【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光遗传，具体涉及一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统及方法。
技术介绍
1、深部脑刺激(deep brain stimulation，dbs) 在临床方面用于治疗神经系统的相关疾病已有数十年历史。但是，大脑状态是不可预测的，且不同个体之间具有较大的差异，为此，将闭环光遗传与深部脑刺激相结合的技术应运而生。闭环光遗传是光遗传学技术中的一种，用于控制和调控生物体的神经活动或细胞功能。闭环光遗传的基本原理是将光感受蛋白质和细胞内信号通路相连，通过光刺激触发光感受蛋白质的活性，进而激活或抑制特定的细胞内信号通路。闭环光遗传技术可以用于研究神经系统的功能和行为，例如通过控制特定神经元的活动来研究其在行为中的作用，它还可以用于改善和治疗神经系统的相关疾病，例如多动症、帕金森、焦虑症、抑郁症等。闭环光遗传与深部脑刺激的结合是一种更加准确、有效的治疗策略，其使用持续的反馈来更新刺激方案，避免了过度的刺激治疗。闭环光遗传学中利用神经活动的同步性，在闭环反馈环路中通过监测指标引导刺激，实时决定如何以及何时进行光遗传学刺激。
2、目前，现有技术多采用电极数据作为反馈信号实现光刺激的闭环调控，对其他方法实现光刺激的闭环调控的研究较少，但是电信号的数据采集和处理较为复杂，需要增加复杂的处理电路，且电信号容易受到各种噪音和干扰的影响，例如电磁干扰、动物运动等行为的干扰或者神经元活动的交叉干扰等。与此同时，长时间使用植入脑组织的电极可能会导致电极与脑组织之间的漂移或移位，从而导致反馈信号的准确性下降。
技
1、针对上述技术问题，本专利技术提出了一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统及方法，创造性地将光遗传技术与动物行为学原理相结合，旨在使得光刺激的闭环调控取得良好的行为效应的同时降低光刺激的闭环调控的复杂度、减轻各种干扰的影响。
2、本专利技术采用如下技术方案：一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，包括：
3、图像采集模块，用于获取目标动物的图像数据；
4、位置跟踪模块，所述位置跟踪模块与所述图像采集模块连接，所述位置跟踪模块用于基于所述图像数据计算目标动物的重心位置；
5、行为分析模块，所述行为分析模块与所述位置跟踪模块连接，所述行为分析模块用于标定行为干预的目标区域的坐标范围，并将所述目标动物的重心位置与目标区域的坐标范围相匹配，根据匹配结果生成对应的光刺激模式；
6、光遗传刺激装置，所述光遗传刺激装置的输入端与所述行为分析模块连接，所述光遗传刺激装置的输出端通过光纤与目标动物的预设脑区连接，所述光遗传刺激装置用于根据所述光刺激模式对目标动物的预设脑区进行光刺激。
7、其中，行为干预的目标区域是指动物行为实验装置中设定的特定位置或区域，用于表现探究动物的行为表现和内在动机之间的关系，可以根据具体的行为干预需求进行标定。例如，在高架十字迷宫实验中，在开放臂和闭合臂的活动时间反映了动物对于保护区域的偏好与探索新环境的内在动机之间的冲突，若动物长期处于闭合臂，通常表现为产生更高程度的恐惧；若动物长期处于开放臂，则可能为过度活跃的表现。动物行为实验装置还可以采用旷场、水迷宫等其他动物行为实验常用的装置。
8、本专利技术的技术构思为：首先，由图像采集模块获取目标动物在行为实验装置中的图像数据，以观察和记录目标动物的行为表现，其次，由位置跟踪模块根据获取的图像数据计算目标动物的重心位置，对目标动物的移动轨迹进行跟踪，接着，通过行为分析模块对行为干预的目标区域的坐标范围进行标定，并将位置跟踪模块计算的目标动物的重心位置与目标区域的坐标范围相匹配，匹配结果要么匹配要么不匹配，再根据匹配结果生成对应的光刺激模式，最后，由光遗传刺激装置根据行为分析模块生成的光刺激模式对目标动物的预设脑区进行光刺激，从而对目标动物的行为表现进行干预。因此，图像采集模块、位置跟踪模块、行为分析模块、光遗传刺激装置与目标动物之间形成了一个闭环反馈环路。
9、本专利技术创造性地将光遗传技术与动物行为学原理相结合，利用动物行为的同步性，即动物个体或群体在特定环境或情境下表现出与神经活动相似或协调的行为模式，在闭环反馈环路中通过监测动物行为的重心位置引导光刺激的执行，无需对目标动物额外植入电极等器件，提供了一种简单易用、降低各种干扰的影响、能够实现长时间干预和监测并取得良好的行为效应的哺乳动物行为干预的闭环光遗传方法及系统。
10、作为优选，所述位置跟踪模块包括：
11、特征提取单元，用于基于所述图像数据提取所述目标动物的轮廓特征；
12、重心计算单元，用于基于所述目标动物的轮廓特征计算目标动物的重心位置。
13、作为优选，所述特征提取单元中提取的目标动物的轮廓特征包括目标动物的轮廓像素点的坐标，则所述重心计算单元中基于所述目标动物的轮廓特征计算目标动物的重心位置，包括：
14、计算全部所述轮廓像素点的坐标的加权平均值，得到目标动物的重心像素坐标；
15、将所述重心像素坐标转换为以图像采集模块为原点的归一化坐标系下的重心位置坐标，记为目标动物的重心位置。
16、作为优选，所述行为分析模块中将所述目标动物的重心位置与目标区域的坐标范围相匹配，根据匹配结果生成对应的光刺激模式，包括：
17、判断所述目标动物的重心位置是否落入目标区域的坐标范围，若所述目标动物的重心位置未落入目标区域的坐标范围，则生成第一光刺激模式，所述第一光刺激模式用于诱导目标动物进入目标区域，若所述目标动物的重心位置落入目标区域的坐标范围，则生成第二光刺激模式，所述第二光刺激模式用于维持目标动物的自然行为。
18、作为优选，所述行为分析模块包括调制图案生成单元，所述调制图案生成单元与所述光遗传刺激装置的输入端连接，所述调制图案生成单元用于生成所述第一光刺激模式和第二光刺激模式对应的调制图案并根据生成的光刺激模式将所述第一光刺激模式对应的调制图案或第二光刺激模式对应的调制图案输入所述光遗传刺激装置，所述调制图案用于控制光的定向，以实现光纤出光；
19、所述光遗传刺激装置用于根据输入的调制图案对目标动物的预设脑区进行光刺激。
20、一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传方法，包括以下步骤：
21、获取目标动物的图像数据；
22、基于所述图像数据计算目标动物的重心位置；
23、标定行为干预的目标区域的坐标范围；
24、将所述目标动物的重心位置与目标区域的坐标范围相匹配，根据匹配结果生成对应的光刺激模式；
25、根据所述光刺激模式对目标动物的预设脑区进行光刺激。
26、作为优选，基于所述图像数据计算目标动物的重心位置的方法包括：
27、基于所述图像数据提取所述目标动物的轮廓特征；
28、基于所述目标动物的轮廓特征计算目标动物的重心位置。
29、作为优选，所述目标动物的轮廓特征包括目标动物本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，所述位置跟踪模块包括：
3.如权利要求2所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，
4.如权利要求1所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，
5.如权利要求4所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，
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8.如权利要求7所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传方法，其特征在于，
9.如权利要求6所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传方法，其特征在于，
10.如权利要求9所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传方法，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，所述位置跟踪模块包括：
3.如权利要求2所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，
4.如权利要求1所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，
5.如权利要求4所述的一种哺乳动物行为干预的闭环光遗传系统，其特征在于，<...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱玥，武泽楠，斯科，
申请(专利权)人：杭州领脑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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