以靈敏地反應動物在起始臂到目標臂以及兩種選擇的目標臂選擇的時程差異，通過分析動物的軌跡，確定動物移動的距離、速度、時間，從而在兩個目標臂之間的選擇進行比較。
[0034]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0035]雖然本發明是參照其示例性的實施例被具體描述和顯示的，但是本領域的普通技術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種改變。`
【權利要求】
1.一種決策行為的光刺激裝置，其特征在于，包括中央控制系統、障礙迷宮系統、光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述中央控制系統分別與所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統連接，用于控制所述光刺激系統、紅外探測系統以及視頻分析系統；所述光刺激系統用于對測試動物施加光刺激信號；所述紅外探測系統用于監測測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動進程；所述視頻分析系統用于記錄并分析測試動物在所述障礙迷宮系統中的運動狀態。
2.根據權利要求1所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述障礙迷宮系統包括一 T型迷宮，所述T型迷宮包括起始臂、第一目標臂和第二目標臂，所述第一目標臂中設置有一柵欄；其中，所述第一目標臂的末端放置有高獎賞食物，所述第二目標臂的末端放置有低獎賞食物。
3.根據權利要求2所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述T型迷宮中，起始臂的長度范圍是70~100mm，寬度范圍是10~20mm，高度范圍是10~20mm ;第一目標臂和第二目標臂的長度范圍是50~70mm，寬度范圍是10~20mm，高度范圍是10~20mm ;所述T型迷宮距離地面的高度為50~70cm。
4.根據權利要求3所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述T型迷宮中，起始臂的長度是70mm，寬度是10mm，高度是IOmm ;第一目標臂和第二目標臂的長度分別是是50mm,寬度是10mm，高度是IOmm ;所述T型迷宮距離地面的高度為60cm。
5.根據權利要求4 所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述柵欄的寬度為ICtam,高度為10~30臟。
6.根據權利要求2所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述光刺激系統包括激光器、波形發生器、光纖以及可植入式光纖插芯；可植入式光纖插芯植入到測試動物的頭部，所述中央控制系統通過所述波形發生器控制所述激光器產生光刺激信號，所述光刺激信號由所述光纖連接到可植入式光纖插芯從而施加于測試動物。
7.根據權利要求6所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述激光器為藍光激光器或黃光激光器。
8.根據權利要求2所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述紅外探測系統包括多組紅外探頭，用于監測測試動物的運動進程并將檢測信息回傳到所述中央控制系統，該多組紅外探頭至少分別位于起始臂的始端和末端、第一目標臂的始端和末端以及第二目標臂的始端和末端。
9.根據權利要求8所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述起始臂、第一目標臂以及第二目標臂中還設置有一擋板。
10.根據權利要求2所述的決策行為的光刺激裝置，其特征在于，所述視頻分析系統包括設置于所述T型迷宮內的攝像頭，用于記錄測試動物的運動進程的圖像信息并將該信息回傳到所述中央控制系統。
【文檔編號】A01K15/02GK103583397SQ201310534920
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】王立平, 劉雪梅, 蔚鵬飛, 周政, 劉楠 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院