CN104173047B - 网络化多计算机协同行为电生理实验*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种行为电生理实验***，包括：一个或多个行为电生理实验单元，计算控制服务器，以及数据库服务器；其中，所述行为电生理实验单元包括一台主控计算机和受控实验设备，所述主控计算机控制所述受控实验设备，以给予实验动物刺激信号，并实时采集和记录所述实验动物的行为信息和电生理实验数据；所述计算控制服务器与所述主控计算机通过主控局域网络相连接，接收所述主控计算机传送的行为信息和电生理实验数据并进行分析和计算；所述数据库服务器通过主控局域网络与所述计算控制服务器相连接，用以存储计算控制服务器传来的数据与信息。本发明能够有效地提高行为电生理实验的准确性、高效性，以及监管的即时性。

Description

网络化多计算机协同行为电生理实验***

技术领域

本发明涉及利用多台电脑组成的立体网络进行行为电生理实验的***及其相关的方法，属于神经科学领域。

背景技术

现代的行为电生理实验室普遍已经使用了计算机，其自动化程度比传统大为提高。但通常的行为电生理实验是由一台电脑通过CPU分时的方法(伪实时)控制几种实验设备，无法实现真正的实时给予多种实验刺激和采集多种实验数据的功能。

例如，在给予动物光和声音刺激时记录动物行为录像(25帧/秒，640×480分辨率，颜色深度24bit)以及多通道脑电信号(采样频率是1KHz/通道，通道数一般在10个以上)，如果用一台电脑(不论是否多核CPU)控制实验设备同时兼顾数据采集和/或数据分析(参见图三)，通常录像数据都会有掉帧的情况(CPU核越少或主频越低或内存越小，则掉帧现象越严重)，或同时伴有脑电信号短时间漏采(漏采量取决于模数转换板(AD板)卡上的存储大小以及CPU读取AD板上数据的速度)。

另一个问题是，如果要研究脑电信号不同通道之间以及脑电与动物行为间同步的问题，只用一台电脑控制设备兼采样会导致各种信号之间发送的延迟和数据采集的延迟，这种延迟会导致数据分析的结果产生无法估计的***性误差。

再者，传统的行为电生理实验***只能够在实验完成后数小时或者一两天后才可知道实验的结果。若实验策略需要根据实验结果及时修正研究方案的话，这样的方法效率就比较低。

最后，在传统的行为电生理实验中，如果实验室负责人需要了解实验室内部各个实验小组当前实验进行的情况，可以在每间实验单元内加装监控录像，但这只能够看到现场，而并不能了解实验具体进行的情况，例如，实验结果是不是符合预期、实验人员的操作是否有误，等等。

因此，为了提高行为电生理学实验的准确度和实验效率，加强对实验的监管，有必要采用新的实验***和方法，以弥补前述传统方法的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：为克服上述传统方法的缺陷，本发明提供一种准确、高效，以及便于即时监管的行为电生理实验***及方法。本发明利用计算机网络和计算控制服务器，以及配合相应的软件，***地组织多台计算机构成相互协同的行为电生理实验***，以提高行为电生理实验的准确性、高效性，以及监管的即时性。

本发明提供了一种行为电生理实验***，包括：一个或多个行为电生理实验单元、计算控制服务器、以及数据库服务器。其中，所述行为电生理实验单元包括一台主控计算机和受控实验设备，所述主控计算机控制所述受控实验设备，以给予实验动物刺激信号，并实时采集和记录所述实验动物的行为信息和电生理实验数据。所述计算控制服务器与所述主控计算机通过主控局域网络相连接，接收所述主控计算机传送的所述实验数据并进行分析和计算。所述数据库服务器通过主控局域网络与所述计算控制服务器相连接，用以存储计算控制服务器传来的数据与信息。

本发明还提供了一种行为电生理实验***，所述行为电生理实验单元还包括一台或多台工作计算机，所述主控计算机通过单元内局域网络和/或串口直连的方式控制所述工作计算机，由所述工作计算机控制所述实验设备以给予所述实验动物刺激信号、实时采集所述实验动物的所述实验数据并将所述实验数据传送回所述主控计算机。优选地，所述行为电生理实验单元还包括网络监控摄像机，所述网络监控摄像机通过所述主控局域网络与所述计算控制服务器相连。

另一方面，本发明还包括一套统一编写的行为电生理实验软件，所述实验软件至少包括：实时实验控制模块，安装在所述主控计算机和所述工作计算机上，负责控制所述实验设备实时开展行为实验和采集所述实验数据，并在实时实验任务的间隙将采集到的所述实验数据传送给所述计算控制服务器；数据接收模块，安装在所述计算控制服务器上，负责响应各个所述实验单元内所述主控计算机的请求，接收其发送过来的所述实验数据并将该实验数据存储在所述计算控制服务器的存储器中，同时根据其计算请求，将这些请求传送给并行化数据计算分析模块，使数据得到及时的计算分析，最后再将计算分析的结果传送给各所述实验单元的所述主控计算机；所述并行化数据计算分析模块，安装在所述计算控制服务器上，具有多种与行为电生理有关的计算组件，根据所述主控计算机的请求凋用相应的组件完成计算；以及数据传送模块，安装在所述计算控制服务器上，负责将需要长久保存的动物信息、所述实验数据和(/或)实验场景的录像传送到所述数据库服务器上。

优选地，所述统一编写的行为电生理实验软件还包括：影像接收模块，该影像接收模块安装在所述计算控制服务器上，负责接收实验单元内网络监控摄像机的影像数据并在所述计算控制服务器的界面上实时显示相应实验单元内的实验场景。

在本发明的实施例中，所述计算控制服务器是多核服务器或小型机。

本发明提供了一种准确、高效，以及便于即时监管的行为电生理实验***及方法，具有以下有益效果：本发明利用计算机网络和计算控制服务器，以及配合相应的软件，***地组织多台计算机构成相互协同的行为电生理实验***，以提高行为电生理实验的准确性、高效性，以及监管的即时性。

附图说明

图1是本发明的硬件连接示意图。

图2是本发明的信息流和数据流图，以及软件功能模块图。

图3是传统方法的硬件连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明。

本发明提供一种准确、高效，以及便于即时监管的行为电生理实验***及方法。本发明利用计算机网络和计算控制服务器，以及配合相应的软件，***地组织多台计算机构成相互协同的行为电生理实验***，以提高行为电生理实验的准确性、高效性，以及监管的即时性。

行为电生理学领域对于实验的实时性要求非常高，主要是在以下几个方面：首先，大脑神经细胞工作的并行性要求研究人员对于脑电信息和动物行为信息的采集必须有足够快的速度，也就是说要保证信号采集的同步性、实时性。例如，为保证同步性，需要将脑电信号各个通道的误差控制在1ms以内，肢体运动信号的时间间隔控制在10ms以内，录像信号每帧间的间隔控制在20ms以内等；其次，对于研究者来说，实验结果分析速度越快，越有利于研究人员根据实验的结果及时作出调整，从而使得实验的效率提高，即实验管控的实时性。虽然不同的行为电生理实验可能采用不同的策略，但通常来说，数据分析的结果最好能够在几分钟内获得并显示出来；最后，实验室管理的实时性。如果实验室负责人需要了解实验室内部各个实验小组当前实验进行的情况，传统的方法是在每间实验单元内加装监控摄像机，但这只能够看到现场情况而不知道实验具体进行的情况，例如，实验结果是不是符合预期、实验人员的操作是否有误，等等。因此，如果实验室负责人能够不进入各个实验单元就可以知道实验进行的具体情况，对于实验的管理来说会很有帮助。

本发明所涉及的行为电生理实验***由相关的硬件部分和软件部分构成。根据实验目的的不同，该***的硬件部分可以包含一个或多个行为电生理实验单元，其中每个行为电生理实验单元的硬件结构可以不完全相同，如图一所示。

一般来说，这样的***中的每个单元均包含有：一台主控计算机(HOST)，一台或多台被控制设备(计算机显示器、脑电放大器、喇叭等)，以及连接主控计算机的主控局域网络(S-NET)；可选地，这些单元还可以包含有：单元内部局域网络(I-NET)，以及一台或者多台工作计算机(WORKER)。

本发明中，无论是计算控制服务器连接各单元主控计算机的主控局域网络，还是单元内部局域网络，都是一般技术人员所熟知的局域网。但是主控局域网络的特点是速度快、数据流量大(至少是千兆以上的网速)；而各单元内部局域网络的特点是速度较快，数据流量不大(可以是百兆甚或是十兆网速)。主控局域网络的带宽必须能够满足实验单元数据传送和分析结果回传速度的需要，也必须保证实验监控录像不产生超过2秒的延迟；而单元内部局域网络的带宽必须保证设备控制和数据传输速度都在实验允许的误差范围以内。为满足这些要求，单元内部的主控计算机上必须至少有两块网卡分别接入主控局域网络和单元内部局域网络。

如果一个实验单元没有工作计算机，则由主控计算机主控所有实验设备和采集所有实验信号。如果有工作计算机，则主控计算机通过单元内部局域网络和/或串口直连的方式控制工作计算机，其中只有一台工作计算机同时通过单元内部局域网络(I-NET)和串口直连接受主控计算机的控制，其余工作计算机则通过单元内部局域网络接受控制。由工作计算机给予实验动物刺激信号、实时采集动物的行为电生理数据、记录实验动物的运动信息和行为录像以及根据动物行为对动物施以奖惩等。在本发明的一个具体实施方案中，作为辅助，主控计算机也可以控制设备和采集数据。通常，在行为电生理实验中，一个完整的实验由很多次测试组成，在每次测试结束后的短时间间隔(通常是几秒钟)内，主控计算机自动将从工作计算机获得的或者由自身直接获得的实验数据通过高速、高通量的S-NET向计算控制服务器(C-SERVER)传送数据并接收服务器传来的数据分析结果。

在行为电生理实验中，上述硬件结构需要按照行为电生理实验的特点，经由相关软件统一。对此需要编写统一的行为电生理实验框架软件安装在计算控制服务器和主控计算机上，并在此基础上针对不同的实验内容添加不同的模块，以供研究人员选择。上述实验框架软件的编写，完全可以由本领域技术人员利用熟悉的电脑语言，例如，C、C++、PASCAL、BASIC语言等，根据实验的具体需要来完成。

根据本发明的一个实施方案，如图二所示，各个行为电生理实验单元与计算控制服务器(C-SERVER，多核服务器或者小型机)通过高速(千兆以上速度)、高通量的主控局域网络(S-NET)相连接；此外，计算控制服务器还通过S-NET与一个专门存储实验数据与监控信息的数据库服务器(D-SERVER)相连，以用于大量或长期的数据存取。根据本发明的一个具体实施方案，各个行为电生理实验单元内还包含网络监控摄像机，所述网络监控摄像机可以通过主控局域网络和计算控制服务器相连，以便于实验室负责人对各实验单元进行视频监控。

计算控制服务器包含有许多功能模块，例如数据接收模块、并行化数据计算分析模块、影像接收模块以及数据传送模块等。其功用举例说明如下：

数据接收模块：负责响应各个实验单元内主控计算机的请求，接收其发送过来的实验数据并将该实验数据存储在计算控制服务器的存储器中；同时根据主控计算机的计算请求，将这些请求传送给并行化数据计算分析模块，使数据得到及时的计算分析，最后再将计算分析的结果传送给各实验单元的主控计算机。为了让实验室负责人了解实验的实时进展，数据分析的结果可以同步显示在计算控制服务器的显示界面上。

并行化数据计算分析模块：负责对接收到的实验数据和计算请求进行分类计算处理，并把计算分析后的结果通过数据接收模块传送回去。

影像接收及显示模块：负责接收实验单元内网络监控摄像机的影像数据，并且在计算控制服务器界面上实时显示相应实验单元内的实验场景，以利于实验室负责人监控各个实验单元内实验的进展情况。这些影像数据可以根据需要决定是否存储在计算控制服务器上。

数据传送模块：这个模块的任务是把需要长久保存的动物信息、实验数据和(/或)实验场景的录像传送到独立于计算控制服务器的安全地方，包括传送到上述数据库服务器上，防止数据在计算控制服务器上占用大量空间，也防止在计算控制服务器上因为某些意外导致数据被损坏。

另外还有一些其他的小模块，例如，接收实验单元内温湿度信息的模块等等，以便将这些信息显示在计算控制服务器的界面上供实验室负责人参考。

具体的行为电生理实验在实验单元中进行。经过编写的任务执行程序(例如，控制实验设备、给予视听刺激、采集行为电生理信号等)安装在主控计算机或工作计算机上。主控计算机上一般含有实验设备实时控制模块和非实时的数据传送(至C-SERVER)模块；工作计算机上同样有实验设备实时控制模块和非实时的数据回传(至HOST)模块。所述实时实验控制模块用于实时开展行为实验并采集实验数据，所述非实时数据传送模块用于在实时的实验任务间隙将采集到的信息和实验数据传送给计算控制服务器。主控计算机以及工作计算机启动后，应以主控计算机为基准进行时间同步、设备检测和设备初始化等工作，也将通过S-NET和计算控制服务器建立起通讯关系。

上述行为电生理实验***，利用了立体的组织方式，通过多种连接方式，包括串口直连和局域网，使得行为电生理实验的准确度、效率以及可监管性得到大幅度的提高，尤其是在该实验对于时间的要求很高的情况下(例如需要区别毫秒级别的信号行为差异时)，这种改善尤其明显。

传统的行为电生理实验***中，如图三所示，仅使用一台电脑(不论是否多核)进行各项任务，包括控制各种实验设备，采集各类行为电生理信号以及进行信号分析处理。因此，在一些给予声音、颜色刺激的同时进行电生理记录同时进行行为录像的实验中，一些实验条件稍微苛刻，如录像尺寸稍大(例如，640×480)，每秒帧数稍多(例如，大于30帧/秒)，将导致实验的实时性无法保证。另外，在计算机采集数据的时候，如果还需要进行数据分析计算，则对于稍微复杂一些的运算，CPU也会不胜负荷。但是，采用本发明提供的行为电生理实验***，可以在数据采集的同时，利用计算控制服务器在每次测试后都能够及时得到计算后的结果，所花费的时间，主要就是数据传出、结果传入和计算控制服务器数据分析的时间。在本发明的一个具体的实施例中，计算控制服务器CPU核数超过48核以后，对于20通道的脑电数据记录，上述的多通道同步性及相关性计算可以在10秒钟内完成，这个速度是普通电脑(双核)处理速度的24倍以上。

本发明涉及提供一种进行行为电生理实验的方法，该方法涉及利用多尺度嵌套的、立体化的计算机网络，通过局域网络或串口直连的方式，将实验设备、主控计算机以及计算控制服务器***地连接起来，在相应的软件***控制下，构成协作的行为电生理实验***来完整地进行行为电生理实验，包括刺激信号的准时给予、实验数据的实时采集、实验数据的在线分析和反馈、以及实验数据的安全存储和实验进度的精确监控。必要时，该方法还包括在行为电生理实验单元中使用工作计算机进一步协助主控计算机来给予刺激、采集数据和处理信号，以及利用数据库服务器来存储所获得的实验数据等。利用该行为电生理的实验方法，可以显著提高行为电生理实验的准确度、效率以及可监管性。

实施例

一个猕猴运动皮层电生理实验，需要记录猕猴肢体运动的轨迹以及对应大脑皮层的脑电信号，以期了解大脑皮层神经细胞如何控制肢体运动。实验过程如下：动物在看到显示器上出现图形之后，按规定顺序触摸屏幕上的图形，电脑在判断动物的触摸行为正确后控制数模转换板(DA板)打开电磁阀开关，给动物一滴水的奖励。在动物完成整个行为任务过程中，脑皮层电脉冲数据被从模数转换板(AD板)读出后存储在计算机中。

根据本发明，设计的实验***使用了三台电脑分别完成不同的工作：工作计算机A用于显示复杂的图形、控制给水阀门开关、记录动物肢体运动的坐标轨迹等；工作计算机B用于采集多通道脑电和运动肢体的肌电数据；主控计算机C则把采集到的实验数据(脑电、肌电和行为数据等)传送到计算控制服务器并在几秒钟后接收服务器的计算结果。实验设备与计算机之间的接口因具体设备而异，但是主控计算机需要使用不同的网卡和网段分别连接工作计算机和计算控制服务器。采用这种实验设备连接方式，可以使脑电信号采集的通道数扩大很多，并且实验人员也可以尽快(1～5分钟，所需时间主要是等待动物完成一定数量的行为任务，真正计算的时间在30秒以内)知道采集到的脑电信号是否和动物的肢体运动相关，如果相关，实验则继续下去，如果无关，则实验人员就会把脑电极挪动到脑的其他位置再做记录。这样可以极大地加快实验的进度，提高实验效率。

另外，实验数据临时存储在计算控制服务器上，为安全起见，计算控制服务器通过另外的网卡和网段与数据库服务器相连。根据需要，动物信息、实验数据与实验影像等将传送到数据库服务器上长期保存。

对比实验：如果使用传统方法，在采样频率不变的前提下，为使数据能够同步采集，设置的采样通道不可太多，需要显示的图形也不可太复杂，而且还不能要求电脑临时计算产生图形，只能在实验任务开始前就调入预先生成好的少量图片到计算机内存中等候使用。在每次实验任务结束后，如果需要同一台电脑进行数据分析计算，因计算方法的复杂程度不同，通常情况下需要5～30分钟的时间(所需时间主要用于数据的分析计算)。若进行更复杂的计算，有时约需1小时左右。另外，由于实验数据存储在本地计算机上，一旦这台计算机出现故障或受到计算机病毒的侵袭，数据的完整性就会受到极大的威胁。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语和一些方位词，但这些术语和方位词只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种行为电生理实验***，包括：

一个或多个行为电生理实验单元、计算控制服务器、以及数据库服务器，其中，

所述行为电生理实验单元包括一台主控计算机和受控实验设备，所述主控计算机控制所述受控实验设备，以给予实验动物刺激信号，并实时采集和记录所述实验动物的实验数据，该实验数据包括行为信息和电生理实验数据，

所述行为电生理实验单元还包括一台或多台工作计算机，所述主控计算机通过单元内局域网络和/或串口直连的方式控制所述工作计算机，由所述工作计算机控制所述实验设备以给予所述实验动物刺激信号、实时采集所述实验动物的所述实验数据并将所述实验数据传送回所述主控计算机，

所述计算控制服务器与所述主控计算机通过主控局域网络相连接，接收所述主控计算机传送的所述实验数据并进行分析和计算，并且

所述数据库服务器通过所述主控局域网络与所述计算控制服务器相连接，用以存储计算控制服务器传来的数据与信息。

2.如权利要求1所述的行为电生理实验***，其中，所述行为电生理实验单元还包括网络监控摄像机，所述网络监控摄像机通过主控局域网络与所述计算控制服务器相连。

3.如权利要求1所述的行为电生理实验***，还包括：

实时实验控制模块，安装在所述主控计算机和所述工作计算机上，负责控制所述实验设备实时开展行为实验和采集所述实验数据，并在实时实验任务的间隙将采集到的所述实验数据传送给所述计算控制服务器；

数据接收模块，安装在所述计算控制服务器上，负责响应各个实验单元内的所述主控计算机的请求，接收其发送的所述实验数据并将该实验数据存储在计算控制服务器的存储器中，同时根据其计算请求，将这些请求传送给并行化数据计算分析模块，使数据得到及时的计算分析，最后再将计算分析的结果传送给所述各实验单元的所述主控计算机；

所述并行化数据计算分析模块，安装在所述计算控制服务器上，具有多种与行为电生理有关的计算组件，能根据所述主控计算机的请求调用相应的组件完成计算；以及

数据传送模块，安装在所述计算控制服务器上，负责将需要长久保存的动物信息、所述实验数据和/或实验场景的录像传送到所述数据库服务器上。

4.如权利要求3所述的行为电生理实验***，还包括：

影像接收模块，该影像接收模块安装在所述计算控制服务器上，负责接收所述实验单元内的网络监控摄像机采集的影像数据并在所述计算控制服务器界面上实时显示相应所述实验单元内的实验场景。

5.如权利要求1所述的行为电生理实验***，其中，所述计算控制服务器是多核服务器或小型机。