動物視覺學習認知自動訓練評估系統(tǒng)

師 黎，王永瑞，羅 勇

(鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州450001)

0 引言

腦科學的研究是本世紀的科學前沿領域，學習認知功能是其中非常重要的研究內(nèi)容.學習認知功能涉及到大腦對感知信息的編碼、整合、存儲及利用等多個復雜過程，表現(xiàn)出生物感知系統(tǒng)獨特優(yōu)秀的可塑性機制.由于視覺是動物感知外界環(huán)境的最主要渠道，因此，基于視覺的學習認知功能研究已成為目前腦科學研究領域的重點問題及重要研究方向之一［1］.該研究對于揭示腦的工作機制具有重要的理論研究意義［2］，在生物、醫(yī)藥和軍事等領域有著重要的實際應用價值.

近年來，越來越多的研究者關注動物視覺學習認知功能的研究.他們通過開發(fā)并設計各種實驗裝置及實驗方案，以期揭示相關的視覺學習認知機制，并把這些實驗裝置和實施方案廣泛用于篩選影響認知行為的藥物以及探討藥物對認知行為的作用機理等研究中［3］.動物視覺學習認知實驗的基本設計原理是通過視覺刺激和動物行為之間的關系來研究和強化動物的視覺學習認知、學習記憶等功能，并通過建立行為學指標對動物的學習認知能力進行評估和篩選［4］.早在上世紀六十年代德國科學家G?etz［5］便針對果蠅的視覺學習認知訓練設計了視覺飛行模擬器.2000年加拿大萊斯布里奇大學的研究者們設計了針對大鼠的被迫式潛水選擇實驗裝置［6］.2004年他們又設計了視動實驗裝置［7］，以實現(xiàn)對成年或幼年大鼠的視功能進行快速評估.以上這些早期的實驗裝置自動化水平較低，無論是實驗方案調(diào)整、實驗過程控制還是實驗結果記錄分析都需要耗費大量的人力和物力.

針對這些問題，近年來研究者們進行了新型實驗系統(tǒng)的設計與開發(fā).2010年哈佛大學醫(yī)學院設計了圖像刺激舔食實驗［8］，頭部固定的大鼠被訓練去舔前方刺激器的特定位置.2008年中國科技大學設計了用于對小鼠的學習記憶能力進行測試的環(huán)形平臺［9］.2011年沈陽醫(yī)學院開發(fā)了閉合旋轉式迷宮的動物記憶訓練系統(tǒng)［10］.2009年浙江大學開發(fā)了用于非人靈長類動物行為學習訓練裝置，通過視覺刺激、搖桿檢測和給水犒賞的方式對獼猴等非人靈長類動物的行為學習進行訓練［11］.這些實驗系統(tǒng)的自動化水平有所提高，但是這些系統(tǒng)都是針對各自的實驗目的來設計的，所適用的實驗對象和實驗方案都較為單一，且實驗結果的分析及對動物學習認知能力的評估功能都比較薄弱.

因此，筆者開發(fā)了一套動物視覺學習認知自動訓練評估系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對包括嚙齒類、靈長類等動物基于視覺任務的學習認知行為自動訓練及其認知能力自動評估等功能.該系統(tǒng)具有無人職守、自動高效、通用可靠、分析評估功能完善等特點，目前已在以大鼠為研究對象的視覺學習認知實驗中取得了較好的效果.

1 系統(tǒng)總體設計概況

系統(tǒng)總體結構如圖1所示，由監(jiān)控子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩部分組成.其中監(jiān)控子系統(tǒng)包括PC機和攝像頭兩部分.PC機配有兩個液晶顯示器，一個用于顯示PC端的主控操作和攝像頭監(jiān)控的畫面，另一個用于顯示刺激圖像.PC端主控操作軟件主要用于實驗中參數(shù)的設置、實驗過程的控制以及實驗結果的分析.控制子系統(tǒng)采用C8051F320單片機作為主控芯片，使用電容式觸摸屏(電容屏)和紅外光電開關采集動物對刺激圖像的反應結果，通過電磁閥進行投食犒賞或對其施加聲光刺激懲罰.PC機和單片機通過USB線纜通信.

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)的運行原理:首先，系統(tǒng)根據(jù)實驗方案設定視覺刺激圖像，并在顯示屏上顯示.實驗對象在受到視覺圖像刺激后通過觸摸屏進行反應，完成認知或其它學習任務;然后，系統(tǒng)根據(jù)其采集到的反應結果進行相應的獎懲刺激;實驗結束后，系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行自主分析并給出對應的評估結果.

2 監(jiān)控子系統(tǒng)設計

監(jiān)控子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制終端，采用Visual C++開發(fā)，軟件結構如圖2所示.軟件采用多線程編程方式，可支持1～4個實驗箱同時連接到同一PC端進行實驗，有效地節(jié)約了上位機資源和實驗成本.

實驗方案設定模塊對實驗方案進行新建編輯保存等操作.根據(jù)動物學習認知訓練的要求，本系統(tǒng)提供3種類型的實驗方案，分別針對單幅圖片刺激、雙圖分左右屏刺激、視頻顯示刺激3種實驗模式.方案設置均使用簡潔的文件選擇方式，使軟件操作簡單，界面友好.方案文件最終以INI文件的格式進行保存，方便實驗前進行加載.

圖2 監(jiān)控子系統(tǒng)結構Fig.2 Structure ofmonitoring subsystem

實驗過程控制模塊對實驗過程進行實時控制，實現(xiàn)實驗方案的加載、實驗過程的起?？刂?、實驗中實時數(shù)據(jù)的顯示等功能，并且可以通過攝像頭對實驗過程進行監(jiān)控和錄像.實驗人員通過這一模塊可以對整個實驗過程進行方便的操控和監(jiān)測.

數(shù)據(jù)儲存分析模塊包括實驗前實驗動物檔案錄入、實驗中實驗數(shù)據(jù)實時記錄以及實驗后對實驗結果統(tǒng)計分析3個部分.本模塊選擇ACCESS數(shù)據(jù)庫進行動物檔案和實驗數(shù)據(jù)的記錄.實驗人員信息和動物信息在實驗前由實驗人員進行錄入，而實驗時間、實驗結果、正確率等信息則由控制軟件根據(jù)實驗結果自動進行計算和存儲.實驗結束后生成的結果文件為本次實驗過程中實驗數(shù)據(jù)的實時記錄，以Excel表格格式存儲.實驗結果經(jīng)過軟件統(tǒng)計分析后以圖表的方式提供給實驗人員，進而按照預先設定的評估方案和篩選標準給出評估篩選建議供實驗人員參考，實現(xiàn)實驗結果的自動評估功能.

3 控制子系統(tǒng)設計

控制子系統(tǒng)的主要功能為通過USB通訊接收來自監(jiān)控子系統(tǒng)的控制指令，按照指令要求對電容式屏、電磁閥、紅外光電開關、聲光刺激電路等外圍器件進行驅動控制，并把實驗中檢測采集到的數(shù)據(jù)實時的回傳至PC端.

3.1 硬件設計

控制子系統(tǒng)硬件整體結構如圖3所示.主控芯片C8051F320單片機內(nèi)部集成了USB功能控制器，不需要外部器件便可以實現(xiàn)與PC端的USB通訊.這款芯片還支持SMBus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這種協(xié)議與IIC通信協(xié)議相兼容，從而可以滿足與電容屏進行通信的要求.

圖3 控制器硬件電路方框圖Fig.3 Hardware structure of Controller

電源部分采用DC12 V和USB總線5 V雙電源供電，兩個電源之間通過光耦進行隔離，從而防止DC12 V電路對低壓控制部分以及計算機的USB口產(chǎn)生影響.

相比于已有的搖桿等檢測裝置或其他人工記錄動物反應的方法，觸摸屏技術通用性強，可以適用于更多種類的實驗對象.同時觸摸屏技術還可以消除大部分由于實驗者的人為因素造成的失誤或錯誤［3］，從而為實現(xiàn)無人職守自動訓練提供了重要條件.考慮到不同實驗動物的觸碰力度有所不同，為了避免因觸碰力度太小導致的數(shù)據(jù)采集失敗，本系統(tǒng)選用了電容式觸摸屏檢測動物觀看刺激圖像后的反應.

紅外光電開關用于檢測動物是否位于有效的進食區(qū)域.動物投食裝置使用電磁式放水閥，與儲水瓶導管配合，可以控制牛奶、水等液體食物的投放，適用于大多數(shù)實驗動物的投食犒賞.由高亮LED和蜂鳴器組成聲光刺激電路用于對動物進行懲罰.

3.2 軟件設計

控制子系統(tǒng)軟件主要包括USB通訊、電容屏驅動、電磁閥控制、聲光紅外控制4個部分.其中USB通訊和電容屏驅動是最重要的部分.

主程序主要完成系統(tǒng)時鐘、端口、定時器的配置和外設的初始化工作.在這些工作結束之后程序進入中斷等待狀態(tài)，涉及的中斷主要包括USB通信中斷和電容屏觸發(fā)的外部中斷兩種.USB通信中斷程序流程圖如圖4所示.

電容屏初始化操作結束之后，當其檢測到有效碰觸信號時將會觸發(fā)單片機的外部中斷，在單片機的中斷程序中對電容屏相應緩存區(qū)進行讀取即可獲得動物碰觸的坐標值，并且在控制器接收到查詢指令時進行回傳.與此同時控制器會根據(jù)動物判斷結果的正誤和紅外光電開關檢測動物是否位于有效投食位置來控制電磁閥進行相應的投食犒賞或驅動蜂鳴器和高亮LED進行聲光刺激懲罰.

圖4 USB通訊中斷程序流程圖Fig.4 The flow chart of USB interrupt p rogram

4 通信協(xié)議設計

本系統(tǒng)PC端和單片機之間采用USB通信方式，通信協(xié)議包括PC端至單片機和單片機至PC端兩個部分，分別如表1和表2所示.

表1 PC端至單片機的數(shù)據(jù)幀Tab.1 Frame from PC to MCU

表2 單片機至PC端的數(shù)據(jù)幀Tab.2 Frame from MCU to PC

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

以大鼠為例，基于以上給出的設計原理及實現(xiàn)步驟，開發(fā)了動物視覺學習認知自動訓練評估系統(tǒng).系統(tǒng)實物圖如圖5所示，其中圖5(a)為系統(tǒng)整體實物圖，圖5(b)為控制器部分實物圖.

圖5 系統(tǒng)實物圖Fig.5 Physical diagram of the system

實驗箱采用自制的有機玻璃制作，實驗箱一側開窗用于安裝電容屏，電容屏上方安裝控制器和聲光刺激電路;實驗箱另一側安裝投食控制裝置和紅外光電開關，上方安裝攝像頭，攝像頭連接至計算機.計算機與兩個顯示器相連，用于人機交互的顯示器置于箱體外部，用于顯示刺激圖像的顯示器裝在實驗箱觸摸屏的后方與觸摸屏貼緊.投食控制裝置由儲水瓶、電磁閥、紅外光電開關和食盤組成，儲水瓶與電磁閥進水口連接，電磁閥出水口連接導管，導管的出水口位于食盤上方.紅外光電開關安裝于食盤上方一側.電容屏、紅外光電開關、電磁閥和聲光刺激電路均通過導線與控制器連接，控制器通過USB線與計算機連接，計算機安裝有自主開發(fā)的監(jiān)控評估軟件.

6 動物實驗及結果

為了驗證本系統(tǒng)的有效性，選取兩只雄性LE大鼠作為實驗對象，編號分別為25-1和25-2.實驗前均進行嚴格的限食控水，實驗過程中使用水作為犒賞.實驗進度安排為每只大鼠每日進行兩次實驗，每次實驗時長約30 min，實驗時間設定為上午8:30～10:30之間，兩次實驗正確率的平均值作為當天的實驗結果.

筆者設計的視覺學習任務共分為兩個階段:第一階段采用一屏單圖的刺激模式，實驗過程中交叉出現(xiàn)正弦光柵和灰屏，訓練大鼠在出現(xiàn)光柵的時候觸屏視為正確，并給予獎勵;第二階段設為一屏雙圖的模式進行刺激，光柵和簡單圖形隨機的出現(xiàn)在屏幕左右兩側，大鼠需要識別光柵出現(xiàn)的位置，并在對應的位置進行觸屏，才會給予獎勵.由于第一階段為進入第二階段的基礎，在本文只有當?shù)谝浑A段正確率達到85%以上并穩(wěn)定時才可以進入第二階段進行訓練.監(jiān)控評估軟件對實驗大鼠30 d內(nèi)兩個階段的正確率分別進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結果分別如圖6(a)和圖6(b)所示.

圖6 實驗正確率統(tǒng)計Fig.6 Correct rate statistics of the experiments

第一階段單圖刺激模式下兩只大鼠的實驗結果基本一致，實驗初期大鼠需要5～6 d的時間適應環(huán)境和實驗裝置，正確率很快便達到50%以上，10 d左右正確率已基本可以穩(wěn)定在80%以上，再經(jīng)過4～5 d的鞏固，最終兩只大鼠的正確率都能達到90%左右，符合軟件限定的進入下一階段的要求.

由于第二階段一屏雙圖的刺激模式需要大鼠對不同圖像進行辨識，難度較大，所以大鼠在實驗初期正確率較低.由正確率曲線可以看出，總體上正確率還是逐漸增長的趨勢，最終正確率可以達到70%左右，這表明大鼠對特定圖形的辨識能力和敏感程度已經(jīng)有了顯著提高.通過兩只大鼠的正確率曲線對比可以看出，在這一階段25-1的正確率要優(yōu)于25-2，這表明25-1的視覺學習認知能力要優(yōu)于25-2，評估軟件自動完成對兩只大鼠的實驗結果分析對比，給出評估結果，有效降低了實驗人員的工作量.

7 結論

本系統(tǒng)利用可視化編程技術，實現(xiàn)了無人職守、穩(wěn)定可靠、自動高效的上位機平臺，實現(xiàn)了1～4個實驗箱同時連接到同一PC端進行實驗的功能，有效地節(jié)約了資源和人力成本.電容屏的采用使本系統(tǒng)可以針對多種實驗動物開展視覺學習認知實驗，通用性強.投食犒賞和刺激懲罰的精確控制，更加有利于強化動物的學習訓練結果.實驗方案的靈活設置和實驗結果的自動分析評估為實驗人員開展研究提供了很大的便利.總之，本系統(tǒng)成本低，可擴展性強，對于動物視覺學習認知研究具有重要意義，并且具有很好的市場推廣價值.

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