強迫游泳系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種強迫游泳系統，包括強迫游泳容器、感應電流發生裝置、感應電流采集裝置以及中央控制裝置；感應電流發生裝置包括纏繞在強迫游泳容器外壁中部的線圈以及用于固定在實驗動物后腳上的磁鐵；感應電流采集裝置與感應電流發生裝置連接，用于實時采集線圈中的感應電流，并將感應電流傳輸至中央控制裝置；中央控制裝置用于實時分析感應電流，中央控制裝置能根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。上述強迫游泳系統能實時監測實驗動物不動、潛水、游泳或爬壁四種行為狀態。
【專利說明】強迫游泳系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療器械【技術領域】，特別是涉及一種強迫游泳系統。
【背景技術】
[0002]強迫游泳系統能用于研究實驗動物(如大、小鼠）在一個局限的環境內（如水中）的具體行為。例如，將實驗動物放于強迫游泳系統中，動物通常表現出不動(動物四肢不動漂浮于水面，僅頭部露出水面呼吸)、潛水(動物整個身體沉于水下)、游泳(動物在水中四處游動)、爬壁(動物前爪劃動水面，碰觸游泳缸壁）等四種行為狀態。剛開始，動物試圖掙扎逃避，主要表現出潛水、游泳、爬壁等行為狀態，一段時間后，實驗動物產生了明顯的“行為絕望”，表現出典型的“不動狀態”。研究表明，實驗動物的不動時間和潛水時間的百分比可以用來分析實驗動物的抑郁狀態。因此，實驗動物在強迫游泳中的行為狀態常常用來作為抑郁狀態的行為學檢測指標，在神經藥理學中主要用來進行抗抑郁、焦慮、止痛藥物的研發與篩選。
[0003] 經實驗證明不同機制的抗抑郁藥影響不同的行為狀態，如地昔帕明和馬普替林（NE再攝取抑制劑）可選擇性增加大鼠的爬壁行為，而氟西汀（5-H T再攝取抑制劑）可選擇性增加大鼠的游泳行為。因此，需要提供能對實驗動物不動、潛水、游泳、爬壁等四種行為狀態進行全面監測的強迫游泳系統。
[0004]傳統的強迫游泳系統大多采用雙攝像俯拍與側拍相結合的視頻裝置以及游泳壁的微小震動監測感應器來監測實驗動物的行為狀態。傳統的強迫游泳系統具有一定的技術優勢，但也存在一定的局限性。圖片像素點分析圖片需要后期的大量工作，不能實時量化各種行為學的狀態以及各種狀態間的差異。通過強迫游泳缸壁的震動感應器來實現對于動物狀態的判斷存在時間上的分辨率，不能實時監測動物的行為狀態，動物在產生了一個動作傳到或者直接碰觸缸壁引起震動，本身存在一定的時間間隔。另外對于動物潛于水下不動與漂浮不動對于缸壁都沒有引起震動，那么在統計過程中沒辦法將這兩種狀態通過震動感應器來區分。

【發明內容】

[0005]基于此，有必要提供一種能實時監測實驗動物不同行為狀態的強迫游泳系統。
[0006]一種強迫游泳系統，包括強迫游泳容器、感應電流發生裝置、感應電流采集裝置以及中央控制裝置；
[0007]所述感應電流發生裝置包括纏繞在所述強迫游泳容器外壁中部的線圈以及用于固定在實驗動物后腳上的磁鐵；
[0008]所述感應電流采集裝置與所述感應電流發生裝置連接，用于實時采集線圈中的感應電流，并將所述感應電流傳輸至所述中央控制裝置；
[0009]所述中央控制裝置用于實時分析所述感應電流，所述中央控制裝置能根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。[0010]在其中一個實施例中，所述中央控制裝置包括感應電流分析模塊，所述中央控制裝置通過所述感應電流分析模塊實時分析所述感應電流。
[0011]在其中一個實施例中，所述強迫游泳容器為圓柱體形，所述強迫游泳容器的材質為透明玻璃或透明塑料。
[0012]在其中一個實施例中，所述強迫游泳容器的直徑和高分別為30cm和40cm，所述線圈為直徑為32. 5cm的銅制線圈，所述線圈的匝數為10匝，所述磁鐵的質量為2g。
[0013]在其中一個實施例中，所述強迫游泳容器的直徑和高分別為18. 5cm和25cm，所述線圈為直徑為21cm的銅制線圈，所述線圈的匝數為10匝，所述磁鐵的質量為lg。
[0014]在其中一個實施例中，所述中央控制裝置還包括數據存儲模塊，所述數據存儲模塊包括四個分別用于存儲實驗動物處于不動、潛水、游泳及爬壁四個狀態數據的存儲單元，所述數據包括每個狀態出現的次數、相應次數的持續時間以及相應次數的感應電流。
[0015]在其中一個實施例中，所述強迫游泳系統還包括用于記錄實驗動物處于強迫游泳實驗中視頻數據的攝像裝置；
[0016]所述攝像裝置包括攝像機，所述攝像機設置在所述強迫游泳容器的上方；
[0017]所述中央控制裝置還包括視頻分析模塊；
[0018]所述攝像裝置將采集的視頻數據傳輸至所述中央控制裝置中，所述中央控制裝置通過所述視頻分析模塊對所述視頻數據進行分析。
[0019]在其中一個實施例中，所述強迫游泳系統還包括光刺激裝置，所述刺激裝置包括波形發生器、微型激光器以及用于植入實驗動物頭部的光纖；
[0020]所述波形發生器與所述`中央控制裝置連接；
[0021]所述中央控制裝置控制所述波形發生器發射波形函數，所述波形發生器控制所述微型激光器根據所述波形函數發射相應波長、強度、時程以及波形的激光信號，所述激光信號通過所述光纖傳輸至實驗動物頭部中，對實驗動物頭部導入有光敏感基因的細胞進行光刺激。
[0022]在其中一個實施例中，所述微型激光器發射的激光的波長為473nm或593nm，所述波形為方波或脈沖波。
[0023]使用上述強迫游泳系統進行強迫游泳實驗時，先在強迫游泳容器內裝入適量的水，以便進行強迫游泳實驗。在實驗動物的其中一只后腳上固定上合適大小的磁鐵。當實驗動物處于不動狀態時，磁鐵與線圈之間不產生相對運動，感應電流發生裝置中的感應電流為零。而當實驗動物處于潛水、游泳或爬壁狀態時，磁鐵與線圈之間產生相對運動，感應電流發生裝置產生感應電流，而潛水、游泳或爬壁狀態產生的感應電流不同（感應電流的大小與方向不同時相同)。感應電流采集裝置將實時采集的感應電流傳輸至中央控制裝置，中央控制裝置實時分析感應電流，并根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。因此，上述強迫游泳系統能實時量化不動、潛水、游泳及爬壁四種行為狀態。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖I為一實施方式的強迫游泳系統的結構框架圖；
[0025]圖2為圖I中的強迫游泳系統的結構示意圖。【具體實施方式】
[0026]為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以多種不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
[0027]需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
[0028]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的【技術領域】的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0029]如圖I及圖2所示，一實施方式的強迫游泳系統10包括強迫游泳容器100、感應電流發生裝置200、感應電流采集裝置300、中央控制裝置400、攝像裝置500以及光刺激裝置600。強迫游泳系統10用于對實驗動物20進行強迫游泳實驗。其中，實驗動物20可以為大鼠（長度為18~20cm,重量為180~250g)或小鼠（長度為10~15cm,重量為15~30g)。
[0030]在本實施方式中，強迫游泳容器100為圓柱體形。圓柱體形強迫游泳容器100，能有效減少實驗動物20在強迫游泳容器100運動的障礙，同時也有利于保證實驗動物20處于同一狀態下的感應電流具有相同的變化規律。可以理解，在其他實施方式中，強迫游泳容器100也可以為長方體形。
[0031]進一步，強迫游泳容器100的材質為透明玻璃或透明塑料，以便于觀察處于強迫游泳容器100內的實驗動物20。
[0032]當實驗動物20為大鼠時，強迫游泳容器100的直徑和高分別優選為30cm和40cm。當實驗動物20為小鼠時，強迫游泳容器100的直徑和高分別優選為18. 5cm和25cm。
[0033]感應電流發生裝置200包括纏繞在強迫游泳容器100外壁中部的線圈210以及用于固定在實驗動物20后腳上的磁鐵220，磁鐵220能相對于線圈210運動。在對實驗動物20進行強迫游泳實驗時，當實驗動物20處于潛水、游泳或爬壁狀態時，磁鐵220與線圈210之間產生相對運動，感應電流發生裝置200產生感應電流。而當實驗動物20處于不動狀態時，磁鐵220與線圈210之間不產生相對運動，感應電流發生裝置200中的感應電流為零。
[0034]當實驗動物20為大鼠時，線圈210為直徑為32. 5cm的銅制線圈，線圈210的匝數為10膽，磁鐵220的質量為2g。而當實驗動物20為小鼠時，線圈210為直徑為21cm的銅制線圈，線圈210的匝數為10匝，磁鐵220的質量為lg。
[0035]感應電流采集裝置300與感應電流發生裝置200連接，用于實時采集線圈210中的感應電流，并將感應電流傳輸至中央控制裝置300。
[0036]中央控制裝置400用于實時分析感應電流，其能根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物20處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。
[0037]在本實施方式中，中央控制裝置400包括感應電流分析模塊410、數據存儲模塊420以及視頻數據分析模塊430。感應電流采集裝置300將實時采集的感應電流傳輸至感應電流分析模塊410，感應電流分析模塊410對感應電流進行實時分析。并根據感應電流確定實驗動物20處于何種狀態以及在此狀態下持續的時間。例如，當感應電流為零時，實驗動物20處于不動狀態。當感應電流不為零時，實驗動物20處于游泳、潛水或爬壁狀態。其中，處于游泳與爬壁狀態下的感應電流方向與處于潛水狀態下的感應電流方向相反，而處于爬壁狀態下的感應電流方向變化相對頻繁。感應電流方向的改變情況以及感應電流的數值達到某個狀態的臨界值可以作為確定某種狀態的持續時間。
[0038]數據存儲模塊420包括四個分別用于存儲實驗動物20處于不動、潛水、游泳及爬壁四個狀態數據的存儲單元。其中，數據包括每個狀態出現的次數、相應次數的持續時間以及相應次數的感應電流。
[0039]進一步，為了確保上述強迫游泳系統10實時監測實驗動物20得到的結果更準確，在本實施方式中，上述強迫游泳系統10還設有輔助監測的攝像裝置500。攝像裝置500用于記錄實驗動物20處于強迫游泳實驗中的視頻數據，包括設置在強迫游泳容器100的上方攝像機（圖未示)。攝像裝置500將采集的視頻數據傳輸至視頻數據分析模塊430，視頻分析模塊430對視頻數據進行分析。
[0040]刺激裝置600包括波形發生器610、微型激光器620以及用于植入實驗動物20頭部的光纖630。波形發生器610與中央控制裝置600連接。中央控制裝置600控制波形發生器610發射波形函數，波形發生器610控制微型激光器620根據波形函數發射相應波長、強度、時程以及波形的激光信號，激光信號通過光纖傳輸至實驗動物20頭部中，對實驗動物20頭部導入有光敏感基因的細胞進行光刺激。其中，光纖630與可植入式光纖陶瓷插芯632配合使用，以便于光纖630植入實驗動物20的頭部。
[0041]光遺傳技術的主要原理：首先采用基因技術將光敏感基因轉入到神經裝置中特定類型的細胞中進行表達，使其在細胞膜 上形成特殊的離子通道。這些離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。光遺傳學調控技術具有高時空分辨率和細胞選擇性。
[0042]在對實驗動物20進行光刺激前，需要事先在實驗動物20頭部的神經細胞中導入光敏感基因。光敏感基因導入到相關回路的神經元內并表達，其中，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)0微型激光器發射波長為473nm的光信號（藍色激光）刺激表達有興奮型通道蛋白基因的神經元，將興奮該類神經元；微型激光器620發射波長為593nm的光信號（黃色激光）刺激表達有抑制型通道蛋白基因的神經元，將抑制該類神經元。從而干擾整個神經環路的功能，達到調控實驗動物20焦慮、抑郁等行為狀態的目的。
[0043]使用上述強迫游泳系統10進行強迫游泳實驗時，先根據實驗動物20的大小確定合適大小的強迫游泳容器100，并在強迫游泳容器100內裝入適量的水，以便進行強迫游泳實驗。在實驗動物20的其中一只后腳上綁上合適大小的磁鐵220。當實驗動物20處于不動狀態時，磁鐵220與線圈210之間不產生相對運動，感應電流發生裝置200中的感應電流為零。而當實驗動物20處于潛水、游泳或爬壁狀態時，磁鐵220與線圈210之間產生相對運動，感應電流發生裝置200產生感應電流，而潛水、游泳或爬壁狀態產生的感應電流不同(感應電流的大小與方向不同時相同)。感應電流采集裝置200將實時采集的感應電流傳輸至中央控制裝置400，中央控制裝置400實時分析感應電流，并根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。因此，上述強迫游泳系統10能實時量化不動、潛水、游泳及爬壁四種行為狀態。
[0044]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的 保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種強迫游泳系統，其特征在于，包括強迫游泳容器、感應電流發生裝置、感應電流采集裝置以及中央控制裝置； 所述感應電流發生裝置包括纏繞在所述強迫游泳容器外壁中部的線圈以及用于固定在實驗動物后腳上的磁鐵； 所述感應電流采集裝置與所述感應電流發生裝置連接，用于實時采集線圈中的感應電流，并將所述感應電流傳輸至所述中央控制裝置； 所述中央控制裝置用于實時分析所述感應電流，所述中央控制裝置能根據感應電流的大小及方向來確定實驗動物處于不動、潛水、游泳或爬壁狀態。
2.根據權利要求1所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述中央控制裝置包括感應電流分析模塊，所述中央控制裝置通過所述感應電流分析模塊實時分析所述感應電流。
3.根據權利要求1所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述強迫游泳容器為圓柱體形，所述強迫游泳容器的材質為透明玻璃或透明塑料。
4.根據權利要求3所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述強迫游泳容器的直徑和高分別為30cm和40cm,所述線圈為直徑為32. 5cm的銅制線圈,所述線圈的阻數為10 BL所述磁鐵的質量為2g。
5.根據權利要求3所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述強迫游泳容器的直徑和高分別為18. 5cm和25cm，所述線圈為直徑為21cm的銅制線圈，所述線圈的匝數為10匝，所述磁鐵的質量為lg。
6.根據權利要求1所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述中央控制裝置還包括數據存儲模塊，所述數據存儲模塊包括四個分別用于存儲實驗動物處于不動、潛水、游泳及爬壁四個狀態數據的存儲單元，所述數據包括每個狀態出現的次數、相應次數的持續時間以及相應次數的感應電流。
7.根據權利要求1所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述強迫游泳系統還包括用于記錄實驗動物處于強迫游泳實驗中視頻數據的攝像裝置； 所述攝像裝置包括攝像機，所述攝像機設置在所述強迫游泳容器的上方； 所述中央控制裝置還包括視頻分析模塊； 所述攝像裝置將采集的視頻數據傳輸至所述中央控制裝置中，所述中央控制裝置通過所述視頻分析模塊對所述視頻數據進行分析。
8.根據權利要求1所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述強迫游泳系統還包括光刺激裝置，所述刺激裝置包括波形發生器、微型激光器以及用于植入實驗動物頭部的光纖； 所述波形發生器與所述中央控制裝置連接； 所述中央控制裝置控制所述波形發生器發射波形函數，所述波形發生器控制所述微型激光器根據所述波形函數發射相應波長、強度、時程以及波形的激光信號，所述激光信號通過所述光纖傳輸至實驗動物頭部中，對實驗動物頭部導入有光敏感基因的細胞進行光刺激。
9.根據權利要求8所述的強迫游泳系統，其特征在于，所述微型激光器發射的激光的波長為473nm或593nm，所述波形為方波或脈沖波。
【文檔編號】A01K15/02GK103478006SQ201310452222
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】王立平, 劉雪梅, 潘建青, 周政 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院