小鼠学习行为训练的场景调节系统研究

论文总字数：22143字

摘 要

之前用于小鼠学习行为训练的系统由于其非自动化、精度低、可重复性差等缺点而在实际应用中受到限制。为了克服这些缺点，我们设计并建立了一个综合的行为训练系统，可以实时捕捉老鼠的行为，自动改变场景并提供相应的刺激。 本系统可以改变训练环境空间的大小，这是一种创新的方法。此外，可视化的Labview GUI用户友好且易于操作，极大地提高了训练小鼠的效率。

整个系统由两部分组成：基于STM32微处理器的硬件电路和基于Labview的GUI软件。硬件部分用于探索训练场景中的变化是否会影响鼠标的行为选择。 GUI软件界面用于与底层硬件的数据交互，以便研究人员可以实时监控实验的进度。我们以豚鼠为例，相隔固定的时间进行舔水实验。利用本系统进行实验可以判断小鼠对特定的声音和场景否具有感知和辨别能力。给小鼠的特定脑区注入药物，再进行实验还可以研究它们特定脑区的工作机理。在该平台上训练小鼠可以使它们形成条件反射和辨别学习能力。因此，该系统可用作动物行为学研究的自动平台。

关键词： STM32 , Labview，行为训练系统

Abstract

Previous systems for learning behavioral training of mice have been limited in practical applications due to their disadvantages, including non-automation, low accuracy and poor repeatability. In order to overcome these shortcomings, we designed and built an integrated behavior training system which can capture behaviors of mice in real time, automatically change scenes and provide corresponding stimulations. The system can change the size of the training environment space, which is a novel method to change the scenes. In addition, the visualized Labview GUI is user-friendly and easy to operate, which greatly improves the efficiency of mice training.

The whole system consisted of two parts: the hardware circuits based on STM32 microprocessor and the GUI software based on Labview. The hardware section was used to explore whether changes in the training scene can affect the drowning behavior of the mouse. The GUI software interface was used for data interaction with the underlying hardware and real-time imaging so that researchers can monitor the progress of the experiment in real time. We utilized guinea pigs as examples and conducted licking experiments at set intervals. The experiments can study whether mice have the ability to perceive and discriminate the size of the space. Injecting drugs into specific brain regions of mice, and then conducting experiments can also study the working mechanism of their specific brain regions. The mice can be trained to form conditioned reflex and discriminatory learning ability. Therefore, the system can be used for animal behavior research.

KEY WORDS: STM32 , Labview，behavior training system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 动物行为学的研究背景及意义 1

1.2 国内外行为学训练系统的研究现状 2

1.3 本系统的主要内容及优势 2

第二章 动物行为学训练的原理与方法 4

2.1 刺激与操作式条件反射的概念 4

2.2 双替代强制选择的概念与方法 5

2.3 脑区对学习记忆的影响 5

第三章 小鼠学习行为训练系统的设计 7

3.1 系统硬件设计 7

3.1.1 系统开发版简介 7

3.1.2 实验箱设计 8

3.1.3 系统模块设计 12

3.2 系统软件设计 19

3.2.1 单片机程序设计 19

3.2.2 Labview程序设计 20

3.2.3 系统测试结果 22

第四章 小鼠学习行为训练实验与分析 25

4.1实验前准备 25

4.1.1 限制用水 25

4.1.2 饮水训练 25

4.2实验过程与结果分析 26

4.2.1 实验一：研究小鼠对空间大小是否具有感知和判别能力 26

4.2.2 实验二：研究海马体脑区如何影响小鼠的记忆能力 27

第五章 总结与展望 30

5.1 内容总结 30

5.2 系统适用范围与改进方案 30

参考文献 32

致 谢 33

第一章 绪论

本章主要介绍了动物行为学的应用价值和研究历史，然后介绍了国内外动物学习行为训练系统的研究现状，通过对比得出本系统的主要优势。最后简单说明了本文的实验目的和方案以及训练系统的主要功能。

1.1 动物行为学的研究背景及意义

动物行为学，即科学系统地观察和研究动物的各种行为是当今的研究热点。动物行为学与生物、医药、仿生等多个研究领域的内容都有相关性，它的研究成果可以大力促进畜牧业、养殖业的发展，高效率地转化为人类社会的经济效益。在医学疾病模型的评价中，动物行为学的应用是最为广泛的。水迷宫就是著名的用于评价动物学习记忆能力的实验。转棒实验、平衡棒实验也对研究人类的耐受能力和协调能力有很大的积极意义。同时，研究动物的行为变化还能有效地进行地震灾害预警。除此之外，动物行为学的研究还能为有害动物的防止奠定科学基础，为各种有益动物的利用和珍稀濒危动物的保护提供广阔的前景，有利于生态环境的保护和可持续发展。

关于动物行为学的研究由来已久。早在旧石器时代，就有很多人因为兴趣，自发地观察或注意周围不同动物的各种行为，例如动物是如何繁殖、如何觅食、如何迁徙和如何沟通的。17世纪下半叶、18世纪上半叶以来，越来越多的人加入了研究动物的行列。不同的是，他们开始对比不同种动物之间行为的差异，开始描述并模拟动物的行为，有人甚至开始进行动物行为的理论探究。这说明动物行为学已经慢慢形成了一个体系甚至一门学科。18世纪后期，动物行为学分化成了两个不同的学派，还一度就动物行为学研究方法的态度不同而发生过争论。这预示着动物行为学的研究跨入了新纪元。以G.居维叶为首的一部分研究者主张在可控制的实验室条件下对动物的行为进行既定性又定量的科学分析，而以E.G.圣提莱尔为首的另一部分研究者则强调要让动物回到它们原本的生活环境也就是自然中去研究它们的行为才更加合理准确。主张前一学派的大多是生理学家和生理心理学家，如 И.П.巴甫洛夫、美国E.L.桑代克和B.F.斯金纳等。他们在实验室环境下对狗、猴子、小鼠等动物的学习记忆能力和行为选择进行了大量的研究，并分化出了经典条件反射和操作式条件反射两种不同的实验方法^[1]，为后来动物行为学的训练和研究作出了巨大的贡献。后一个学派的代表主要是动物学家，如奥籍德国人弗里施等。他们主张不去人为地控制或设置动物的活动环境，在最天然的条件下进行观察和实验，来探究动物的行为方式。因为在理论上，通过行为方式的生物交互作用是进化的重要动力。

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