CN110338780A - 无线反馈调控***及方法 - Google Patents

无线反馈调控***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110338780A
CN110338780A CN201810282238.6A CN201810282238A CN110338780A CN 110338780 A CN110338780 A CN 110338780A CN 201810282238 A CN201810282238 A CN 201810282238A CN 110338780 A CN110338780 A CN 110338780A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wireless
regulation
acquisition device
tested animal
control acquisition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810282238.6A
Other languages
English (en)
Inventor
刘雪梅
刘远明
陈晨
曾鹏宇
彭圳杰
刘雪
***
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Original Assignee
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS filed Critical Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority to CN201810282238.6A priority Critical patent/CN110338780A/zh
Publication of CN110338780A publication Critical patent/CN110338780A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
    • A61B5/377—Electroencephalography [EEG] using evoked responses
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4806—Sleep evaluation
    • A61B5/4812—Detecting sleep stages or cycles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4836—Diagnosis combined with treatment in closed-loop systems or methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6847—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M21/00—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
    • A61B2503/40—Animals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
    • A61B2503/42—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals for laboratory research
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M21/00—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis
    • A61M2021/0005—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis by the use of a particular sense, or stimulus
    • A61M2021/0044—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis by the use of a particular sense, or stimulus by the sight sense
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M21/00—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis
    • A61M2021/0005—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis by the use of a particular sense, or stimulus
    • A61M2021/0072—Other devices or methods to cause a change in the state of consciousness; Devices for producing or ending sleep by mechanical, optical, or acoustical means, e.g. for hypnosis by the use of a particular sense, or stimulus with application of electrical currents
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M2250/00—Specially adapted for animals

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

本发明实施例公开了一种无线反馈调控***及方法。所述***包括：睡眠剥夺行为学装置、无线调控采集装置、生物反馈装置，所述无线调控采集装置与所述生物反馈装置建立无线通信连接；所述睡眠剥夺行为学装置，用于放置被测动物，针对所述被测动物进行睡眠剥夺；所述无线调控采集装置，植入所述被测动物的体内，用于采集所述被测动物的生理信号发送至所述生物反馈装置，并根据所述调控信号，输出对应的刺激信号；所述生物反馈装置，用于接收所述生理信号，并根据所述生理信号确定所述调控信号发送至所述无线调控采集装置。本发明实施例实现优化现有的有线生物采集调控***，减少睡眠剥夺试验的干扰因素，提高生物采集调控试验数据的精度。

Description

无线反馈调控***及方法
技术领域
本发明实施例涉及实验技术领域，尤其涉及一种无线反馈调控***及方法。
背景技术
睡眠是高等脊椎动物周期出现的一种自发的可逆的大脑的静息状态，是机体对于外界感知觉刺激的反应性降低和意识的短暂中断。已有研究表明睡眠与学习记忆、生物钟的调节、生物体的代谢、免疫、激素的分泌等密切相关。睡眠障碍会影响大脑思维、记忆、情绪、免疫等异常的改变，与精神疾病的发生密切相关也可能导致神经代谢、神经免疫、神经内分泌相关的疾病。
目前，为了研究生物的睡眠对生物的影响，研究人员一般会对测试动物施加特定刺激，并检测测试动物的生理信号，通常是通过在测试动物头部植入施加刺激的硬件设备和检测设备，而且施加刺激设备和检测设备均采用有线方式与控制端电连接。
但上述方法的导线会限制测试动物的移动范围，从而引入新的干扰因素，导致试验数据不准确。若同时对群体生活的生物进行实验研究，测试动物之间的交互动作可能会触碰到导线，甚至是毁坏导线，对试验结果造成干扰。
发明内容
本发明实施例提供一种无线反馈调控***，以实现优化现有的有线生物采集调控***，减少睡眠剥夺试验的干扰因素，提高睡眠剥夺试验结果的准确性，提高生物采集调控试验数据的精度和可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种无线反馈调控***，包括：
睡眠剥夺行为学装置、无线调控采集装置以及生物反馈装置，所述无线调控采集装置与所述生物反馈装置建立无线通信连接；
所述睡眠剥夺行为学装置，用于放置被测动物，针对所述被测动物进行睡眠剥夺；
所述无线调控采集装置，植入所述被测动物的体内，用于采集所述被测动物的生理信号发送至所述生物反馈装置，并根据所述生物反馈装置发送的调控信号，向所述被测动物体内输出对应的刺激信号；
所述生物反馈装置，用于接收无线调控采集装置发送的所述生理信号，并根据所述生理信号确定所述调控信号发送至所述无线调控采集装置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无线反馈调控方法，该方法包括：
将无线调控采集装置植入被测动物的体内，并将所述被测动物放置于睡眠剥夺行为学装置中，对所述被测动物进行睡眠剥夺；
通过所述无线调控采集装置采集所述被测动物的生理信号，并发送至生物反馈装置；
通过所述生物反馈装置接收所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，将所述调控信号发送至所述无线调控采集装置；
通过所述无线调控采集装置接收所述调控信号，并根据所述调控信号输出刺激信号。
本发明实施例通过无线通信的方式进行对被测动物进行状态调控以及生理信号采集，解决了现有技术中动物的有线状态调控和有线状态采集的试验***限制了动物的正常活动，并引入干扰因素，导致试验结果可靠性差的问题，优化了现有的有线生物采集调控***，实现无线调控和采集，避免限制被测动物的正常活动，扩大被测动物的活动范围，增加被测动物的活动种类，以减少试验的干扰因素，同时可以实时连续的跟踪被测动物的状态，并快速响应被测动物变化的状态，还可以对被测动物的调控结果快速修正和调节，提高生物反馈调控的稳定性和灵活性，提高试验数据的精度和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种无线反馈调控***的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种无线反馈调控***的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种无线调控采集装置的结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种无线反馈调控方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种无线反馈调控***的结构示意图。本实施例可适用于进行睡眠剥夺试验的情况，如图1所示，无线反馈调控***101包括：睡眠剥夺行为学装置102、无线调控采集装置103以及生物反馈装置104，其中，无线调控采集装置103与生物反馈装置104建立无线通信连接。
睡眠剥夺行为学装置102，用于放置被测动物105，针对被测动物105进行睡眠剥夺。
具体的，睡眠剥夺的方法可以是强迫运动法、物理刺激法(拍打笼子、木棒拨动或电击刺激等)、水上平台法、或药物刺激法。相应的，睡眠剥夺行为学装置可以是轮式疲劳仪、电刺激睡眠剥夺仪或水平台等。被测动物105优选高等脊椎动物，具体可以是啃齿类动物，如小白鼠等。
需要说明的是，被测动物可以有多个，多个被测动物可以放置在同一个睡眠剥夺行为学装置中，或者一个睡眠剥夺行为学装置仅放置一个被测动物，均可以根据试验需要进行设置，此外，睡眠剥夺行为学装置也可以有多个。其中，睡眠剥夺行为学装置的总数量、被测动物的总数量以及一个睡眠剥夺行为学装置所放置的被测动物的数量，本实施例不做具体限制。
具体的，强迫运动法是通过动力装置(如转笼)迫使被测动物不停地运动，从而达到睡眠剥夺的目的，但长时间不停运动会引起运动性应激及身体疲劳，成为干扰睡眠剥夺的因素，同时由于食物笼与转笼的角度缺陷，有时会出现被测动物头部卡在食物笼与转笼之间造成试验动物伤害或者死亡；物理刺激法是被测动物承受施加的物理刺激来保持清醒，需要研究人员执行施加物理刺激的操作，但该方法易导致研究人员的睡眠剥夺，产生较大的误差，故较适合短时间的睡眠剥夺试验，同时物理刺激可能会导致被测动物受到伤害，无法研究自然状态下动物的睡眠的状态，而且电刺激可能引起脑内化学物质的改变而造成研究基线的变化，从而导致无法准确获取被测动物的状态数据；药物刺激剥夺是定时给被测动物注射一些中枢兴奋药也可造成部分或全部睡眠的剥夺，但被测动物存在个体差异，睡眠剥夺的效果及程度不易掌握；水上平台法利用被测动物进入快速眼动睡眠时，全身肌张力降低引起节律性低头，头触到水面而清醒，以此达到快速眼动睡眠剥夺的目的，该方法存在环境隔离、活动限制、体力疲劳、反复落水等多种应激因素存在，干扰结果的可靠性。
在一个具体的例子中，研究人员需要研究浅睡眠期的被测动物的状态变化和深睡眠期的被测动物的状态变化，可以选择采用水平台法，针对被测动物的快速眼动睡眠剥夺。图2为本发明实施例提供了一种生物反馈调控***的结构示意图。如图2所示，睡眠剥夺行为学装置102是水平台，被测动物105放置在睡眠剥夺行为学装置102中的小平台上，植入被测动物105体内的无线调控采集装置103与生物反馈装置104之间的通信是采用无线通信方式。
需要说明的是，研究人员可以根据需要选择合适的睡眠剥夺行为学装置，本实施例不做具体限制。
无线调控采集装置103，植入被测动物105的体内，用于采集被测动物105的生理信号发送至生物反馈装置104，并根据生物反馈装置104发送的调控信号，向被测动物105体内输出对应的刺激信号。
具体的，无线调控采集装置103可以通过牙科水泥固定在被测动物105体内的骨骼上。其中，生理信号具体可以是电生理信号，还可以是血糖信号，或者还可以是心率信号等；刺激信号可以是电流或光束等刺激信号；调控信号可以是输出刺激信号的相关参数，例如，当刺激信号是电流时，调控信号可以是输出电流的周期、输出电流的时长或电流的大小等参数中的至少一项；当刺激信号是光束时，调控信号可以是光束的波形、光束的波长、光束的强度或输出光束的频率等参数中的至少一项。通过根据采集的生理信号确定调控信号，并输出与调控信号对应的刺激信号，针对刺激后的被测动物再次采集其生理信号，从而生成了一个动态的闭合回路，可以实时连续的跟踪被测动物的状态，并快速响应被测动物变化的状态，同时可以有效消除人为导入的干扰因素，并且可以对被测动物的调控结果快速修正和调节，提高无线反馈调控***的灵活性、稳定性和精确度。
可选的，生理信号可以是电生理信号，更详细的是，生理信号可以是脑电波信号(electroencephalography，EEG)、局部场电位信号或神经元放电信号等。可选的，生理信号为脑电波信号，可以通过放置在动物头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位，通过获取被测动物的脑电波信号可以分析研究被测动物的设定脑区(如蓝斑)的状态，从而进一步研究睡眠剥夺对被测动物设定脑区中细胞的活动状态。
一般来说，研究人员无法通过观察被测动物的外部表现来确定被测动物是否进入睡眠状态，例如，当被测动物闭上眼睛时，研究人员无法确定被测动物的状态，可能是睡眠状态，或者仅仅是闭上眼睛但清醒的状态。通过采集生理信号，可以准确判断被测动物是否入睡，同时也可以获取被测动物被睡眠剥夺的效果及程度，避免人为错误判断被测动物的状态，从而提高生物反馈调控***精度。
可选的，无线调控采集装置103可以具体包括调控装置、采集装置和第一无线通信装置；调控装置用于对被测动物体内的设定区域施加刺激；采集装置用于采集被测动物的生理信号；第一无线通信装置用于和生物反馈装置104进行无线通信。
相应的，生物反馈装置104具体包括第二无线通信装置，用于与第一无线通信装置进行通信。
具体的，采集装置采集的生理信号通过第一无线通信装置发送至生物反馈装置104，调控装置通过第一无线通信装置接收生物反馈装置104发送的调控信号，并根据调控信号输出与调控信号对应的刺激信号。其中，设定区域可以包括脑区，更详细的是，包括蓝斑区。
具体的，调控装置可以采用光遗传学技术调控被测动物的设定细胞。其中，光遗传技术是结合光学与遗传学，主要是通过基因工程手段将携带有特异性的光敏感基因病毒转入特定细胞类型表达，如兴奋型通道蛋白基因为离子通道视紫红质2(Channelrhodopsin-2，ChR2)，抑制型通道蛋白基因为嗜盐菌视紫红质(Helorhodopsin，NpHR)，针对特定细胞进行光照刺激，可以实现兴奋细胞或者抑制细胞活动。由于光敏感基因离子通道在不同波长，从而需要针对性的采用不同波长的光去刺激不同的光敏感基因。其中，离子通道是离子跨膜被动运输的通路，如蓝光波长λ＝473nm能够激活ChR2，从而选择让阳离子特异性通过，引起细胞去极化作用，从而兴奋细胞；黄光波长λ＝593nm能够激活NpHR，从而选择让阴离子特异性通过，引起细胞的超极化，从而抑制细胞活动。其中，设定细胞可以包括神经元细胞。
需要说明的是，兴奋型通道蛋白基因还可以包括从团藻中提取的视紫红质(channelrhodopsin-1from Volvox carteri，VChR1)，抑制型通道蛋白基因还可以是古细菌视紫红质3(Archaerhodopsin-3，Arch)、细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，eBR)或视紫红质3(rhodopsin-3，GtR3)等，本实施例并不作具体限制。
更详细的是，调控装置具体可以包括发光单元；发光单元，用于根据调控信号发出设定波长的光束。具体的，发光单元可以是至少一个发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，例如可以是LED阵列。
一般来说，在进行光调控之前，即在采用发光单元输出光束之前，需要预先将光敏感基因导入被测动物体内的设定细胞，可以采用病毒载体、物理方法或化学方法等方法。编码光敏感基因或其功能片段的多核苷酸序列可操作地连接一个细胞特异的启动子，从而靶向性的在设定细胞中表达，使原本为非光敏感细胞转变为光敏感细胞，当光敏感细胞受到光照刺激时，可以引起该细胞的兴奋或抑制，从而实现对植入部位进行光调控。
通过采用具备高时空分辨率、高精度靶向定位、高度可逆的光遗传技术，来执行细胞调控，可以针对性的选择特定细胞进行调控，从而实现毫秒级时空的精确性调控，从而提高生物反馈调控***的试验结果精度。
采集装置具体可以包括电极单元；电极单元包括至少一个电极，用于采集被测动物的生理信号。
具体的，电极可以为金属针状电极、盘状电极或柱状电极等，表面涂覆有绝缘层，采集端局部裸露，用于采集电信号。采集装置具体可以包括信号采集器，信号采集器可以通过植入被测动物体内的电极采集被测动物的电生理信号。可选的，电极的数量大于LED的数量，同时，电极单元可以设置为分布在发光单元的四周。
在另一个可选的实施例中，无线调控采集装置103具体还可以包括处理器，用于发出指令控制发光单元发出光束，向预先导入光敏感基因的细胞输出光照刺激，以及发出指令控制信号采集器开始或停止采集生理信号，并控制第一无线通信装置将采集的生理信号发送至生物反馈装置104。此外无线调控采集装置103还可以存储采集的数据，以防在无线通信的过程中数据丢失。
在另一个可选的实施例中，无线调控采集装置103还包括移动装置，移动装置包括至少一个步进电机，用于调整所述电极单元和所述发光单元在动物体内的位置。
具体的，电极单元、发光单元以及移动装置三者可以相对独立，可以两两组合，或者与其它装置一起构成阵列，同时，三者的数目可以根据植入部位的生理环境调节，本实施例不做具体限制。
在另一个可选的实施例中，无线调控采集装置103还可以包括固定板，固定板用于将电极单元、发光单元和第一无线通信装置固定在一起。
具体的，固定板可以通过牙科水泥固定在被测动物设定区域的骨骼上，例如头骨。固定板固定在被测动物体内的方式，还可以是通过螺丝固定，本实施例不做具体限制。
可选的，图3是本发明实施例一提供的一种无线调控采集装置103的结构示意图，如图3所示，无线调控采集装置103包括信号采集器111、电极单元112、发光单元113、第一无线通信装置114、移动装置115和处理器116。具体的，可以将信号采集器111、电极单元112、发光单元113、第一无线通信装置114、移动装置115和处理器116集成到同一个固定板上，同时可以采用生物相容性绝缘材料进行封装。而且，电极单元112可以固定在一个可以相对固定板移动的板子上，并通过移动装置115微移，同时发光单元113也可以固定在一个可以相对固定板移动的板子上，并通过移动装置115微移。
需要说明的是，信号采集器111、电极单元112、发光单元113、第一无线通信装置114、移动装置115和处理器116在固定板上的具***置可以根据需要进行设置，本实施例不做具体限制。
在一个具体的例子中，电极单元112可以和移动装置115组合形成一个电极板，电极板可以通过移动装置沿着固定板的一侧进行移动。
需要说明的是，无线调控采集装置103还需要包括放大器、整流器、开关电路等电路元件，以保证无线调控采集装置103正常稳定工作，本实施例不做具体限制。
在另一个可选的实施例中，无线调控采集装置103还可以包括病毒载体，该病毒载体可以携带启动子、光敏感蛋白和荧光蛋白植入目标组织。该启动子用于在设定目标组织特异性表达光敏感蛋白，实现特异性精准控制，而荧光蛋白用于确认光敏感蛋白是否充分表达。
生物反馈装置104，用于接收无线调控采集装置发送的生理信号，并根据生理信号确定调控信号发送至无线调控采集装置。
具体的，生物反馈装置104根据采集的生理信号可以分析确定被测动物是否进入睡眠，以及睡眠状态，再根据是否进入睡眠和睡眠状态确定调控信号。
在一个具体的例子中，设置当被测动物进入睡眠时，给予被测动物光照刺激，具体是，当分析被测动物的脑电波信号为慢波睡眠状态时，例如，当频率的变动范围为(如4-7Hz)，并且会出现纺锤形波(频率是12Hz-14Hz，波幅由小到大，再由大到小，形状呈纺锤形)时，确定被测动物进入睡眠，此时，对被测动物输出光信号，进行光调控。
根据睡眠状态可以设置调控信号，例如，睡眠状态可以分2个阶段，浅睡眠状态和深睡眠状态，对应调控信号可以设置有2类，具体可以是浅睡眠状态对应的调控信号的强度最小，且频率最低；深睡眠状态对应的调控信号的强度最大，且频率最高。
需要说明的是，睡眠状态可以有多个，例如，睡眠可以分为4个阶段：朦胧期、浅睡期、深睡期以及快速眼动期；可以是根据选择在设定睡眠状态给予光照刺激，也可以是在非睡眠时给予光照刺激，本实施例不作具体限制。
生物反馈装置104还包括无线能量传输装置，用于与无线调控采集装置103进行无线能量传输，为无线调控采集装置103提供能量；相应的，无线调控采集装置103具体包括无线能量接收装置，用于接收无线能量传输装置传输的能量，并为调控装置、采集装置、处理器、移动装置和第一无线通信装置等电路元件供电。
具体的，无线能量传输装置可以是手持设备，当手持设备移动到无线能量接收装置的设定范围时，自动开始或通过用户操作开始对无线能量接收装置进行充电。
本发明实施例通过无线通信的方式进行对被测动物进行状态调控以及生理信号采集，解决了现有技术中动物的有线状态调控和有线状态采集的试验***限制了动物的正常活动，并引入干扰因素，导致试验结果可靠性差的问题，实现优化现有的有线生物采集调控***，实现无线调控和采集，避免限制被测动物的正常活动，扩大被测动物的活动范围，增加被测动物的活动种类，以减少试验的干扰因素，同时可以实时连续的跟踪被测动物的状态，并快速响应被测动物变化的状态，还可以对被测动物的调控结果快速修正和调节，提高生物反馈调控的稳定性和灵活性，提高试验数据的精度和可靠性。
实施例二
图4为本发明实施例二提供一种无线反馈调控方法，基于本实施例中任一所述的无线反馈调控***，适用于睡眠剥夺试验情况，尤适用于群体生活的动物的睡眠剥夺试验情况。如图4所示，该方法包括：
S210，将无线调控采集装置植入被测动物的体内，并将所述被测动物放置于睡眠剥夺行为学装置中，对所述被测动物进行睡眠剥夺。
在本实施例中，将无线调控采集装置预先通过手术植入被测动物体内，之后将被测动物放置在睡眠剥夺行为学装置中，经过一段时间(如2天)后，被测动物由于一直无法进入睡眠状态，从而该被测动物被剥夺睡眠。
需要说明的是，被测动物可以有多个，睡眠剥夺行为学装置也可以有多个，采用本发明实施例所提供的无线反馈调控***进行试验的研究方向可以是，如可以分析研究群体生活中的每个被测动物的状态，也可以分析研究独居(与群体隔离)的被测动物的状态；又如可以在每个睡眠剥夺行为学装置中均放置至少一个被测动物，设置不同的条件，如设置不同睡眠剥夺的天数等，并根据不同的条件进行对照实验。其中，具体的试验方法及其条件设置可以不局限于本实施例所列举的情况，对此本实施例不做具体限制。
S220，通过所述无线调控采集装置采集所述被测动物的生理信号，并发送至生物反馈装置。
在本实施例中，可以从被测动物放置在睡眠剥夺行为学装置时，开始采集被测动物的生理信号，采集的周期可以是设定的，也可以是变化的。
可选的，可以设定采集的周期随着时间延长而缩短。当睡眠剥夺的时间的增加，被测动物的生理信号变化的频率增大，睡眠剥夺时间越长的动物的状态改变的频率增加，状态波动的幅度变大，例如，4天睡眠剥夺的被测动物的睡眠状态的出现的次数大于2天睡眠剥夺的被测动物的睡眠状态的出现的次数，从而，需要提高采集的频率，减少采集的周期。
S230，通过所述生物反馈装置接收所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，将所述调控信号发送至所述无线调控采集装置。
在本实施例中，可以预先设置多个设定条件以及各个设定条件对应的调控信号，通过分析生理信号可以确定被测动物的状态信息，可以根据状态信息判断该状态信息是否满足至少一个设定条件，当满足一个设定条件时，与该设定条件对应的调控信号作为采集反馈装置输出的调控信号。
在一个具体的例子中，可以根据生理信号获取被测动物是否进入睡眠状态，或者可以获取当前被测动物的睡眠状态的种类，并根据是否进入睡眠状态和\或睡眠状态的种类确定调控信号，具体是，当设定条件为被测动物处于睡眠状态时，调控信号为给予被测动物兴奋刺激(如输出蓝光，以刺激导入ChR2的细胞)；当设定条件为被测动物处于非睡眠状态时，调控信号为给予被测动物抑制刺激(如输出黄光，以刺激导入NpHR的细胞)。
S240，通过所述无线调控采集装置接收所述调控信号，并根据所述调控信号输出刺激信号。
在本实施例中，根据调控信号，调控装置输出刺激信号，调控被测动物的状态，具体可以是根据调控信号确定刺激信号的相关参数，例如刺激信号为光信号，根据调控信号确定光信号的强度、频率或照射时长等，将确定强度、频率或照射时长等参数的光信号照射在预先导入光敏感基因的细胞，使该细胞兴奋或者抑制，从而实现调控被测动物的状态。
在另一个可选的实施例中，所述无线调控采集装置的调控区域为所述被测动物的设定脑区，其中，所述设定脑区包括蓝斑区。其中，蓝斑是脑中合成去甲肾上腺素的主要部位，而且，蓝斑产生的去甲肾上腺素对脑的大多部位(如脊髓，小脑，下丘脑，丘脑的中继核团，杏仁核，端脑基底部，以及大脑皮质)具有兴奋性作用，也就是说，蓝斑区的神经元可以兴奋或抑制其他脑部的细胞。通过设置调控信号的作用部位为蓝斑区，可以间接调控脑的其他部位，使得生物反馈调控方法的研究内容更加全面。
在另一个可选的实施例中，无线调控采集装置输出的刺激信号包括波长为593nm的光束或波长为473nm的光束。
具体的，无线调控采集装置采用了光遗传学技术来调控被测动物的状态，其中，波长为593nm的光束可以对应激活NpHR，使得导入了NpHR的细胞被抑制；波长为473nm的光束可以对应激活ChR2，使得导入了ChR2的细胞兴奋。通过采用光遗传学技术进行动物状态的调控，并设置具体调控参数，实现对目标细胞更加精确、有效、高空间分辨率和长期的调控，提高无线反馈调控试验数据的精度。
本发明实施例通过无线通信的方式进行对被测动物进行状态调控以及生理信号采集，解决了现有技术中动物的有线状态调控和有线状态采集方式，限制动物的正常活动引入干扰因素，导致试验结果可靠性差的问题，实现优化现有的有线生物采集调控***，实现无线调控和采集，避免限制被测动物的正常活动，扩大被测动物的活动范围，增加被测动物的活动种类，以减少试验的干扰因素，同时可以实时连续的跟踪被测动物的状态，并快速响应被测动物变化的状态，还可以对被测动物的调控结果快速修正和调节，提高生物反馈调控的稳定性和灵活性，提高试验数据的精度和可靠性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种无线反馈调控***，其特征在于，包括：睡眠剥夺行为学装置、无线调控采集装置以及生物反馈装置，所述无线调控采集装置与所述生物反馈装置建立无线通信连接；
所述睡眠剥夺行为学装置，用于放置被测动物，针对所述被测动物进行睡眠剥夺；
所述无线调控采集装置，植入所述被测动物的体内，用于采集所述被测动物的生理信号发送至所述生物反馈装置，并根据所述生物反馈装置发送的调控信号，向所述被测动物体内输出对应的刺激信号；
所述生物反馈装置，用于接收无线调控采集装置发送的所述生理信号，并根据所述生理信号确定所述调控信号发送至所述无线调控采集装置。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述无线调控采集装置包括调控装置、采集装置和第一无线通信装置；
所述调控装置用于对所述被测动物体内的设定区域施加刺激；
所述采集装置用于采集所述被测动物的生理信号；
所述第一无线通信装置用于和所述生物反馈装置进行无线通信，
相应的，所述生物反馈装置具体包括第二无线通信装置，用于与所述第一无线通信装置进行通信。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述调控装置包括发光单元；
所述发光单元，用于根据所述调控信号发出设定波长的光束。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述采集装置包括电极单元；
所述电极单元包括至少一个电极，用于采集所述被测动物的生理信号。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述无线调控采集装置还包括固定板，所述固定板用于将所述电极单元、所述发光单元和所述第一无线通信装置固定在一起。
6.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述无线调控采集装置还包括移动装置，所述移动装置包括至少一个步进电机，用于调整所述电极单元和所述发光单元在动物体内的位置。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述生物反馈装置还包括无线能量传输装置，用于与所述无线调控采集装置进行无线能量传输，为所述无线调控采集装置提供能量；
相应的，所述无线调控采集装置具体包括无线能量接收装置，用于接收所述无线能量传输装置传输的能量。
8.一种无线反馈调控方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的无线反馈调控***，包括：
将无线调控采集装置植入被测动物的体内，并将所述被测动物放置于睡眠剥夺行为学装置中，对所述被测动物进行睡眠剥夺；
通过所述无线调控采集装置采集所述被测动物的生理信号，并发送至生物反馈装置；
通过所述生物反馈装置接收所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，将所述调控信号发送至所述无线调控采集装置；
通过所述无线调控采集装置接收所述调控信号，并根据所述调控信号输出刺激信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无线调控采集装置的作用区域为所述被测动物的设定脑区，其中，所述设定脑区包括蓝斑区。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无线调控采集装置输出的刺激信号包括波长为593nm的光束或波长为473nm的光束。
CN201810282238.6A 2018-04-02 2018-04-02 无线反馈调控***及方法 Pending CN110338780A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810282238.6A CN110338780A (zh) 2018-04-02 2018-04-02 无线反馈调控***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810282238.6A CN110338780A (zh) 2018-04-02 2018-04-02 无线反馈调控***及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110338780A true CN110338780A (zh) 2019-10-18

Family

ID=68173171

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810282238.6A Pending CN110338780A (zh) 2018-04-02 2018-04-02 无线反馈调控***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110338780A (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102019040A (zh) * 2010-11-29 2011-04-20 中国科学院深圳先进技术研究院 生物反馈光电治疗装置
CN102283137A (zh) * 2011-08-25 2011-12-21 中国科学院深圳先进技术研究院 光遗传学调控的动物行为学测试平台
CN102380170A (zh) * 2011-08-16 2012-03-21 中国科学院深圳先进技术研究院 植入式光电极采集调控装置
CN202310847U (zh) * 2011-11-16 2012-07-11 中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所 一种犬睡眠剥夺程序控制电击仪
CN102871663A (zh) * 2012-09-24 2013-01-16 中山大学 一种灵长类动物生理信号采集***
CN103071244A (zh) * 2013-01-25 2013-05-01 深圳先进技术研究院 针对动物的无线遥控光刺激***
CN103623491A (zh) * 2013-11-07 2014-03-12 同济大学附属第十人民医院 一种动物睡眠剥夺装置及其应用
US20160198968A1 (en) * 2013-08-16 2016-07-14 The United States of America, as represented by the Secreatary, Dept., of Health & Human Services Monitoring the effects of sleep deprivation using neuronal avalanches
CN106577322A (zh) * 2016-11-30 2017-04-26 中国中医科学院西苑医院 一种小动物多平台水环境睡眠剥夺水箱及***
WO2017165237A1 (en) * 2016-03-21 2017-09-28 The Regents Of The University Of California Inhibitory sleep-circuit neurons and methods of modulating a stable state by regulating the same

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102019040A (zh) * 2010-11-29 2011-04-20 中国科学院深圳先进技术研究院 生物反馈光电治疗装置
CN102380170A (zh) * 2011-08-16 2012-03-21 中国科学院深圳先进技术研究院 植入式光电极采集调控装置
CN102283137A (zh) * 2011-08-25 2011-12-21 中国科学院深圳先进技术研究院 光遗传学调控的动物行为学测试平台
CN202310847U (zh) * 2011-11-16 2012-07-11 中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所 一种犬睡眠剥夺程序控制电击仪
CN102871663A (zh) * 2012-09-24 2013-01-16 中山大学 一种灵长类动物生理信号采集***
CN103071244A (zh) * 2013-01-25 2013-05-01 深圳先进技术研究院 针对动物的无线遥控光刺激***
US20160198968A1 (en) * 2013-08-16 2016-07-14 The United States of America, as represented by the Secreatary, Dept., of Health & Human Services Monitoring the effects of sleep deprivation using neuronal avalanches
CN103623491A (zh) * 2013-11-07 2014-03-12 同济大学附属第十人民医院 一种动物睡眠剥夺装置及其应用
WO2017165237A1 (en) * 2016-03-21 2017-09-28 The Regents Of The University Of California Inhibitory sleep-circuit neurons and methods of modulating a stable state by regulating the same
CN106577322A (zh) * 2016-11-30 2017-04-26 中国中医科学院西苑医院 一种小动物多平台水环境睡眠剥夺水箱及***

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FARID YAGHOUBY等: "Validation of a Closed-Loop Sensory Stimulation Technique for Selective Sleep Restriction in Mice", 《2014 36TH ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY SOCIETY》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Beauchamp et al. Dynamic stimulation of visual cortex produces form vision in sighted and blind humans
US8498708B2 (en) Integrated system and method for treating disease using cognitive-training and brain stimulation and computerized magnetic photo-electric stimulator (CMPES)
Dockery et al. Cumulative benefits of frontal transcranial direct current stimulation on visuospatial working memory training and skill learning in rats
KR102250348B1 (ko) 정상 및 질병 상태에서 뇌 역동성을 모델링하기 위한 시스템 및 방법
Witter et al. Strength and timing of motor responses mediated by rebound firing in the cerebellar nuclei after Purkinje cell activation
Tong et al. Stimulation strategies for improving the resolution of retinal prostheses
US20090099623A1 (en) Systems and methods for treatment of medical conditions related to the central nervous system and for enhancing cognitive functions
US20190143119A1 (en) Systems and Methods for Brain Stimulation
EP2207591A2 (en) Systems and methods for treatment of medical conditions related to the central nervous system and for enhancing cognitive functions
US20140303424A1 (en) Methods and systems for diagnosis and treatment of neural diseases and disorders
Bitzenhofer et al. Methodological approach for optogenetic manipulation of neonatal neuronal networks
CN109173063A (zh) 一种3d扫描的经颅磁刺激***及经颅磁刺激方法
Mouchati et al. Optogenetic “low‐theta” pacing of the septohippocampal circuit is sufficient for spatial goal finding and is influenced by behavioral state and cognitive demand
Händel et al. The brain during free movement–What can we learn from the animal model
Raz-Prag et al. Electrical stimulation of different retinal components and the effect of asymmetric pulses
Gerisch et al. Early Dictyostelium development: control mechanisms bypassed by sequential mutagenesis
CN208001848U (zh) 一种迷宫试验装置
Rast et al. Insect mouthpart motor patterns: central circuits modified for highly derived appendages?
Grani et al. Toward a personalized closed-loop stimulation of the visual cortex: Advances and challenges
CN110338789A (zh) 生物反馈调控***及方法
Breznen et al. Analysis of the step response of the saccadic feedback: system behavior
CN110338780A (zh) 无线反馈调控***及方法
Bhattacharyya et al. Does neurotechnology produce a better brain?
Funke Transcranial magnetic stimulation of rodents: repetitive transcranial magnetic stimulation—a noninvasive way to induce neural plasticity in vivo and in vitro
Knotkova et al. Transcranial direct current stimulation modulation of neurophysiological functional outcomes: Neurophysiological principles and rationale

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination