自製老鼠行為系統

自製老鼠行為系統

來自專欄原來大腦是這麼工作的：神經科學學術筆記22 人贊了文章

先打個硬廣，https://www.erlichlab.org/2018postdoc.pdf

我在NYU shanghai的實驗室最近想多招一個薄厚，主要做老鼠行為、神經生理，屬於系統神經科學，感興趣的同學可以申請，這個薄厚在上海的待遇還算是非常好的。

神經科學研究中，對老鼠大腦的研究也十分重要。老鼠的大腦相比靈長類更易於研究，為了研究老鼠執行相應認知任務過程中的神經環路，我們需要首先訓練老鼠完成特定設計的相應任務（比如工作記憶、感知、獎賞決策等），然後還需在任務中測量老鼠任務完成情況以及測量電生理等大腦活動，並根據任務要求通過光遺傳等方式控制老鼠行為。因此神經科學的研究中，十分需要老鼠行為、測量與控制系統。

這篇文章主要講講老鼠行為系統-bpod系統的硬體構成，以及我自己在我們學校搭建老鼠行為系統的總結

目前，國際神經科學實驗室主流的老鼠行為研究系統，主要由美國普林斯頓大學Carlos Brody實驗室開發的B-control System派生而來，更主流的由美國紐約的冷泉港實驗室的Joshua Sanders基於B-control System開發的B-Pod，上述系統廣泛的被國際上研究老鼠行為的實驗室。bpod系統是開源的 sanworks/Bpod 我的行為實驗系統就是基於這個開源系統進行的開發

行為系統簡介

老鼠行為系統主要原理是由電腦控制，在特定任務設計下，給予老鼠聲音、視覺、觸鬚觸覺刺激，然後老鼠需要根據設計的策略進行相應的反應，比如舔或者不舔(Lick/no Lick), 舔左邊或者右邊的管子(Lick

left/right)或通過探頭進入特定的洞口(Poke)，來進行反應，而後，根據老鼠反應的正確性，給予老鼠食物或者水（老鼠需要先禁水一段時間）作為獎勵。由機器自動按照策略執行，並設計循序漸進(Stage

by stage)的訓練策略，逐漸的使得老鼠會學會任務，而後通過測量、控制等方式對老鼠神經機制進行研究。

老鼠行為系統主要分為兩種，1）通過鼻觸口（poke port）與老鼠互動的；以及2）通過舔口(可能這翻譯不是很合適)（lickometer）與老鼠互動的。鼻觸口主要用於老鼠的朝向類任務，而為了實現雙光子成像等要求，需要老鼠頭部固定的情況下，舔口也應用越來越多，通過舔口可以使老鼠在頭部固定的情況下，通過舌頭與設備互動。

整體來說，洞口、舔口的基本原理十分類似，都是通過紅外對管探測老鼠的行為。

在洞口中，我們一般應用紅外對管，放置在洞口兩側外圍，老鼠戳入洞口後，紅外線被阻擋，從而可以在紅外對管接收端觀察到信號的變化，從而探測到老鼠的戳入，此時可以通過打開電磁閥等，對老鼠給予水作為獎勵。

舔口原理於此類似。 來源：http://brianisett.com/2016/03/26/diy-lickometer/

但是因為舔口更小，因此紅外對管通過光纖，將紅外線傳入到舔口處，老鼠進行舔的動作時，遮擋一對精確對準光纖中的紅外線傳播，引起紅外對管接收端信號改變，從而探測到老鼠舔的動作，緊接著可以通過打開電磁閥基於水獎賞等，並記錄老鼠動作。

行為系統的系統構成與基本原理

一般來說，行為系統主要由舔口（或洞口），刺激源（聲音，光，鬍鬚觸覺），電路板，控制板(核心板)，控制電腦，獎賞系統（電磁閥與水），視頻系統，資料庫系統等構成。

在進行老鼠行為實驗時，我們需要通過光，或者聲音等給予老鼠一定的提示(cue)，這個由控制電腦驅動控制板，進而驅動刺激源實現。老鼠進行行為響應是，產生的一系列行為時間，成為parse event，也應該全部記錄進入分析。而老鼠完成一個刺激對應的事件響應後（成為一個trial），所有數據上傳進入資料庫。一般來說，針對老鼠設計的任務較為簡單，經過訓練後，在一兩個小時的實驗中，老鼠可以完成將近200-300個trials，一天的訓練稱為一個session。因此我們需要把數據上傳進入資料庫。完成每一個session以後，當前配置的數據也會打包json進入資料庫，後面可以方便的取回來配置，按照以前的進度接著訓練。

整個自定義實驗範式的運行基於有限狀態機的思想，可以確保整個控制系統具有非常強的實時性。在B-control內，這個系統叫RTLSM(Real-Time Linux State Machine)，這也是行為系統的基本原理

簡單來說，整個範式是由很多個狀態構成，比如某個燈亮、發出某個聲音、打開電磁閥使老鼠喝水，這就是一種狀態，老鼠的動作，比如鼻觸，或者定時器到時間，作為不同的事件會觸髮狀態的轉變,，跳轉到特定的某個狀態。

在每個trial開始之前，電腦會像單片機上傳這個用戶自己定義的有限狀態機，然後運行有限狀態機，在這時候電腦不會再發出控制質量，單片機來運行這個trial，保證高實時性。結束時，向電腦發送每個event，state精確的時間戳，供後續分析。

行為系統的各個主要硬體

因為我沒有做舔口，這裡僅僅以配套鼻觸口的行為系統做介紹

1. 鼻觸口的製作

如上圖所示是我的老鼠行為系統主要的三個部件，分別是 鼻觸口主體，鼻觸口外殼與鼻觸口電路板支架，全部使用3D列印技術實現。

鼻觸口主體背面如圖所示：分別包含1）LED通道用於使用不同顏色LED照亮整個鼻觸口，給老鼠提供視覺刺激；2）紅外對管通道，用於放置紅外對管，探測老鼠探入的行為；3）水管通道，用於放置一個供老鼠喝水的毛細鋼管，毛細鋼管通過毛細硅膠管接到電磁閥上，進而接入整個水路；4）固定螺絲通道，用於放置固定螺絲，固定鼻觸口電路板支架與鼻觸口主體。

3D列印的鼻觸口如下

組裝上紅外對管、鼻觸口主體與鼻觸口外殼後的鼻觸口如下圖。

裝入了LED，紅外對管，鼻觸口主體、外殼與電路板支架的鼻觸口如圖，點亮了兩種顏色的LED效果。

鼻觸口的控制電路，主要分為如下幾個模塊1）LED驅動電路；2）紅外對管驅動電路；3）電磁閥相關電路。其中電磁閥主要控制全部在主電路板實現，僅再這裡留下介面。因此，主要部分就是集成LED驅動電路與紅外對管驅動電路。

上圖就是鼻觸口最後的整體電路布局圖，為了便於自己製造，我們全部使用直插的模塊，電阻、三極體等。考慮到方便起見，我們使用網線介面連接bpod主體的電路板和每個鼻觸口，網線RJ45介面非常容易買到。

完成電路板組裝後的鼻觸口，鼻觸口主體伸出的連線直接插到電路板上，電路板再通過網線介面連到bpod主體。

2. 行為系統控制板的製作

Bpod控制板是bpod的核心，運行著實驗的核心部件。控制板主要包含一個單片機MCU，接受電腦發送的有限狀態機任務信息，緊接著運行有限狀態機。

核心部件是一塊Arduino DUE單片機開發版，擴展版pcb可以直接插到arduino due開發版上。擴展板轉換單片機提供的IO介面，轉換到每個PORT的網線介面方式。

並且通過隔離方式接受外部脈衝輸入、提供向外部脈衝輸出，以及擴展串口輸入輸出、電生理記錄同步用輸入輸出等方式。

Bpod控制板還有一個電磁閥驅動電路，由於我們購買的電磁閥是12V

電壓驅動的，我們使用一個TI的移位寄存器擴展SPI介面輸出電磁閥控制命令，同時板載入一個5v-12v直流轉換模塊，用於提供電磁閥所需要的最高電壓，電磁閥低電壓由SPI通過寄存器的擴展輸出提供，低電壓為0時，整體電壓差為12v，相當於電磁閥打開，移位寄存器將SPI擴展為8個，提供最多八路的電磁閥控制。

Bpod控制外界板PCB設計圖如下：

最終成品PCB板如下圖：

下方板子即為單片機開發版，直接插接在擴展板上，擴展板通過網線介面接到每個鼻觸口。

3. 外殼以及外箱的製作

訓練老鼠的設備需要兩層的外殼，內層是直接容納老鼠的盒子，盒子的一面牆壁上安放8枚鼻觸口供老鼠交互，並且要便於拿取老鼠。外箱則更大一些，包含隔音材料，避光材料，為老鼠提供一個非常安靜、無干擾的空間。

基於以上設計理念，內箱成品如下圖：

可以看到，我們直接吧鼻觸口嵌入一面牆壁中，頂蓋透明並且可以抽出，便於觀察與取出老鼠，底蓋有大量洞，方便老鼠排泄物的清理。內箱支架利用3D列印製作，牆壁利用激光切割亞克力完成。

外壁則完全是利用激光切割5mm亞克力板完成，盒內部鋪設隔音屏蔽材料。整體裝置如上圖。

4.整體組裝以及運行

整體組裝後，我們安裝上上位機控制電腦、基於樹莓派的SQL資料庫系統，假設網路服務，對所有電腦設置靜態ip後，通過vnc遠程控制的方式，操作上位機，對老鼠進行訓練。

組裝後，所有的電路板、樹莓派服務都統一安裝在外箱的背面，如下圖

通過外部開口，將網線各個連介面送入箱體內部，連接到每個port上，如下圖

運行訓練老鼠當中的照片如上圖：黑色的outbox上面放了一台intel nuc小電腦，最為控制的上位機，小電腦安裝了ubuntu系統，老鼠行為系統安裝在裡面的matlab里，修改自網上開源的bpod系統 sanworks/Bpod

真實訓練老鼠內景

攝像頭監控內部的同時看到老鼠在get到reward，喝水中：

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