CN110338789A - 生物反馈调控***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种生物反馈调控***及方法。所述***包括：睡眠剥夺行为学装置、调控装置以及采集反馈装置；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；所述调控装置，输入端与所述采集反馈装置电连接，用于接收调控信号；输出端植入所述被测动物的体内，用于根据所述调控信号向被测动物体内输出与所述调控信号对应的刺激信号；所述采集反馈装置，输入端植入所述被测动物的体内，用于采集被测动物的生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，输出端与所述调控装置电连接，用于将所述调控信号发送至所述调控装置。本发明实施例优化现有的睡眠剥夺试验***，实现根据采集的生理数据反馈调控生物状态。

Description

生物反馈调控***及方法
技术领域
本发明实施例涉及生物调控技术，尤其涉及一种生物反馈调控***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，研究人员一般对试验动物进行睡眠剥夺，采集试验动物的状态数据，以此分析睡眠对试验动物的影响。此外，为了研究睡眠对试验动物记忆、情绪或免疫等方面的影响，研究人员还需改变试验动物的状态，根据试验动物的不同状态数据进行分析研究，例如，对试验动物施加疼痛刺激，分析睡眠剥夺对生物痛感的影响。
上述试验方法通常是由研究人员按照预先设定的试验条件或者根据实时试验数据不断调整试验条件，将调整后的试验条件作用于试验动物体，来改变试验动物的状态，通过获取试验动物的状态数据以分析睡眠剥夺的影响。确定该试验条件的方式必须需要研究人员长时间的试验研究确定，而且，睡眠剥夺是一个长久且缓慢变化的改变的过程，进行一次试验需要花费大量的时间，从而导致睡眠剥夺试验的人力成本和时间成本高，而且试验条件的确定是人工方式确定，存在较大的人为误差，同时试验条件的调整范围过于局限，导致睡眠剥夺的研究不够全面。
发明内容
本发明实施例提供一种生物反馈调控***及方法，优化现有的睡眠剥夺试验***，实现根据采集的生理数据自动反馈调控生物状态，并减少睡眠剥夺试验的人力成本和时间成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种生物反馈调控***，包括：睡眠剥夺行为学装置、调控装置以及采集反馈装置；
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；
所述调控装置，输入端与所述采集反馈装置电连接，用于接收所述采集反馈装置的调控信号；输出端植入所述被测动物的体内，用于根据所述调控信号向被测动物体内输出与所述调控信号对应的刺激信号；
所述采集反馈装置，输入端植入所述被测动物的体内，用于采集被测动物的生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，输出端与所述调控装置电连接，用于将所述调控信号发送至所述调控装置。
第二方面，本发明实施例还提供了一种生物反馈调控方法，基于本发明实施例任一所述的生物反馈调控***，包括：
将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；
通过采集反馈装置采集所述被测动物的生理信号；
通过所述采集反馈装置分析所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号；
将所述调控信号输入到调控装置，以使所述调控装置调控所述被测动物的状态。
本发明实施例通过集成睡眠剥夺行为学装置、调控装置和采集反馈装置，根据睡眠剥夺的被测动物的生理信号，反馈调控被测动物的状态，生成闭合反馈回路动态调控被测动物的状态，解决了现有技术中通过人工方式调控被测动物状态，引入人为误差的问题，实现优化现有的睡眠剥夺试验***，减少人为因素的干扰，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，并减低睡眠剥夺试验的人力成本和时间成本。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种生物反馈调控***的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种睡眠剥夺行为学装置的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种生物反馈调控***的结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种生物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生物反馈调控***的结构示意图，本实施例可适用于对动物进行睡眠剥夺试验的情形，如图1所示，生物反馈调控***101包括：睡眠剥夺行为学装置102、调控装置103以及采集反馈装置104。
其中，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、或药物刺激法等方法。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。
其中，强迫运动法可以实现全部睡眠剥夺或选择性睡眠剥夺，其特点是通过动力装置(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，包括水平转盘法和旋转圆筒法，其旋转速度可以调整。此方法简单易行，缺点是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。具体的，强迫运动法的代表装置是轮式疲劳仪，其主要通过电动机带动转笼持续移动，被测动物被动跟随跑动，造成间歇性睡眠剥夺。此外，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被测动物伤害或者死亡。
物理刺激法主要是通过研究人员施加物理刺激促使测试动物保持清醒。例如，研究人员通过拍打笼子或者采用木棒拨动被测动物，使被测动物受到刺激而惊醒，从而实现睡眠剥夺，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。具体的，物理刺激法的代表装置是电刺激睡眠剥夺仪，主要通过随机时间间隔给予动物电刺激以实现剥夺睡眠的目的。该仪器因为存在伤害性的刺激，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。
药物刺激的睡眠剥夺可以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。此方法简单易行，操作方便，不需要特殊仪器，缺点是被测动物存在个体差异，睡眠剥夺的效果及程度不易掌握。
水上平台法可以实现被测动物快速眼动睡眠(Rapid Eyes Movement，REM)睡眠剥夺。主要原理是利用被测动物畏水的本能以及在水中无法进入睡眠的特性，通过在盛水的水槽中放置仅供被测动物站立的小平台，被测动物站立在小平台上，并当其进入REM时，全身肌张力降低引起节律性低头，头触到水面而清醒，以此来达到剥夺REM的目的。水上平台法可以同时对多个被测动物进行睡眠剥夺，而且可以避免研究人员为进行试验而导致的睡眠剥夺，降低人力成本。
图2是本发明实施例中提供的一种睡眠剥夺行为学装置的结构示意图，在本发明的另一个实施例中，可选的，如图2所示，睡眠剥夺行为学装置102采用水上平台法对被测动物进行睡眠剥夺，具体的，睡眠剥夺行为学装置102包括食盒111、饮水瓶112、平台113以及水池114；其中，平台为仅供被测动物站立的平台。
具体的，睡眠剥夺行为学装置102可以是一个长方形的透明玻璃箱，其中盛有水，同时，玻璃箱的上表面可以不设有玻璃，也可以设有带有多个通孔的玻璃。食盒111用于为被测动物提供食物，饮水瓶112用于为被测动物提供饮用水，平台113用于为被测动物提供仅供站立的空间。其中，一个睡眠剥夺行为学装置102中可以由多个平台113，同时每个平台均可以放置一个被测动物，从而实现放置多个被测动物。通过将睡眠剥夺行为学装置设置为水平台睡眠剥夺装置，减少在对被测动物进行睡眠剥夺时引入新的干扰，从而减小误差以提高后续试验数据的精度。
可选的，平台还可以包括用于被测动物正常生活的大平台。一般来说，试验***通常设置有对照组，对照组可以是正常生活状态的被测动物，可以在睡眠剥夺行为学装置102中设置有足以使被测动物俯卧的大平台，从而被测动物可以在大平台上进入正常睡觉状态，与被剥夺睡眠的被测动物形成对照，从而进行状态的对比分析。通过设置使被测动物正常睡觉的大平台，与小平台组合进行对照试验，提高生物反馈调控***试验结果的可靠性。
调控装置103，输入端与采集反馈装置电连接，用于接收采集反馈装置104的调控信号；输出端植入被测动物105的体内，用于根据调控信号向被测动物105体内输出与调控信号对应的刺激信号。
调控装置103的输出端可以从睡眠剥夺行为学装置102上表面玻璃壁上设置的通孔穿过，植入到位于睡眠剥夺行为学装置102内部的被测动物105体内。调控装置103可以采用电击刺激、光刺激或注射药物(一般是以液态形式存在)的方式刺激被测动物，可以向被测动物体内输出电流、光束或药物等刺激信号。调控装置103根据调控信号输出刺激信号，其中，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、输出的持续时间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；当刺激信号是药物时，调控信号可以是药物的注射用量或注射周期等参数中的至少一项。
在本发明的另一个实施例中，可选的，调控装置可以是光调控装置，用于采用光遗传学技术调控被测动物的设定细胞，具体可以包括激光器和波形发生器；激光器，用于输出激光信号，以实现调控被测动物的生理状态；波形发生器，用于控制激光器输出设定激光信号。
具体的，光遗传技术是结合光学与遗传学，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，离子通道是各种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。
在传输激光信号之前，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。
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。
具体的，波形发生器根据接收到调控信号，确定激光器输出光束的波形、波长、频率、强度、时程和时间间隔等参数信息中的至少一项，并根据上述信息控制激光器输出与该调控信号匹配的激光光束；激光器可以发出不同颜色的激光光束，具体可以包括黄色激光光束和蓝色激光光束。波形发生器可以与采集反馈装置电连接，接收采集反馈装置输出的调控信号；同时波形发生器与激光器电连接，控制激光器输出与该调控信号匹配的激光信号。
需要说明的是，调控装置也可以直接采用光学波形发生器，可以输出任意时域波形的激光信号，本实施例不做具体限制。
更详细的是，光调控装置具体可以包括：光纤和插芯；光纤的第一端固定于插芯，光纤的第二端与激光器连接，用于传输激光信号；插芯植入被测动物体内，用于固定光纤，并将光纤传输的激光信号作用于设定细胞，其中，设定细胞为被测动物中导入了光敏感基因的细胞。
具体的，光调控装置中激光器输出的激光信号通过光纤传输，例如激光器可以通过光线接头与至少一根光纤相连，与激光器相连接的光纤的另一端***插芯中，并固定在插芯中；而插芯固定在被测动物体内，从而光纤可以通过插芯固定在被测动物体内，其中，插芯可以包括陶瓷插芯。在一个具体的例子中，可以采用环氧树脂胶将光纤的一端固定在插芯内；而插芯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。通常情况下，为了插芯能够牢固的固定在被测动物的头骨上，可以在头骨上植入一颗1mm粗2mm高的小螺丝。
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。
采集反馈装置104，其输入端植入被测动物105的体内，用于采集被测动物105的生理信号，并基于生理信号确定调控信号，输出端与调控装置103电连接，用于将调控信号发送至调控装置103。
图3提供了一种生物反馈调控***的结构示意图。在本发明的另一个实施例中，可选的，如图3所示，采集反馈装置104具体可以包括：采集与记录装置106和生物反馈装置107。
其中，采集与记录装置106，输入端植入被测动物105的体内，用于采集被测动物105的生理信号，输出端与生物反馈装置107电连接，用于将生理信号发送至生物反馈装置107。
具体的，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，或者是血氧饱和度信号等。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，可以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。
通过设置采集与记录装置和生物反馈装置，并将采集的生理信号作为确定反馈信号的依据，可以实现智能调控被测动物的状态，减少人工干预，从而减少引入人为误差，从而提高生物反馈调控***精度。
更详细的是，采集与记录装置106具体可以包括电极和采集装置；电极的第一端植入被测动物105体内，用于采集被测动物105的生理信号，电极的第二端与采集装置电连接，用于将采集到的生理信号传输至采集装置；采集装置用于接收电极采集的生理信号，并将所述生理信号发送至生物反馈装置107。
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，用于采集被测动物的电生理信号。采集装置可以包括信号采集器，信号采集器可以通过植入被测动物105体内的电极，采集被测动物105的电生理信号。其中，采集与记录装置106具体还可以包括处理器，用于发出指令控制信号采集器开始或停止采集和记录生理信号，以及将采集的生理信号发送至生物反馈装置107。
需要说明的是，插芯和电极可以植入不同的区域，也可以植入相同的区域。
在本发明的另一个实施例中，可选的，采集与记录装置106还包括光电集合器；光电集合器植入到被测动物105体内，用于将电极和光纤固定在一起，其中，光电集合器通过插芯固定光纤。
具体的，光电集合器可以包括一个固定板，固定在被测动物体内的设定区域中，例如可以通过螺丝将固定板固定在被测动物的头骨上。将光纤和电极平行固定在该固定板上，一般来说，电极的数量大于光纤的数量。其中，固定板上设有通孔，用于固定插芯，光纤可以通过插芯间接固定于固定板上。此外，信号采集器也可以设置在固定板上，位于固定板远离电极的一侧。可选的，电极的植入深度大于插芯的植入深度，电极可以设置为呈包围趋势围绕着插芯固定。通过采用光电集合器，将电极和光纤固定在被测动物体内的同一区域，可以实现电极充分采集光调控的设定细胞的状态变化的电生理信号，以及对植入区域的设定细胞进行更加精确的光调控和电生理信号采集，以满足生物反馈调控***的试验要求。
生物反馈装置107，输入端与采集与记录装置106电连接，用于分析生理信号，并基于生理信号确定调控信号，输出端与调控装置电连接，用于将调控信号发送至调控装置。
具体的，生物反馈装置107根据采集的生理信号可以分析确定被测动物105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。
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，实现灵活针对被测动物施加刺激，以及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，提高生物反馈调控***的灵活性、稳定性和精确度。
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，对被测动物输出激光信号，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。
本发明实施例通过集成睡眠剥夺行为学装置、调控装置和采集反馈装置，根据睡眠剥夺的被测动物的生理信号，反馈调控被测动物的状态，生成闭合反馈回路动态调控被测动物的状态，解决了现有技术中通过人工方式调控被测动物状态，引入人为误差的问题，实现优化现有的睡眠剥夺试验***，减少人为因素的干扰，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，并减低睡眠剥夺试验的人力成本和时间成本。
实施例二
图4为本发明实施例二提供一种生物反馈调控方法，基于本实施例中任一所述的生物反馈调控***，如图4所示，该方法包括：
S210，将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生物反馈调控***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，通过采集反馈装置采集所述被测动物的生理信号。
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，通过所述采集反馈装置分析所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号。
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，或者可以获取被测动物进入的睡眠状态的种类，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，将所述调控信号输入到调控装置，以使所述调控装置调控所述被测动物的状态。
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。
可选的，所述调控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，还可以实现干预被测动物正常或是异常的睡眠状态，使得生物反馈调控方法的研究内容更加全面。
本发明实施例采集被测动物的生理信号，用以反馈的方式自动调控被测动物的状态，解决了现有技术中通过人工方式调控被测动物状态，引入人为误差的问题，实现优化现有的睡眠剥夺试验方法，减少人为因素的干扰，提高试验数据的精度和可靠性，并减低睡眠剥夺试验的人力成本和时间成本。
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，本发明不限于这里所述的特定实施例，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)

1.一种生物反馈调控***，其特征在于，包括：睡眠剥夺行为学装置、调控装置以及采集反馈装置；
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；
所述调控装置，输入端与所述采集反馈装置电连接，用于接收所述采集反馈装置的调控信号；输出端植入所述被测动物的体内，用于根据所述调控信号向被测动物体内输出与所述调控信号对应的刺激信号；
所述采集反馈装置，输入端植入所述被测动物的体内，用于采集被测动物的生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，输出端与所述调控装置电连接，用于将所述调控信号发送至所述调控装置。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述采集反馈装置包括：采集与记录装置和生物反馈装置；
所述采集与记录装置，输入端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，输出端与所述生物反馈装置电连接，用于将所述生理信号发送至所述生物反馈装置；
所述生物反馈装置，输入端与所述采集与记录装置电连接，用于分析所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号，输出端与所述调控装置电连接，用于将所述调控信号发送至所述调控装置。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述调控装置是光调控装置，用于采用光遗传学技术调控被测动物的设定细胞，包括激光器和波形发生器；
所述激光器，用于输出激光信号，以实现调控所述被测动物的生理状态；
所述波形发生器，用于控制所述激光器输出设定激光信号。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述调控装置还包括：光纤和插芯；
所述光纤的第一端固定于所述插芯，所述光纤的第二端与所述激光器连接，用于传输所述激光信号；
所述插芯植入所述被测动物体内，用于固定光纤，并将所述光纤传输的激光信号作用于所述设定细胞，其中，所述设定细胞为所述被测动物中导入了光敏感基因的细胞。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述采集与记录装置包括电极和采集装置；
所述电极的第一端植入所述被测动物体内，用于采集所述被测动物的生理信号，所述电极的第二端与所述采集装置电连接，用于将采集到的生理信号传输至所述采集装置；
所述采集装置用于接收所述电极采集的生理信号，并将所述生理信号发送至所述生物反馈装置。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述采集与记录装置还包括光电集合器；
所述光电集合器植入到所述被测动物体内，用于将所述电极和所述光纤固定在一起，其中，光电集合器通过所述插芯固定所述光纤。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述睡眠剥夺行为学装置是水平台睡眠剥夺装置。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述睡眠剥夺行为学装置包括：食盒、饮水瓶、平台以及水池；其中，所述平台为仅供所述被测动物站立的平台。
9.一种生物反馈调控方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的生物反馈调控***，包括：
将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；
通过采集反馈装置采集所述被测动物的生理信号；
通过所述采集反馈装置分析所述生理信号，并基于所述生理信号确定调控信号；
将所述调控信号输入到调控装置，以使所述调控装置调控所述被测动物的状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调控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。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110896923A (zh) * 2019-12-17 2020-03-24 无限极（中国）有限公司 一种焦虑联合连续睡眠缺失导致认知下降的动物模型的构建方法及其应用

Citations (6)

* 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
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 (6)

* 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
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》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110896923A (zh) * 2019-12-17 2020-03-24 无限极（中国）有限公司 一种焦虑联合连续睡眠缺失导致认知下降的动物模型的构建方法及其应用

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