一种用于大鼠听觉分辨行为的自动训练系统的制作方法

本发明属于神经生物学技术领域，尤其涉及一种用于大鼠听觉分辨行为的自动训练系统。

背景技术：

神经生物学研究表明大多数大脑听觉神经元表现出对声源方位的敏感性，神经元对声刺激的反应随声源方位的变化而变化。大鼠作为一种常用的听觉研究实验动物，通过训练大鼠对声源方位的分辨能力，有助于研究大鼠大脑内侧膝状体、丘脑网状核听觉区或听觉皮层神经元对外部听觉刺激的发放行为及相互之间的关联。同时，对丘脑功能的深入认识和理解听觉皮层如何参与各种高级认知过程和行为决策显得异常重要。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于大鼠听觉分辨行为的自动训练系统，该系统可以在不需要固定大鼠的情况下，训练大鼠对声音刺激方位的分辨行为，并通过传感电路实时采集大鼠的分辨行为数据。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于大鼠听觉分辨行为的自动训练系统，包括：训练箱、微控制器和上位机；

所述训练箱的底部设置铜制长方体平台，大鼠在训练箱内能够自由活动；训练箱的左侧面和右侧面各安装一个扬声器，在铜制长方体平台上方的左右两侧各安装一个铁质金属饮水管；所述扬声器连接微控制器，大鼠饮水的两个铁质金属饮水管和大鼠饮水时踩踏的铜制长方体平台均通过导线连接大鼠饮水传感电路，所述大鼠饮水传感电路连接微控制器；所述微控制器连接上位机；

所述大鼠饮水传感电路包括电阻r1l、r2l、r1r、r2r，npn三极管q1l、q1r；左侧铁质金属饮水管通过导线连接至npn三极管q1l的基极，npn三极管q1l的发射极直接接地，npn三极管q1l的集电极连接至微控制器的外部中断1引脚p3.3，且集电极通过电阻r2l连接电源vcc；右侧铁质金属饮水管通过导线连接至npn三极管q1r的基极，npn三极管q1r的发射极直接接地，npn三极管q1r的集电极连接至微控制器的外部中断0引脚p3.2，且集电极通过电阻r2r连接电源vcc；铜制长方体平台的左右两侧分别通过导线连接电阻r1l、r1r的一端，电阻r1l、r1r的另一端均接电源vcc；

所述微控制器驱动两个扬声器，通过大鼠饮水传感电路实时采集大鼠饮水的行为数据，并将行为数据发送至上位机；同时，接收上位机的训练指令完成不同训练阶段的控制；

所述上位机负责与微控制器通信，采集微控制器发送的大鼠饮水的行为数据并下达训练指令，具体为：所述上位机监听由微控制器发送的大鼠舔左侧或右侧饮水管的信号，在收到信号后记录大鼠舔左侧或右侧饮水管的时间；上位机监听由微控制器发送的左侧声音刺激或右侧声音刺激信号，记录左侧声音刺激或右侧声音刺激的时间；上位机选择不同训练阶段，将不同训练阶段对应的训练指令发送给微控制器；所述训练指令包括扬声器声音刺激的频率f，扬声器声音刺激的时刻及时间长度t0、饮水管的给水时刻及时间长度tw。

进一步地，所述上位机中设置两个训练阶段，

第一训练阶段具体为：微控制器随机控制一侧扬声器产生频率f的声音刺激，声音刺激时间长度t0，停顿设定时间t1后，直接控制相应侧水泵给水，给水时间长度tw，若大鼠在设定时间t2内舔相应侧的饮水管则微控制器再次控制相应侧水泵给水，给水时间长度tw，并计1次音源分辨正确记录，共计对设定次数n次，则音源换侧，若大鼠一直停留在某侧舔饮水管，则该侧推迟产生声音刺激且推迟给水，只有在大鼠超过设定时间t3没有产生舔饮水管行为且超过设定时间t4微控制器没有产生声音刺激和控制饮水管出水信号的情况下，微控制器才重新产生声音刺激并输出控制饮水管出水的控制信号；

第二训练阶段具体为：微控制器随机控制一侧扬声器产生频率f的声音刺激，声音刺激时间长度t0，停顿设定时间t1后，直接控制相应侧水泵给水，给水时间长度tw，若首次检测到大鼠在设定时间t2内舔相应侧的饮水管，微控制器继续控制相应侧水泵给水，给水时间长度tw，计1次音源分辨正确记录；微控制器下一次及以后在相应侧产生固定频率f的声音刺激后，微控制器停止主动输出控制扬声器相应侧饮水管出水的控制信号，之后需要大鼠在声音刺激结束后的设定时间t2内主动舔相应侧的饮水管，微控制器才计1次音源分辨正确记录并控制相应侧水泵出水，给水时间长度tw，共计对n次，则音源换侧，若大鼠一直停留在某侧舔饮水管，则该侧推迟产生声音刺激且推迟给水，只有在大鼠超过设定时间t3没有产生舔饮水管行为且超过设定时间t4微控制器没有产生声音刺激和控制饮水管出水信号的情况下，微控制器才重新产生声音刺激并输出控制饮水管出水的控制信号。

本发明的有益效果：本发明系统可以训练大鼠对音源的分辨行为，并通过饮水传感电路，判断大鼠对音源分辨行为的正确性。本发明系统不需要对大鼠进行固定训练，可让大鼠在所设计的训练箱内自由地学习，有利于加速大鼠听觉分辨能力的训练，对后续研究大鼠大脑内侧膝状体、丘脑网状核听觉区或听觉皮层神经元对外部听觉刺激的发放行为及相互之间的关联具有一定的意义。同时，对丘脑功能的深入认识和理解听觉皮层如何参与高级认知过程和行为决策具有重要意义。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明的硬件结构图；

图3为本发明的上位机界面图；

图4为大鼠在第一阶段空间分辨行为数据，(a)左边给声音左边舔的散点图；(b)右边给声音右边舔的散点图；(c)左边给声音右边舔的散点图；(d)右边给声音左边舔的散点图；(e)总散点图；(f)行为时间的一阶导数曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本实施例提供的一种用于大鼠听觉分辨行为的自动训练系统，包括：训练箱、微控制器和上位机；

所述训练箱v_box的底部设置铜制长方体平台v_platform，大鼠在训练箱内能够自由活动，训练箱v_box的长×宽×高为58cm×39cm×17cm，铜制长方体平台v_platform的长×宽×高为30cm×21cm×3cm，将v_platform贴近v_box长为58cm的一面，标记v_box宽为39cm的一面为左侧面side_l，另一面为右侧面side_r。

如图2所示，训练箱v_box的左侧面side_l和右侧面side_r同一位置处各安装一个4欧3瓦、直径4cm的扬声器，左右两侧扬声器对应的pnp三极管型号为s9012，基极电阻为10千欧姆，speakerl接至微控制器的p1.3引脚，speakerr接至微控制器的p1.0引脚。

在铜制长方体平台v_platform贴近训练箱v_box的那一面设置2个直径1.5mm的铁质金属饮水管，饮水管中心距离3cm，靠近左侧面side_l的饮水管标记为rat_l2，靠近右侧面side_r的饮水管标记为rat_r2，铁质金属饮水管连接外部供水塑料软管。

如图2所示，所述大鼠饮水传感电路包括电阻r1l、r2l、r1r、r2r，npn三极管q1l、q1r，q1l与q1r三极管的型号均为npn型三极管：2n3904-331，微控制器为stc89c52rc微控制器，vcc为直流+5v；左侧铁质金属饮水管rat_l2通过导线连接至npn三极管q1l的基极，npn三极管q1l的发射极直接接地，npn三极管q1l的集电极连接至微控制器的外部中断1引脚p3.3，且集电极通过电阻r2l连接电源vcc；右侧铁质金属饮水管rat_r2通过导线连接至npn三极管q1r的基极，npn三极管q1r的发射极直接接地，npn三极管q1r的集电极连接至微控制器的外部中断0引脚p3.2，且集电极通过电阻r2r连接电源vcc；铜制长方体平台v_platform的左右两侧分别通过导线连接电阻r1l的rat_l1端、r1r的rat_r1端，电阻r1l、r1r的另一端均接电源vcc；大鼠饮水的两个铁质金属饮水管和大鼠饮水时踩踏的铜制长方体平台均通过导线连接大鼠饮水传感电路，大鼠饮水传感电路连接微控制器，大鼠舔金属管进行饮水时，就会有微安级别的电流流过大鼠身体进入npn三极管2n3904331的基极，从而产生放大电流使三极管发射极与集电极导通，发生电平下降沿跳变；每当stc89c52rc微控制器p3.2或p3.3引脚电平发生下降沿跳变时，即表明大鼠此时正在舔金属水管，从而触发外部中断，在外部中断响应程序里面进行信号发送及处理；stc89c52rc的p1.3引脚负责输出周期性的方波信号用于驱动安装于左侧的扬声器speaker_left，stc89c52rc的p1.0引脚负责输出周期性的方波信号用于驱动安装于右侧的扬声器speaker_right；stc89c52rc的p3.2引脚以外部中断0工作方式负责采集大鼠饮水时舔左侧饮水管rat_l2产生的中断信号，stc89c52rc的p3.3引脚以外部中断1工作方式负责采集大鼠饮水时舔右侧饮水管rat_r2产生的中断信号；stc89c52rc在外部中断响应函数里面发送大鼠的舔信号给上位机，上位机记录下接收到舔信号时相应的时刻(年-月-日时-分-秒.毫秒)，上位机的gui用户界面如图3所示。

所述上位机采集微控制器发送的行为数据并下达训练指令，具体为：

所述上位机监听由微控制器发送的大鼠舔左侧或右侧饮水管的信号，在收到信号后记录大鼠舔左侧或右侧饮水管的时间，精确记录到毫秒(年-月-日时-分-秒.毫秒)。

如图3所示，上位机软件通过本地pc机串口与微控制器进行串行通信，通信波特率：119200比特每秒。

所述上位机监听由微控制器发送的左侧声音刺激或右侧声音刺激信号，记录左侧声音刺激或右侧声音刺激的时间，精确记录到毫秒。

如图3所示，最新记录的时间，在图3“dateandtimeoflatestdrink(ms)”文本框里实时显示。“drinkingwatertimes”的l用于显示大鼠从开始训练到当前时刻舔左边金属管的总次数。“drinkingwatertimes”的r用于显示大鼠从开始训练到当前时刻舔右边金属管的总次数。

上位机选择第一训练阶段或第二训练阶段，将训练指令发送给微控制器。

如图3所示，大鼠舔有效的时间窗在“windowwidthselection：”栏目框选择，可以选择如下时间窗(单位：秒)：[0.4,2.0]、[0.4,1.9]、[0.4,1.8]、[0.4,1.7]、[0.4,1.6]、[0.4,1.5]、[0.4,1.4]、[0.4,1.3]、[0.4,1.2]、[0.4,1.1]、[0.4,1.0]、[0.4,0.9]、[0.4,0.8]、[0.4,0.7]、[0.4,0.6]、[0.4,0.5]。

所述微控制器接收上位机的训练指令完成第一训练阶段或第二训练阶段的控制；

第一训练阶段具体为：微控制器随机控制一侧扬声器以固定频率500hz产生100ms时长的声音刺激，停顿200毫秒后，由微控制器p0.6或p0.7引脚产生100ms的高电平分别控制左侧或右侧水泵给水(水泵型号：parker-vac-50-psig)，水流入左侧或右侧金属饮水管，若大鼠在扬声器响起至规定时间2秒内舔相应侧的饮水管则微控制器再次控制相应侧水泵给水，给水时间100毫秒，并计1次音源分辨正确记录，共计对10次，则音源换侧，若大鼠一直停留在某侧舔饮水管，则该侧推迟产生声音刺激且推迟给水，只有检测到大鼠超过4秒没有产生舔饮水管行为且超过5秒音源没有发声，微控制器才重新产生声音刺激并输出控制饮水管出水的控制信号；

第二训练阶段具体为：微控制器随机控制一侧扬声器以固定频率500hz产生100ms时长的声音刺激，停顿200毫秒后，直接控制相应侧水泵给水，相应侧水泵给水100毫秒，若首次检测到大鼠在规定时间2秒内舔相应侧的饮水管，微控制器继续控制相应侧水泵给水，给水时间100毫秒，计1次音源分辨正确记录；与第一训练阶段不同，微控制器下一次及以后在相应侧产生固定频率500hz的声音刺激后，微控制器停止主动输出控制扬声器相应侧饮水管出水的控制信号，之后需要大鼠在声音刺激结束后的设定时间2秒内主动舔相应侧的饮水管，微控制器才计1次音源分辨正确记录并控制相应侧水泵出水，相应侧水泵给水100毫秒，共计对10次，则音源换侧，若大鼠一直停留在某侧舔饮水管，则该侧推迟产生声音刺激且推迟给水，只有在大鼠4秒没有产生舔饮水管行为且超过5秒微控制器没有产生声音刺激和控制饮水管出水信号的情况下，微控制器才重新产生声音刺激并输出控制饮水管出水的控制信号。

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