一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置

本发明属于动物合作行为研究领域，具体而言，涉及一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置。

背景技术：

1、动物的合作行为(如养育、生殖、合作猎食等行为)对动物个体生长发育以及群体繁衍都至关重要。从狮群合作捕杀大型猎物到蚂蚁合作搬运远超过自身重量的食物，自然界中动物的合作是普遍存在的。多种精神疾病伴随有社交合作行为的异常，如自闭症、精神分裂症、抑郁症、药物滥用和焦虑症等。啮齿类动物(如小鼠、大鼠等)是应用最广泛的模式动物，啮齿类动物合作行为的研究对于揭示合作行为的神经机制、以及合作行为异常的致病机理至关重要。针对啮齿类动物的行为特性，研究者提出了多种探索动物合作行为的方法和系统，包括基于食物拉杆的系统和基于运动协调的系统。

2、在基于食物拉杆的系统中，两只动物分别被放置在两个物理隔离笼子中，笼子四周一般采用透明、栅格或网格材料，两只动物可以相互看到对方；每一个笼子中都有一个食物拉杆，每个笼子中的食物拉杆控制另一个笼子中的食物位置。动物经过禁食之后，具有对食物的需求。一只动物控制食物拉杆，可以将食物传递到伙伴动物可以触碰的位置；即每一只动物只能帮助伙伴动物获得食物，而不能直接使自身获得食物。两只动物需要交替拉动食物拉杆，为对方提供获得食物的机会，实现合作获得食物。上述现有技术的缺点如下：缺点1：两只动物被物理隔离，不能实现无束缚地自由互动，不符合自然场景下的动物合作行为。缺点2：动物自身不能直接获得奖励，需要与伙伴协同获得奖励，该规则比较隐晦，动物需要长时间的训练才能学会合作，实验效率不高。缺点3：不适用于两只以上啮齿类动物的群体合作行为实验。

3、在基于运动协调的系统中，两只动物分别被放置在两个物理隔离的狭长笼子中，两个笼子并排放置，笼子四周一般采用透明、栅格或网格材料，两只动物可以相互看到对方；动物经过禁水之后，具有对糖水的需求。狭长笼子的一段为起始端，另一端为奖励端；两只动物同步地从起始端运动到奖励端，可以在奖励端获得糖水奖励；只有一只动物从起始端运动到奖励端、或者两只动物的运动不同步，都不能触发糖水奖励。通过训练之后，两只动物学会同步运动，同时从起始端运动到奖励段，获得糖水奖励。上述现有技术具有以下缺点：缺点1：两只动物被物理隔离，不能实现无束缚地自由互动，不符合自然场景下的动物合作行为。缺点2：动物自身不能直接获得奖励，需要与伙伴协同获得奖励，该规则比较隐晦，动物需要长时间的训练才能学会合作，实验效率不高。缺点3：不适用于两只以上啮齿类动物的群体合作行为实验。缺点4：该技术方案中动物协同运动的定义不够明确具体，包括协同运动的速度、同步运动程度等，不同的动物(如大鼠和小鼠)通常具有不同的参数，缺乏对各类啮齿类动物的普适性。

技术实现思路

1、针对已有动物合作行为技术方案中动物之间不能实现无束缚自由互动、实验效率低下的问题，本申请实施例提供了一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，能够分析无任何物理隔开的自由活动状态下啮齿类动物的合作行为，实现闭环全自动的训练和测试，能够实现两只及两只以上动物的合作行为研究。

2、本申请实施例提供了一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，包括：动物实验箱和基于图像的控制系统；所述动物实验箱包括无盖的实验箱，实验箱的底面为长方形或者正方形，所述动物实验箱底部的角落设置有奖励区域，所述奖励区域上覆盖有电击板，在所述奖励区域的角落设置有饮水装置，所述奖励区域的尺寸与动物的身体长度满足预设条件，使得动物进入所述奖励区域才能获得饮水机会；

3、所述基于图像的控制系统包括依次连接的监控摄像头、图像实时分析单元和电击控制单元，所述监控摄像头用于记录动物在实验箱中的运动，所述图像实时分析单元用于实时分析动物的运动状态，所述电击控制单元与电击板连接，用于控制电击板是否给出电击。

4、其中，所述图像实时分析单元用于：

5、s1：通过监控摄像头，抓取实验箱中的图像；

6、s2：根据监控摄像头抓取的图像，检测实验箱中所有的动物和动物对应的位置；

7、s3：对于s2中检测到的每一只动物，分别计算动物身体与奖励区域重叠部分的像素面积area1与动物身体面积area2；计算两个区域的比值ratio＝area1/area2；对面积比值设定阈值thre，如果ratio≥thre，则认为该动物已经进入奖励区域；对s2中所有检测到的动物重复本步骤的操作，得到进入奖励区域的动物数量num-reward；

8、s4：判断是否有两只以及两只以上动物进入奖励区域，如果num-reward≥2，则进入s5；如果num-reward＜2，则进入s1；

9、s5：当监测到两只及两只以上动物同时进入奖励区域中时，所述图像实时分析单元向电击控制单元发送信息，所述电击控制单元产生电击信号，所述电击板对进入奖励区域的动物造成电击，使所有已经进入奖励区域的动物为了逃避电击离开奖励区域，同时也不再能获得饮水。

10、其中，动物身体与奖励区域重叠部分的像素面积area1与动物身体面积area2比值的阈值thre的取值区间为0.75-1。

11、其中，所述图像实时分析单元还用于：在检测动物过程中，接收手动输入的动物个体的数量。

12、其中，所述奖励区域为矩形，所述电击板的覆盖面积与奖励区域的大小一致。

13、其中，所述奖励区域的尺寸为动物身体长度的2-3倍，使得动物进入所述奖励区域才能获得饮水机会

14、其中，根据实验动物的运动速度选择监控摄像头的成像帧率，监控大鼠与小鼠的运动状态选择15-30hz帧率的摄像头。

15、其中，所述图像实时分析单元的分析速度用分析一帧图像所需时间来描述，需要根据实验动物平均运动速度进行调节，对于小鼠或大鼠，图像实时分析单元中分析一帧图像所需的时间控制在0.5-1.0秒范围内。

16、其中，所述电击控制单元采用栅格电击板。

17、其中，电击的强度根据实验动物类型进行调节，小鼠的电击强度为0.1-0.5ma，大鼠的电击强度为0.5-1.0ma。

18、本申请实施例用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置具有如下有益效果：

19、本申请能够分析无任何物理隔开的自由活动状态下啮齿类动物的合作行为，实现闭环全自动的训练和测试，能够实现两只及两只以上动物的合作行为研究。

技术特征：

1.一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，包括动物实验箱和基于图像的控制系统；所述动物实验箱包括无盖的实验箱，实验箱的底面为长方形或者正方形，所述动物实验箱底部的角落设置有奖励区域，所述奖励区域上覆盖有电击板，在所述奖励区域的角落设置有饮水装置，所述奖励区域的尺寸与动物的身体长度满足预设条件，使得动物进入所述奖励区域才能获得饮水机会；

2.根据权利要求1所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述图像实时分析单元用于：

3.根据权利要求2所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，动物身体与奖励区域重叠部分的像素面积area1与动物身体面积area2比值的阈值thre的取值区间为0.75-1。

4.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述图像实时分析单元还用于：在检测动物过程中，接收手动输入的动物个体的数量。

5.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述奖励区域为矩形，所述电击板的覆盖面积与奖励区域的大小一致。

6.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述奖励区域的尺寸为动物身体长度的2-3倍，使得动物进入所述奖励区域才能获得饮水机会。

7.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，根据实验动物的运动速度选择监控摄像头的成像帧率，监控大鼠与小鼠的运动状态选择15-30hz帧率的摄像头。

8.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述图像实时分析单元的分析速度用分析一帧图像所需时间来描述，需要根据实验动物平均运动速度进行调节，对于小鼠或大鼠，图像实时分析单元中分析一帧图像所需的时间控制在0.5-1.0秒范围内。

9.根据权利要求1-3任一项所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，所述电击控制单元采用栅格电击板。

10.根据权利要求9所述用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，其特征在于，电击的强度根据实验动物类型进行调节，小鼠的电击强度为0.1-0.5ma，大鼠的电击强度为0.5-1.0ma。

技术总结本发明提供了一种用于啮齿类动物合作行为训练和测试的装置，包括动物实验箱和基于图像的控制系统；动物实验箱包括无盖的实验箱，动物实验箱底部的角落设置有奖励区域，奖励区域上覆盖有电击板，在奖励区域的角落设置有饮水装置，奖励区域的尺寸与动物的身体长度满足预设条件，使得动物进入奖励区域才能获得饮水机会；基于图像的控制系统包括：监控摄像头，用于记录动物在实验箱中的运动，图像实时分析单元，用于实时分析动物的运动状态，电击控制单元，用于控制电击板是否给出电击。本申请能够分析无任何物理隔开的自由活动状态下啮齿类动物的合作行为，实现闭环全自动的训练和测试，能够实现两只及两只以上动物的合作行为研究。技术研发人员：苏峰,田永路,滕俊琳,陈建国受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11