一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠-觉醒检测系统、方法与应用技术方案

本发明专利技术公开了一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
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觉醒检测系统、方法与应用


[0001]本专利技术涉及小型啮齿动物行为检测方法，特别是睡眠
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觉醒行为，具体涉及一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
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觉醒检测系统、方法及应用。

技术介绍

[0002]睡眠是由多种大脑结构和神经递质产生的最常见的生物节律。准确检测睡眠
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觉醒对了解动物健康中间信息、认知和损伤恢复的中间信息以及制备相关方面的模型至关重要。人类睡眠周期的检测方法主要是无创性仪器，包括脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和眼电图（EOG）等。然而，对啮齿动物睡眠
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觉醒的研究可依赖的信号较少，主要是给动物造成创伤性的EEG和EMG。这两种方法的监测步骤如下：（a）外科手术：将电极植入动物头部或四肢肌肉处；（b）动物恢复；（c）将动物连接到记录装置上并适应一段时间。然而，电极植入的外科手术危害动物健康，例如体重减轻等，不利于动物的福利福祉，这些必要的恢复期和适应期费时费力，不利于大规模筛查动物睡眠模式。此外，监测EEG和EMG需要专业的外科手术知识、了解电极放置的位置以及收集睡眠评分数据所需的专用设备。因此，亟需开发无创性的系统或者方法检测啮齿动物的睡眠模式。
[0003]目前，已经建立的监测动物睡眠
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觉醒节律的方法均存在弊端。例如，Flores等人将压力传感器贴在笼子底部，并根据压力传感器接收的信号识别睡眠和觉醒时期。该方法的原理是，动物处于睡眠阶段，压力传感器可准确输出呼吸频率，信号峰值平稳且较小；动物处于觉醒阶段，呼吸被其他运动掩盖，压力传感器输出的信号是大幅峰值。依据不同信号峰值，推断动物所处的活动状态。虽然这种方法可以大规模的监测动物行为，但特殊设备和定制软件的需求可能会限制这种方法的应用。再者，无创性的视频跟踪系统已被广泛应用，即在荧光染发剂或漂白剂标记动物后，使用摄像机录制行为视频，应用特定的软件分析动物的睡眠
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觉醒行为。但人工标记动物耗时（间隔一段时间后需重新标记），且需要在动物无意识时标记，这可能会影响动物行为。因此，视频跟踪方法也存在较多弊端。

技术实现思路

[0004]针对当前创伤性的脑电图法、弊端较多的压力传感器法和视频跟踪方法，本专利技术提供一种基于红外旷场和计算机辅助结合的无创性的系统、方法和应用，该系统与方法是一种无创的、高通量的睡眠监测方法，可研究啮齿动物的睡眠
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觉醒节律行为。
[0005]1.一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
‑
觉醒检测系统，包括：
①ꢀ
数据收集单元：将黑线仓鼠放置于与电脑相连接的红外旷场中，红外旷场测试系统每0.2秒监测仓鼠位置坐标，收集24 h下黑线仓鼠的位置坐标（x, y）并导入Excel表格中；
②ꢀ
数据处理单元：此单元的目的是将数据收集单元中的坐标数据转化为速度数据，以统计黑线仓鼠的睡眠
‑
觉醒节律。首先将24 h位置坐标数据平均分成48个半小时的位
置坐标数据（每个表格9000个点）。然后使用Python语言编写的程序“sleep
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wake”，根据公式（）将坐标数据转换为速度数据，每半小时统计一次黑线仓鼠连续40秒以上为速度为0的时间并求和，即可计算仓鼠在每半小时内的睡眠时长。最终使用作图软件（例如GRAPH PRISM 7.0），绘制黑线仓鼠在24 h内的睡眠
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觉醒节律。
[0006]2. 用于坐标数据处理和统计动物睡眠时长的程序“sleep
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wake”。
[0007]所述“数据处理单元”通过用户操作程序“sleep
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wake”，对导出的坐标数据进行处理，即可将黑线仓鼠在24 h中的坐标数据转换为速度数据。每半小时统计一次黑线仓鼠连续40秒以上为速度为0的时间并求和，即可计算仓鼠在每半小时内的睡眠时长。
[0008]执行的步骤为：（1）导出黑线仓鼠的位置坐标数据，并平均分为48份，每个表格拥有9000个位置坐标点。
[0009]（2）使用程序“sleep
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wake”，将位置坐标数据转化为速度数据记为速度1[v1，v2，v3……
，v
9000
],速度2[v1，v2，v3……
，v
9000
],速度3[v1，v2，v3……
，v
9000
],
…………………………………
，速度48[v1，v2，v3……
，v
9000
],（3）获取每0.2秒下的速度值，将每个速度中相邻数据中连续超过200个为0对应的时间段，即为统计连续40秒以上速度为0的时间求和，得到半小时内黑线仓鼠的睡眠时长，其他时间为觉醒时长。
[0010]本专利技术公开了检测系统检测黑线仓鼠的睡眠
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觉醒规律的方法。
[0011]本专利技术公开了一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
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觉醒检测系统在制备睡眠
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觉醒方面的药物、制备动物模型等方面的应用。
[0012]有益效果本系统与方法对比现有技术具有以下显著优点：1. 使用Python语言编写程序对数据进行处理，可以在短时间内得到所有数据，大大缩短实验周期。
[0013]2. 运用坐标数据结合Python程序分析和定义黑线仓鼠的睡眠
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觉醒节律。
[0014]3. 与脑电图法相比，本专利技术是无创的，不需要手术干预，更加省时省力。
[0015]4. 与压电传感器方法进行比较，对于设备与软件要求更低，更适合大范围推广。
[0016]5. 与视频跟踪系统相比，不需要标记动物，对动物的行为不会产生影响。
附图说明
[0017]附图1所示为本专利技术所需的实验装置及动物操作示意图。A表示红外旷场检测程序（ACTITRACK program；Panlab，Harvard Apparatus，Spain），该系统通过与电脑B和红外旷场C（IR Actimeter；Panlab，Harvard Apparatus，Spain）相连接，每0.2秒可直接检测动物的位置坐标并保存在电脑B上。D表示黑线仓鼠。将黑线仓鼠放在旷场中适应1小时后，同时打开A和B，监测其24 h内的睡眠
‑
觉醒节律。
[0018]附图2所示为本专利技术的Python程序“sleep
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wake”代码示意图。A表示“sleep
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wake”代码，将黑线仓鼠在红外旷场中的每半小时内的位置坐标（x，y）表格B（.txt，每只动物48个表格）导入C软件PyCharm中，使用程序A即可将坐标点转换为速度数据并得到仓鼠在半小时内的睡眠时长。
[0019本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
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觉醒检测系统，其特征在于，包括：
①
数据收集单元：将黑线仓鼠放置于与电脑相连接的红外旷场中，红外旷场测试系统每0.2秒监测仓鼠位置坐标，收集24 h下黑线仓鼠的位置坐标（x, y）并导入Excel表格中；
②
数据处理单元：将24 h速度数据平均分成48个半小时的速度数据（每个表格9000个位置坐标）；基于Python，将坐标数据转化为速度数据，统计每个表格中黑线仓鼠连续40秒以上速度为0的时间并求和，即可计算仓鼠在每半小时内的睡眠时长与觉醒时长，得到黑线仓鼠睡眠
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觉醒节律特征。2.根据权利要求1所述一种基于红外旷场和Python分析的黑线仓鼠睡眠
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觉醒检测系统，其特征在于，每半小时统计一次黑线仓鼠连续40秒以上速度为0的时间的执行步骤为：（1）将速度组记为：速度1[v1，v2，v3……
，v
9000
],速度2[v1，v2，v3……
，v
9000

【专利技术属性】
技术研发人员：吴明，朱涵毅，徐来祥，薛慧良，徐金会，陈蕾，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：