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一种小型自动化动物行为训练系统及训练方法

萌宠菠菠乐园
2024-09-21 17:24

1.本发明属于动物行为训练技术领域，涉及基于压杆行为作为反应动物决策结果的操作性条件反应训练范式，特别是一种小型自动化动物行为训练系统及方法。

背景技术：

2.脑科学研究被称为是“人类科学最后的前沿”，其主要研究任务之一是阐述动物行为背后大脑运算的神经机制，因此在神经科学基础研究领域需在啮齿类或灵长类动物中开展动物行为学实验。光遗传、miniscope钙成像等新技术的发展结合啮齿类或灵长类动物行为学为揭示行为背后神经编码提供了便利工具。然而，由于传统的训练动物学习实验行为范式需要科研人员时刻观察以保证行为训练顺利进行并及时将未训练实验动物转移到实验设备中，这种传统的动物训练方法不仅需要大量人力，而且也拖慢了训练和实验进程。
3.在当前的啮齿类动物实验中很多以动物压杆或鼻触行为作为报告手段的行为训练，但是这两种看似简单的行为本身就耗费大量的训练时间。由于实验动物大部分时间待在饲养笼中，如果可以在饲养笼上安装一套自动化的动物行为训练系统，以训练动物执行完整的实验范式，或者让动物学习初级的信号指导的鼻触、压杆等行为将大大加快训练进程，从而减少科研负担与科研支出。然而，一方面，目前市场中的动物行为训练系统动辄十几至几十万，甚至有些行为设备耗资百万，使多数科研机构和实验室难以承受。另一方面，传统的动物行为设备结构复杂，体积较庞大，不适合在小动物饲养笼中安装。而且传统的动物设备时刻需要计算机设备辅助，很难在多个饲养笼中安装。因此，在本领域亟需研发一种价格低廉的小型的，不需要计算机设备的小型自动化动物行为训练系统。

技术实现要素：

4.本发明目的在于，提供一种小型自动化动物行为训练系统及训练方法。
5.为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
6.一种小型自动化动物行为训练系统，包括带有格栅的动物饲养笼，所述格栅的一边呈v型，其特征在于，在动物饲养笼内设置有训练装置，在训练装置内部设置有微控制器；在训练装置的中轴线左右两侧，各设置有视觉刺激呈现装置和行为检测装置，行为检测装置位于视觉刺激呈现装置下方，在训练装置的下方中间设置有饮水/奖励装置；在格栅一侧的v型中设置有两个饮水瓶，饮水瓶的出水口通过导水管与饮水/奖励装置连通，在导水管与饮水/奖励装置之间有电磁阀；所述微控制器分别连接电磁阀、视觉刺激呈现装置、行为检测装置和饮水/奖励装置。
7.根据本发明，所述视觉刺激呈现装置选择白色/黄色/绿色led发光二极管；所述行为检测装置选择红外线感应开关、杠杆开关或鼻触器。
8.具体地，所述饮水/奖励装置是金属饮水嘴。
9.进一步地，所述训练装置主体选择pla聚乳酸纤维材料3d打印制成，可根据需要随意调整装置布局。
10.优选地，所述饮水/奖励装置距离饲养笼底部地面的高度为1-3厘米。
11.所述饮水瓶各装有不同味道的液体。
12.上述小型自动化动物行为训练系统训练小鼠压杆的方法，其特征在于，按以下步骤进行：
13.s1：将小鼠放在动物饲养笼内进行压杆行为训练，饮水瓶内分别装糖水和蒸馏水；
14.s2：小鼠累计压杆次数大于m次或者控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀关闭超过n小时后，电磁阀打开，小鼠可自由从金属饮水嘴饮水；
15.s3：适应过程，包括：
16.(a)控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀一直处于打开状态；
17.(b)如果小鼠触碰任意杠杆，控制糖水瓶的电磁阀打开120秒；
18.(c)确定小鼠是否舔水，如果小鼠不舔水，则在金属饮水嘴处人工滴入糖水奖励并引导小鼠至金属饮水嘴处；重复上述步骤(a-b)；如果小鼠舔水，则进入s4步骤；
19.s4：学习过程，包括：
20.(a)通过视觉刺激呈现装置随机给予小鼠视觉刺激1或刺激2持续 60-120秒；之后停止给予视觉刺激5-10秒；
21.(b)确定小鼠是否压杆；如小鼠在视觉刺激的60-120秒内，按压视觉刺激呈现装置一侧的杠杆，则视觉刺激关闭，糖水瓶的电磁阀打开120秒；并进行步骤(c)；如果小鼠不压杆，关闭视觉刺激5-10秒，并进行步骤(d)；
22.(c)确定累计压杆次数，如果累计压杆次数大于m次，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练；如果累计压杆次数不大于m次，则进行步骤(d)。
23.(d)确定蒸馏水瓶的电磁阀累计关闭时间，如果累计关闭时间未达到n 小时，则进行步骤(a)；如果累计关闭时间达到n小时，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练；
24.其中，所述n为2～12中的正数，优选为4～8中的正数；m为20～150 中的正整数，优选为50～100中的正整数。
25.本发明的小型自动化动物行为训练系统，技术特点在于，利用动物喜爱糖水的觅食特性，采用基于强化学习的视觉引导操作性反射范式，当动物根据视觉刺激做出期望行为反应(按压视觉刺激一侧的杠杆，但不限于按压杠杆行为，如鼻触行为)时微控制器控制电磁阀给予动物糖水奖励。各个辅助装置均由微控制器自动控制，实现无需人为参与的行为训练。同时，当动物不能在本日训练中执行期望数量的行为反应或获得一定奖励时，在剩余时间中系统自动将蒸馏水瓶电磁阀打开，防止动物因不能成功学习而一天内得不到任何饮水，确保了动物福利。此外，该系统体积较小且不依赖计算机设备，可便捷地固定在饲养笼的格栅上，不需要对饲养笼进行任何改动，因此饲养笼还可继续用于其他动物的饲养，大大降低了行为训练和动物饲养成本。
附图说明
26.图1是本发明的小型自动化动物行为训练系统结构示意图。
27.图2是饮水/奖励装置连接饮水瓶示意图。
28.图3是训练装置结构示意图。
29.图4是控制系统原理框图。
30.图5是动物压杆行为评判示意图。
31.图6是动物压杆行为训练流程示意图。
32.图中的标记分别表示：1、训练装置，2、动物饲养笼，3、格栅，4、饮水瓶，5、饮水/奖励装置，6、导水管，7、电磁阀，8、视觉刺激呈现装置， 9、行为检测装置，10、固定压条，11、微控制器。
33.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
34.动物行为模型对于脑科学和神经科学研究具有重要意义。然而目前的行为训练装置价格昂贵且复杂，需要将动物拿到饲养笼外训练且需要一定的人工监督，因此严重拖慢训练进程增加实验饲养和人工投入。
35.参见图1至图3，本实施例给出的小型自动化动物行为训练系统，不需要计算机设备(只需要将程序写入微处理器中)，包括带有格栅3的动物饲养笼2，所述格栅3的一边呈v型，在动物饲养笼2内设置有训练装置1，在训练装置1内部设置有微控制器11；在训练装置1的中轴线左右两侧，各设置有视觉刺激呈现装置8和行为检测装置9，行为检测装置9位于视觉刺激呈现装置8下方，在训练装置1的下方中间设置有饮水/奖励装置5；在格栅3一侧的v型中设置有两个饮水瓶4，饮水瓶4的出水口通过导水管6与饮水/奖励装置5连通，在导水管6与饮水/奖励装置5之间有电磁阀7；所述微控制器11分别连接电磁阀7、视觉刺激呈现装置8、行为检测装置9和饮水/奖励装置5。可以实现饲养笼内的大批次动物的初级行为训练，加速了行为科学或神经科学等相关研究的进展速度。
36.所述训练装置1为可固定在饲养笼内的类长方体，采用pla聚乳酸纤维材料3d打印制成。由固定压条10固定在格栅3上。训练装置1位于饮水瓶 4一侧，两个视觉刺激呈现装置8对称地安装在训练装置1的中轴线的两侧；两个行为检测装置9设置于视觉刺激呈现装置8的下方。视觉刺激呈现装置 8可以是白色/黄色/绿色led发光二极管；行为检测装置9可以是红外线感应开关、杠杆开关或者鼻触器。
37.所述饮水/奖励装置5是金属饮水嘴，距离地面的高度为1-3厘米。
38.上述小型动物自动化行为训练系统，成本低廉、体积较小、不需要计算机设备，可用于具有初级行为操作能力的动物进行行为训练。所述动物例如是小鼠。实现了行为训练的自动化，加快了训练流程。以较低的成本最小的人为干扰训练动物，并且由于其低成本可同时安装于多个饲养笼，通过这种高通量设计而快速实现初级行为训练。对阐明与学习记忆、感觉运动转换等相关的如帕金森病、阿尔兹海默症、孤独症、创伤后应激障碍等神经系统疾病的机制研究和药物研发具有重要意义。
39.微控制器的控制原理如图4所示，微控制器控制两个视觉刺激呈现装置8，接收两个行为检测装置9的信号，并控制两个饮水瓶的电磁阀7，根据训练过程分别给予糖水或蒸馏水。
40.上述小型自动化动物行为训练系统训练小鼠压杆的方法，按以下步骤进行：
41.s1：将小鼠放在动物饲养笼内进行压杆行为训练，饮水瓶内分别装糖水和蒸馏水；
42.s2：小鼠累计压杆次数大于m次或者控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀关闭超过n小时
后，电磁阀打开，小鼠可自由从金属饮水嘴饮水；
43.s3：适应过程，包括：
44.(a)控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀一直处于打开状态；
45.(b)如果小鼠触碰任意杠杆，控制糖水瓶的电磁阀打开120秒；
46.(c)确定小鼠是否舔水，如果小鼠不舔水，则在金属饮水嘴处人工滴入糖水奖励并引导小鼠至金属饮水嘴处；重复上述步骤(a-b)；如果小鼠舔水，则进入s4步骤；
47.s4：学习过程，包括：
48.(a)通过视觉刺激呈现装置随机给予小鼠视觉刺激1或刺激2持续 60-120秒；之后停止给予视觉刺激5-10秒；
49.(b)确定小鼠是否压杆；如小鼠在视觉刺激的60-120秒内，按压视觉刺激呈现装置一侧的杠杆，则视觉刺激关闭，糖水瓶的电磁阀打开120秒；并进行步骤(c)；如果小鼠不压杆，关闭视觉刺激5-10秒，并进行步骤(d)；
50.(c)确定累计压杆次数，如果累计压杆次数大于m次，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练；如果累计压杆次数不大于m次，则进行步骤(d)。
51.(d)确定蒸馏水瓶的电磁阀累计关闭时间，如果累计关闭时间未达到n 小时，则进行步骤(a)；如果累计关闭时间达到n小时，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练；
52.其中，所述n为2～12中的正数，优选为4～8中的正数；m为20～150 中的正整数，优选为50～100中的正整数。
53.参见图5-图6，本实施例的小型动物自动化行为训练系统的实验过程简述如下：
54.实验准备：
55.开始前，将控制程序及各参数提前编制和烧写至微控制器11中。两个饮水瓶4各装满蒸馏水和糖水，且控制饮水瓶4的电磁阀7均处于关闭状态。实验开始后微控制器11向视觉刺激呈现装置8发送指令，随机打开左右视觉刺激呈现装置8的其中一个，led灯提示动物实验开始。
56.行为检测：
57.在视觉刺激呈现期内，若实验动物做出期望行为，即按压打开的led灯一侧的杠杆开关，则红外感应开关的信号输出端将按压杠杆开关信息传输到微控制器11的信号输入端。多次按压正确侧(视觉刺激呈现侧)杠杆开关不会影响奖励反馈。
58.奖惩：
59.按压杠杆开关的信息传输到微控制器11的信号输入端后，微控制器11 向控制糖水饮水瓶的电磁阀7发送指令，控制电磁阀7打开，动物可以引用糖水作为正确奖励；若动物没有做出期望行为反应，则微控制器11不会打开电磁阀7作为错误惩罚。
60.训练小鼠压杆的方法：
61.本方法要达到的目的是：使自由活动的动物学会根据视觉刺激的呈现，选择性地按压视觉刺激呈现侧的杠杆开关，以获得糖水奖励。
62.1、开始实验前，取动物饲养笼2，将训练装置1固定在动物饲养笼2 的格栅3上，让小鼠自主探索熟悉训练装置1；根据实验设计修改实验程序及各参数，将程序烧写至微控制器11；将蒸馏水或糖水各自注入饮水瓶4，其中糖水做为实验过程中的奖励，蒸馏水为实验
结束后受试小鼠的日常饮用水；调整电磁阀7出水量，确保电磁阀7开启100次的总出水量为大约1ml。
63.2、实验时，取停止饮水12小时后的受试小鼠，将其放入动物饲养笼2，由于相对于蒸馏水小鼠更喜欢糖水且受试小鼠处于口渴状态，因此小鼠将积极探索以获得糖水奖励。
64.开启微控制器11训练开始，微控制器11随机开启视觉刺激呈现装置8 中的一个led灯(由于啮齿类动物对红色不敏感，本实验采用白色、黄色或绿色led)，提示受试小鼠按压行为检测装置9中led灯亮起一侧的杠杆开关。若受试小鼠做出期望行为反应(即按压了杠杆开关)，微控制器11检测到行为检测装置9的红外感应开关被打开，则微控制器11发送指令，打开电磁阀7，受试小鼠可以从奖励装置5处(饮水嘴)获取糖水奖励，之后进入下一试次；反之，在视觉刺激呈现期内，若动物没有做出期望行为反应，电磁阀7不会被打开，动物将无法获得奖励，本试次结束。视觉刺激关闭一定时间后进入下一个试次。
65.3、实验进行8小时或者受试小鼠累计做出正确压杆行为100次，本日训练结束。此时，控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀7将在本日处于适中开启状态，以保证受试小鼠的日常饮水。

技术特征：
1.一种小型自动化动物行为训练系统，包括带有格栅(3)的动物饲养笼(2)，所述格栅(3)的一边呈v型，其特征在于，在动物饲养笼(2)内设置有训练装置(1)，在训练装置(1)内部设置有微控制器(11)；在训练装置(1)的中轴线左右两侧，各设置有视觉刺激呈现装置(8)和行为检测装置(9)，行为检测装置(9)位于视觉刺激呈现装置(8)下方，在训练装置(1)的下方中间设置有饮水/奖励装置(5)；在格栅(3)一侧的v型中设置有两个饮水瓶(4)，饮水瓶(4)的出水口通过导水管(6)与饮水/奖励装置(5)连通，在导水管(6)与饮水/奖励装置(5)之间有电磁阀(7)；所述微控制器(11)分别连接电磁阀(7)、视觉刺激呈现装置(8)、行为检测装置(9)和饮水/奖励装置(5)。2.如权利要求1所述的小型自动化动物行为训练系统，其特征在于，所述视觉刺激呈现装置(8)选择白色/黄色/绿色led发光二极管；所述行为检测装置(9)选择红外线感应开关、杠杆开关或鼻触器。3.如权利要求1所述的小型自动化动物行为训练系统，其特征在于，所述饮水/奖励装置(5)是金属饮水嘴。4.如权利要求1所述的小型自动化动物行为训练系统，其特征在于，所述训练装置(1)选择pla聚乳酸纤维材料3d打印制成。5.如权利要求1所述的小型动物自动化行为训练系统，其特征在于，所述饮水/奖励装置(5)距离饲养笼底部的高度为1-3厘米。6.如权利要求1所述的小型自动化动物行为训练系统，其特征在于，所述两个饮水瓶(4)各装有不同味道的液体。7.权利要求1至6其中之一所述的小型自动化动物行为训练系统训练小鼠压杆的方法，其特征在于，按以下步骤进行：s1：将小鼠放在动物饲养笼内进行压杆行为训练，饮水瓶内分别装糖水和蒸馏水；s2：小鼠累计压杆次数大于m次或者控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀关闭超过n小时后，电磁阀打开，小鼠可自由从金属饮水嘴饮水；s3：适应过程，包括：(a)控制蒸馏水饮水瓶的电磁阀一直处于打开状态；(b)如果小鼠触碰任意杠杆，控制糖水瓶的电磁阀打开120秒；(c)确定小鼠是否舔水，如果小鼠不舔水，则在金属饮水嘴处人工滴入糖水奖励并引导小鼠至金属饮水嘴处；重复上述步骤(a-b)；如果小鼠舔水，则进入s4步骤；s4：学习过程，包括：(a)通过视觉刺激呈现装置随机给予小鼠视觉刺激1或刺激2持续60-120秒；之后停止给予视觉刺激5-10秒；(b)确定小鼠是否压杆；如小鼠在视觉刺激的60-120秒内，按压视觉刺激呈现装置一侧的杠杆，则视觉刺激关闭，糖水瓶的电磁阀打开120秒；并进行步骤(c)；如果小鼠不压杆，关闭视觉刺激5-10秒，并进行步骤(d)；(c)确定累计压杆次数，如果累计压杆次数大于m次，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练；如果累计压杆次数不大于m次，则进行步骤(d)。(d)确定蒸馏水瓶的电磁阀累计关闭时间，如果累计关闭时间未达到n小时，则进行步骤(a)；如果累计关闭时间达到n小时，则打开蒸馏水瓶电磁阀24-n小时，结束本日训练。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n为2～12中的正数，m为20～150中的正整数。9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n为4～8中的正数，m为50～100中的正整数。

技术总结
本发明公开了一种小型自动化动物行为训练系统，包括动物饲养笼，动物饲养笼上方有格栅，格栅的一边呈V型，在动物饲养笼内设置有训练装置，在训练装置内部设置有微控制器；在训练装置的中轴线左右两侧，各设置有视觉刺激呈现装置和行为检测装置，行为检测装置位于视觉刺激呈现装置下方，在训练装置的下方中间设置有饮水/奖励装置；在格栅一侧的V型中设置有两个饮水瓶，饮水瓶的出水口通过导水管与饮水/奖励装置连通，在导水管与饮水/奖励装置之间有电磁阀；微控制器分别连接电磁阀、视觉刺激呈现装置、行为检测装置和饮水/奖励装置。可应用于具有一定初级操作行为能力的动物进行行为训练。为训练。为训练。

技术研发人员：孙宗鹏任维吴美霖
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/10/25