CN113519411B - 用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于神经科学及脑功能磁共振成像领域，公开了一种用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置。该装置包括无创式动物固定***、视觉刺激***、行为反馈***、奖惩***、中央控制***；较佳地还包括行为训练箱。无创式动物固定***采用头盔方式固定头部，无需对动物进行手术，对动物无损伤，简化了实验操作。行为反馈***允许眼睛和手臂两种模态的行为输出，拓展了实验范式的维度。本发明可用于灵长类动物清醒任务态的功能磁共振成像实验，以及多种认知行为范式的训练。
Description
技术领域
本发明涉及神经科学及脑功能磁共振成像领域，尤其涉及一种用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置。
背景技术
揭示大脑的奥秘是新世纪人类面临的最大挑战，以阐明脑的工作原理为目标的脑科学是当今最重要的科学前沿领域之一。脑功能磁共振成像是近代脑科学发展史上极为重要的一项技术，它实现了静息态与任务态下全脑活动情况的非侵入式、快速获取，被广泛运用于人类被试的脑科学和脑疾病研究，已取得了大量有重要意义的研究发现。非人灵长类动物(猕猴等)凭借与人类在遗传、生理、神经解剖和行为上的相似性，自从20世纪中期开始，就已经被广泛用于脑科学的研究。清醒非人灵长类脑功能磁共振成像为脑科学研究提供了一扇窗口，因兼具功能磁共振成像和清醒状态非人灵长类动物实验二者的技术特点，在脑科学及脑疾病的研究方面具有独特的优势，近年来在国际脑科学研究中受到了广泛的重视。利用该技术获得的数据可以与人类被试上的研究结果直接进行比较，弥补了以往由于实验手段不同而造成的跨物种研究结果难以甚至无法比较的缺憾，为将动物研究结果最终向临床转化提供了基础。同时，该技术可与经典的介观、微观尺度的实验方法相结合，极大地促进了跨尺度、多模态脑活动研究的发展，大大增加了实验的灵活性和数据的多样性，对全面深入地进行脑功能和脑疾病的机制研究将起到重大的推动作用。此外，该技术可以对同一个体进行长期监测，为脑功能和脑疾病长期跟踪提供了可能。
但是，由于需要在强磁场环境中实现动物头部固定、实时任务反馈等各方面的技术困难，实现清醒非人灵长类动物脑功能磁共振成像是一项很大的技术挑战。首先，开展脑功能磁共振成像最重要的一点是限制头部在成像过程中固定不动，而实验动物无法在清醒状态下做到，为保证头部固定这一必要条件的实现，现有清醒非人灵长类脑功能磁共振成像实验前需要在动物颅骨上安装牢固的“头柱”，从而约束动物头部运动。该方法需要对动物进行创伤性手术，术后需要大量时间对创口进行维护；其次，由于需要动物根据实验任务要求做出行为应答，目前最为常用的方法是根据动物眼跳来反馈，但该方法需要购置昂贵的磁场兼容的眼动监控设备，且针对那些要求动物在做出行为应答的同时保持眼睛注视点不变的情况时，就产生了矛盾。基于上述原因，目前在全球范围内，能够成功并有效地使用该技术进行研究的机构屈指可数。
发明内容
本发明的目的在于提供用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置及其应用。
在本发明的第一方面，提供一种用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置，包括：无创式动物固定***、视觉刺激***、行为反馈***、奖惩***、中央控制***。
在一个优选例中，所述无创式动物固定***用于限制灵长类动物身体与固定动物头部，包括：包括动物椅、头盔、牙棒；所述牙棒与头盔配合，固定动物头部；较佳地，所述无创式动物固定***为磁场兼容材料制作。
在另一优选例中，所述无创式动物固定***还包括：转换器。
在另一优选例中，所述动物椅是箱式结构，包括：箱体，其内部用于容纳动物头颈以下的身体部位，设置开孔(头孔和臂孔)供动物的头和手伸出箱体；较佳地，所述动物椅是六面箱式结构；允许动物进出的门；颈板，用于固定动物颈部，使动物头部伸出于箱体；升降板，其能上升和下降，用于配合动物***变换和姿势调节。
在另一优选例中，所述的颈板设置有卡槽，其与动物项圈相匹配。
在另一优选例中，所述的动物***包括：立位，卧位。
在另一优选例中，所述转换器一端固定在动物椅(较佳地动物椅的颈板)上，另一端固定头盔和牙棒。
在另一优选例中，所述头盔包括上下两个部分，左右两个部分或前后两个部分；两个部分能合拢以包裹动物头部或限制动物头部的运动。
在另一优选例中，所述头盔包括根据动物眼和耳位置而设置的窗口。
在另一优选例中，所述头盔包括鼻梁卡槽，用于与头盔的内侧部配合、固定动物头部。
在另一优选例中，所述头盔还包括侧翅，用于将头盔固定于转换器。
在另一优选例中，所述头盔基于动物的头颅3D模型制作，头盔内部形状特征符合动物个体头颅特征。
在另一优选例中，所述牙棒一端固定于所述转换器，另一端用于在动物头部固定后置于动物牙齿下方；较佳地，所述牙棒与牙齿接触的部分设置为锯齿形。
在另一优选例中，所述视觉刺激***用于呈现实验或训练动物所需的视觉刺激；较佳地，所述视觉刺激***包括显示器，其与中央控制***相连且能由中央控制***控制；较佳地，所述视觉刺激***为磁场兼容材料制作。
在另一优选例中，所述行为反馈***包括(但不限于)：眼动监控装置和/或摇杆。
在另一优选例中，所述眼动监控装置包括摄像头。
在另一优选例中，所述眼动监控装置包括信号输出端，其与所述中央控制***相连，将动物的眼动信息反馈至中央控制***。
在另一优选例中，所述摇杆的主体部分固定在动物椅上，用于由动物操纵摇杆对实验任务给出行为应答。
在另一优选例中，所述摇杆的信号输出端与中央控制***相连，将摇杆的位置信息反馈至中央控制***。
在另一优选例中，所述摇杆为磁场兼容材料制作。
在另一优选例中，所述奖惩***包括选自给水部分、吹气部分、蜂鸣器、驱动控制电路的组件，所述驱动控制电路连接中央控制***且由中央控制***控制。
在另一优选例中，所述给水部分包含水嘴、导管、水瓶和阀门，所述水嘴位于牙棒下，水嘴可设置为使动物无法通过吮吸获得水；较佳地，所述导管包括导管A和导管B，所述阀门为电磁阀门；更佳地，导管A连接电磁阀和水嘴，导管B连接阀门和水瓶，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制水流。
在另一优选例中，所述吹气部分包含气泵、导管、阀门和气嘴；较佳地，所述导管包括导管C和导管D，所述阀门为电磁阀门；更佳地，导管C连接气泵和阀门，导管D接阀门和气嘴，气嘴固定在动物椅上，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制气流。
在另一优选例中，所述蜂鸣器连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭。
在另一优选例中，所述中央控制***进行参数设置和协调控制；较佳地用于控制视觉刺激***、奖惩***、行为反馈***(所述控制包括接受信息和发出指令)。
在另一优选例中，所述中央控制***包括上位机和下位机；所述上位机为控制程序客户端，用户通过程序界面进行训练参数设置，上位机将设置好的参数传给下位机；较佳地，所述上位机还连接磁共振***，接收来自磁共振***的触发信号，该触发信号用于同步磁共振采集的大脑信号、视觉刺激***输出的视觉刺激、奖惩***指令以及行为反馈***记录的动物行为；所述下位机为NI数据采集卡，下位机将来自上位机的指令输出至奖惩***中的驱动控制电路，将行为反馈***所记录的眼动或摇杆信号反馈至上位机。
在另一优选例中，所述用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置还包括：行为训练箱，其用于模拟磁场内环境，进行模拟磁场的动物行为训练。
在另一优选例中，所述行为训练箱包含箱体、排风***、视频监控***；较佳地，所述箱体的壁设置为具有声音衰减功能；较佳地，所述排风***用于保持箱内空气流通和空气清新；较佳地，所述视频监控***包含红外摄像头、红外灯和显示器。
在本发明的另一方面，提供前面任一所述的用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置的用途，用于进行灵长类动物认知行为范式的训练。
在本发明的另一方面，提供前面任一所述的用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置的用途，用于进行灵长类动物磁共振成像实验。
在本发明的另一方面，提供前面任一所述的用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置的用途，用于进行灵长类动物的固定和监测。
在一个优选例中，所述的用途不是以诊断或治疗为直接目的的。
在另一优选例中，所述灵长类动物为非人灵长类动物。
在另一优选例中，所述非人灵长类动物包括：猴、猩猩、猿。
在本发明的另一方面，提供一种进行灵长类动物磁共振成像或成像实验的方法，所述方法包括：(1)提供权前面任一所述的用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置；(2)将灵长类动物置于所述无创式动物固定***中，进行固定；(3)对动物进行磁共振成像。
在本发明的另一方面，提供一种进行灵长类动物训练的方法，包括：(1)提供前面任一所述的用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置；(2)将灵长类动物置于所述无创式动物固定***中，进行固定；(3)由中央控制***输出指令，控制视觉刺激***、奖惩***和/或行为反馈***中的部件进行动物刺激，接收动物所反馈的信息。
在一个优选例中，所述的磁共振成像或成像实验的方法或灵长类动物训练的方法不是以诊断或治疗为直接目的的。
本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
附图说明
图1、本发明的***架构总示意图。
图2、本发明中进入磁共振扫描仪磁体腔部分的示意图。
图3、本发明中动物椅结构图；其中左图为该动物椅结构的门一侧的视图，右图为右图旋转180度后的视图。
图4、本发明中头盔结构图；其中左图为头盔结构的前视图，右图为头盔结构的后视图。
图5A、猕猴在本发明所述的磁共振成像实验装置中进行的摇动摇杆任务。
图5B、6分钟内动物的头动情况；上图为XYZ 3个方向的水平移动，下图为3个轴向的转动角度。
图5C、94个6分钟数据的头动分布。
图5D、摇动摇杆任务激活的大脑区域。
各个附图标记说明如下：
100 无创式动物固定***；
200 视觉刺激***；
300 行为反馈***；
400 奖惩***；
500 中央控制***；
5001 上位机；
5002 下位机；
5003 磁共振成像扫描仪；
600 任务训练箱；
700 动物；
1 动物椅；
2 转换器；
3 头盔；
4 牙棒；
5 水嘴；
6 摇杆；
7 显示器；
8 眼动监控装置；
10 导轨；
11 主体；
12 门；
13 颈板；
14 项圈内调节元件；
15 项圈外调节元件；
16 升降板；
17 门栓；
18 窗口；
19 臂孔；
21 下部分；
22 鼻梁卡槽；
23 侧翅；
24 上部分；
25 侧边。
具体实施方式
本发明人经过深入的研究，提出了一种用于灵长类动物磁共振成像的实验及训练装置，包括无创式动物固定***、视觉刺激***、行为反馈***、奖惩***、中央控制***；较佳地还包括行为训练箱。所述无创式动物固定***限制灵长类动物的身体、固定动物头部；所述视觉刺激***用于呈现实验视觉任务；所述行为反馈***用于追踪并记录动物的行为应答；所述奖惩***用于根据中央控制***的指令给与动物奖励、或惩罚、或声音反馈；所述中央控制***用于参数设置及协调控制。所述行为训练箱可模拟磁场内环境，主要用于日常在磁场外的动物行为训练。
如本文所用，所述的“***”也可称为“装置”。
如本文所用，所述的“灵长类动物”优选地为非人灵长类动物，包括：猴、猩猩、猿。
动物固定***
本发明人针对灵长类动物的特点，设计了可以有效限制灵长类动物的身体、固定动物头部，且对动物不造成伤害的动物固定***，称为无创式动物固定***。
所述无创式动物固定***包括动物椅、头盔和牙棒。其中，所述牙棒可与头盔配合，固定动物头部。
在本发明的优选方式中，所述动物椅为一种箱式结构的动物固定装置，可有效固定动物身体，包括：用于容纳动物头颈以下的身体部位的箱体，用于固定动物颈部、使动物头部伸出于箱体的颈板，用于配合动物***变换或姿势调节的升降板。所述动物椅可使得动物身体在箱体内，头置于箱体外部。所述动物椅可以设置动物的***，例如立位和卧位，立位用于运输动物，卧位用于行为训练或磁共振成像实验。
在本发明的优选方式中，所述动物椅的各个组件由磁场兼容材料制作。
所述头盔可分为上下两个部分，左右两个部分或前后两个部分，两个部分能合拢以包裹动物头部或限制动物头部的运动。在本发明的优选方式中，所述头盔分为上下两个部分，其中下部分覆盖动物下颌骨、颧骨与鼻梁骨，负责整个头部重量的支撑。
在本发明的优选方式中，所述头盔包括根据动物眼和耳位置而设置的窗口。较佳地，所述头盔包括鼻梁卡槽，用于与头盔的内侧部配合、固定动物头部。较佳地，所述头盔还包括侧翅，用于将头盔固定于转换器。头盔***通过转换器与动物椅固定，上部分覆盖动物枕骨、额骨，并预留动物眼睛、耳朵位置，确保动物视线不被遮挡，头盔的两部分合并后，能够完整包裹整个头部；转换器一端固定在动物椅颈板上，一端用于固定头盔和牙棒；
在本发明的优选方式中，所述头盔设置为内部形状特征符合动物个体头颅特征，较佳地其可基于每一只实验动物的头颅3D模型定制。较佳地其内壁表面黏贴泡沫缓冲层，从而可无缝、舒适、完整地包裹整个动物头部，使动物头部在头盔中无法移动。较佳地，所述头盔的外部形状为规则的几何形状，便于磁共振信号接收线圈的摆放。
所述牙棒用于防止动物头部扭动(左右和上下扭动)，一端固定在前述用于固定头盔的转换器上，另一端在动物头部固定后置于动物门牙下方。在本发明的优选方式中，牙棒中固定在牙齿下方的部分采用锯齿形设计，防止由于头部扭动导致的脱落。
在本发明的优选方式中，所述头盔的各个组件由磁场兼容材料制作。
视觉刺激***
所述视觉刺激***用于呈现实验或训练动物所需的视觉刺激，其与中央控制***相连。较佳地，该视觉刺激根据用户程序设定由中央控制***生成。
所述视觉刺激***包括能够给予动物以视觉刺激的装置；较佳地所述装置为至少一个显示器，更佳地所述显示器为磁共振兼容的液晶显示器。其它能够给予动物以视觉刺激的装置也可被包含在本发明中，例如一些能够构成相对移动以吸引动物视线的装置。
在本发明的优选方式中，所述视觉刺激***的各个组件由磁场兼容材料制作。
行为反馈***
行为反馈***用于接收动物的行为反应，并将之传送到中央控制***。
所述行为反馈***包括(但不限于)：眼动监控装置和/或摇杆。此外，其它可用于研究或监控动物反应或行为的装置也可被包含在本发明中。
作为本发明的优选方式，所述眼动监控装置(如眼动仪)包括摄像头。所述摄像头可被置于所述视觉刺激***中的显示器附近，其它合适的位置也是可以的，只要能监控到动物的眼睛、捕捉眼球变化。较佳地，所述眼动监控装置可采用商业化磁共振兼容眼动仪，用于实时监控实验过程中动物的眼动。较佳地，可将该眼动仪摄像头部分置于视觉刺激***中的显示器下方，信号输出端与中央控制***相连，将眼动信息反馈至中央控制***。
作为本发明的优选方式，所述摇杆是由磁场兼容材料替代商业化摇杆中的金属部件改造而成，其主体部分固定在动物椅上，用于由动物操纵摇杆对实验任务给出行为应答，信号输出端与中央控制***相连，将摇杆的位置信息反馈至中央控制***。
在本发明的优选方式中，所述行为反馈***的各个组件由磁场兼容材料制作。
奖惩***
所述的奖惩***用于根据中央控制***的指令给予动物奖励、惩罚、或声音反馈。
作为本发明的优选方式，所述奖惩***包括：给水部分。所述给水部分包含水嘴、导管、水瓶和阀门。较佳地，所述水嘴位于牙棒下，水嘴可设置为使动物无法通过吮吸获得水。较佳地，所述导管包括导管A和导管B，所述阀门为电磁阀门。更佳地，导管A连接电磁阀和水嘴，导管B连接阀门和水瓶，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制水流。较佳地，水嘴设置为三个铜管并排水平排列的结构，在出水端齐平，中间的铜管长度较长，连接导管A，该结构使动物无法吮吸水管内的水；水嘴固定元件使水嘴位于动物嘴的正前方。
作为本发明的优选方式，所述奖惩***包括：吹气部分，其包含气泵、导管、阀门和气嘴。较佳地所述气泵为氧气泵。较佳地，所述导管包括导管C和导管D，所述阀门为电磁阀门；更佳地，导管C连接氧气泵和阀门，导管D接阀门和气嘴，气嘴固定在动物椅上，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制气流。
作为本发明的优选方式，所述奖惩***包括：蜂鸣器，其直接与驱动控制电路相连。
所述奖惩***中的各个组件，包括给水部分、吹气部分、蜂鸣器等，均与驱动控制电路连接，受其控制。所述驱动控制电路连接中央控制***且由中央控制***控制。
在本发明的优选方式中，所述奖惩***的各个组件由磁场兼容材料制作。
中央控制***
所述中央控制***可与所述无创式动物固定***、视觉刺激***、行为反馈***、奖惩***视觉刺激***、行为反馈***和/或奖惩***直接或间接地相连，控制它们的运行，获取反馈信息。
作为本发明的优选方式，所中央控制***中的上位机为控制程序客户端，用户通过程序界面进行训练参数设置，上位机将设置好的参数传给下位机；上位机还与磁共振成像扫描仪相连，接收来自磁共振成像扫描仪的触发信号，该触发信号用于时间上同步磁共振成像扫描仪采集大脑信号、视觉刺激***输出视觉刺激、奖惩***指令以及行为反馈***记录动物行为。
作为本发明的优选方式，所中央控制***中的下位机为NI数据采集卡，下位机将来自上位机的指令输出至奖惩***中的驱动控制电路，同时将行为反馈***所记录的眼动或摇杆信号反馈至上位机。
行为训练箱
在可选的实施方式中，本发明的装置还包括行为训练箱。当运用本发明的装置进行磁共振成像实验时，可以不运用该行为训练箱；当运用本发明的装置进行为了配合磁共振成像实验的动物训练时，可以运用该行为训练箱，其可模拟磁场内的环境，进行模拟磁场(在磁场外)的动物行为训练。
作为本发明的优选方式，所述行为训练箱包含箱体、排风***、视频监控***。箱体是一个长方体结构，较佳地其具有六个面，较佳地其各个面包括三层夹心结构，中间为泡沫层，两侧为有机玻璃板，这样的设置可使训练箱具有声音衰减功能；排风***由排气管和排气扇组成，排气管连接箱体和排气扇，排气扇将箱内空气排到训练室外，保持箱内空气流通和室内空气清新；视频监控***包含红外摄像头、红外灯和显示器，其功能为监视动物的行为状态。
本发明的装置，可用于灵长类动物清醒任务态的功能磁共振成像实验，以及多种认知行为范式的训练。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
实施例1、磁共振成像的实验装置
如图1所示，本发明的磁共振成像的实验装置包含了无创式动物固定***100、视觉刺激***200、行为反馈***300、奖惩***400、中央控制***500。图中示出了各部分在空间上的一种相对位置关系。图中由虚线框定部分，在成像实验时，会进入扫描仪磁体腔。图中箭头连线示出了中央控制***500和视觉刺激***200、行为反馈***300、奖惩***400之间的信息传递方向。中央控制***将视觉刺激信息通过上位机5001传递给视觉刺激***200，中央控制***将奖惩信息通过下位机5002传递给奖惩***400，动物的行为反馈通过下位机5002传递给中央控制***500。上位机5001接收来自磁共振成像扫描仪5003的同步触发信号。
图2示出了本发明中进入磁共振扫描仪磁体腔的部分，该部分包含动物椅1、转换器2、头盔3、牙棒4、水嘴5、摇杆6、显示器7和眼动监控装置8。动物椅1、转换器2、头盔3、牙棒4构成了无创式动物固定***。各元件的位置如图所示，动物椅1通过转换器2连接头盔3，牙棒4固定在转换器2上。水嘴5置于牙棒4下方。牙棒4和水嘴5在转换器2上的位置可以调节，以方便牙棒4和水嘴5置于不同体型的动物口中。摇杆6直接固定在动物椅1上。显示器7置于动物眼睛前57厘米。眼动仪8的摄像头置于显示器下方，监控动物眼动。
图3示出了本发明中动物椅的结构，动物椅包含主体11、门12、颈板13、项圈内调节元件14、项圈外调节元件15和升降板16。门由4个门栓17固定。动物椅有两个姿态位：立位和卧位，立位用于动物转移，卧位用于训练或成像实验。立位时，拔掉同侧两个门栓17，可开门。动物椅的一个面上，包括项圈外调解元件15，可将动物的项圈卡入颈板的卡槽中，插上项圈外调解元件15即可固定动物。动物椅的两侧开有两个带门的窗口18，用于训练员抓握动物的手臂和腿。动物右臂可从臂孔19伸出，以便操作摇杆。动物椅的两侧安装导轨10，该导轨的宽度与磁共振成像扫描仪床的导轨匹配。
图4示出了本发明中头盔的结构，包含上下两部分。下部分21覆盖动物下颌骨及颧骨，负责整个头部重量的支撑，鼻梁卡槽22用于固定动物鼻梁，与左右颧骨固定点构成三点固定面，用于限制头部左右摆动及仰头。下部分21通过侧翅23固定在图2所示的转换器上。上部分24覆盖动物枕骨及额骨，负责限制头部上下移动及旋转，并根据动物解剖结构特点为其预留眼睛、耳朵的窗口，便于视觉刺激及听觉刺激的实施。头盔上下两部分通过侧边25经螺栓闭合后，能够完整包裹整个动物头部，并全方位限制头部运动。
2、视觉刺激***
所述的视觉刺激***包括液晶显示器7，其与中央控制***相连且能由中央控制***控制。
3、行为反馈***
所述行为反馈***300包括：眼动监控装置8和摇杆6。所述眼动监控装置8包含一眼动摄像头。所述摇杆包括把手，适合于动物握取和操控。
4、奖惩***
所述奖惩***包括：给水部分、吹气部分、蜂鸣器、驱动控制电路的组件，所述驱动控制电路连接中央控制***且由中央控制***控制。
所述给水部分包括水嘴5、导管、水瓶和阀门。所述水嘴5位于牙棒4之下。所述导管包括导管A和导管B，所述阀门为电磁阀门。导管A连接电磁阀和水嘴5，导管B连接阀门和水瓶，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制水流。水嘴5设置为三个铜管并排水平排列的结构，中间的铜管长度较长，连接导管A，该结构使动物无法吮吸水管内的水；水嘴5固定元件使水嘴位于动物嘴的正前方。
所述吹气部分包含氧气泵、导管、阀门和气嘴；所述导管包括导管C和导管D，所述阀门为电磁阀门；导管C连接氧气泵和阀门，导管D接阀门和气嘴，气嘴固定在动物椅上，阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制气流。
所述蜂鸣器直接与驱动控制电路相连。
5、中央控制***
所述中央控制***500包括上位机5001和下位机5002。上位机5001为控制程序客户端，用户通过程序界面进行训练参数设置，上位机5001将设置好的参数传给下位机5002；上位机5001还与磁共振***相连，接收来自磁共振成像扫描仪的触发信号。
所中央控制***中的下位机5002为NI数据采集卡，下位机5002将来自上位机5001的指令输出至奖惩***中的驱动控制电路，同时将行为反馈***所记录的眼动或摇杆信号反馈至上位机5001。
实施例2、磁共振成像的训练装置
所述的磁共振成像的训练装置包括了实施例1所述的磁共振成像的实验装置，以及行为训练箱。
图1中由虚线框定部分，在成像实验时，会进入磁共振成像扫描仪磁体腔，在行为训练时，置于行为训练箱内。
实施例3、磁共振成像的训练装置的使用
本实施例中，运用实施例2所述的磁共振成像的训练装置进行动物的训练。
在训练时，将灵长类动物700置于所述无创式动物固定***中，进行固定。包括：打开所述动物椅的门12，开门后，抽出项圈外调解元件15，将动物的项圈卡入颈板的卡槽中，使动物身体进入主体11中，插上项圈外调解元件15即可固定动物。调节升降板16的高度，使动物恰好可以坐于升降板上。关闭门12，放倒动物椅，使门12处在底面，动物蹲坐在底面上。动物椅的两侧开有两个带门的窗口18，用于训练员抓握动物的手臂和腿。动物右臂可从臂孔19伸出，以便操作摇杆。
在行为训练箱中放置扬声器，播放磁共振成像实验时磁共振成像扫描仪产生的声音。调节扬声器音量，使训练箱内声音达到约70分贝。行为训练箱能使声音衰减30～40分贝，所以训练箱内的声音传到训练箱外约为30～40分贝，相当于人轻声说话的声音，不会对实验员造成噪音干扰。同时，实验人员的谈话也不会影响训练箱内的动物。打开排风***，保证训练箱内空气清新，同时确保训练箱内温度保持在21～25℃。
由中央控制***运行用户自定义的程序，中央控制***会自动控制视觉刺激***200、奖惩***400，行为反馈***300中的部件，进行动物行为训练。该实例中，程序通过公开的MonkeyLogic工具包编写。
与传统的头柱固定的方式相比，运用该发明所述的磁共振成像的训练装置，无需对动物进行手术以安装头柱，省去了手术和术后恢复时间，约2周。也省去了安装头柱方式对伤口的定期护理，极大的节省了时间和人力成本。本发明人对清醒状态的猕猴进行了多批次，长达一年的训练，证实该装置简单易用，动物配合程度高，从未致使动物受伤。说明这一装置可良好地适用于受试猴的认知行为训练。
实施例4、磁共振成像实验装置的效果
本实施例中，运用实施例1所述的磁共振成像的实验装置进行动物的功能磁共振成像实验，并对该装置的效果进行了评估：包括动物的头动情况和参与特定认知任务的大脑区域。
本发明人运用该发明所述的磁共振成像实验装置采集了猕猴进行摇动摇杆任务时的头部图像，并评估了头动指标，以及寻找到该任务激活的大脑区域。理论上，大脑负责手部运功的初级运动皮层M1和辅助运动皮层SMA会被激活。
简单描述该摇动摇杆任务如下(图5A)：动物右手操纵摇杆，动物需将摇杆操控的白色圆点(类似于鼠标)置于屏幕中央的红色圆点上，以便启动该次试验，0.2秒后，视觉刺激***在显示器0°、90°、180°和270°4个方向随机呈现一个带颜色的方块(图5A的事例中方块出现在180°)，动物需在2秒内摇动摇杆，操纵白色圆点，将白色圆点置于方块上，成功后会得到奖赏***给与的奖励(水)，这样动物完成了一次摇动摇杆。完成一次摇杆摇动，动物需静止27s，然后进行下一次摇杆摇动任务。动物一共需完成12次试验，也就是摇动摇杆12次，总共时间为6分钟。
图5B展示了6分钟内动物的头动情况，包括X、Y、Z 3个维度方向的平移(图5B上)和3个方向的转动(图5B下)，可以发现平移都小于0.5mm，转动都小于0.5°。
另一认知任务(非上述摇杆摇动任务)中，本发明人收集了94次6分钟数据。本发明人计算了6个头动参数(计算时，依据大脑的最大直径80mm将旋转角度换算成距离)的绝对值算数和，用一个数值评估头动。该94次数据的头动分布如图5C所示。平均头动为0.46mm，最大头动不超过0.7mm，大部分头动在0.4～0.5mm，完全满足磁共振成像的要求。特别需要强调的是，该算法得到的结果大于真实的头动，所以真实的头动应该比本发明人所计算的头动要小。
图5D展示了摇动摇杆任务激活的大脑区域。左右两侧初级运动皮层M1、和辅助运动皮层SMA激活，而且左侧初级运动皮层激活更强，这与右手运动相一致(左脑支配右手)。大脑皮层的激活结果与理论上的结果一致。
以上动物的头动和任务激活的大脑区域说明该发明所述的装置能够很好的固定清醒动物的头部，头动完全满足清醒态灵长类动物磁共振成像实验的要求，且能得到可靠的大脑功能结果。
应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (28)
1.一种进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，所述灵长类动物为非人灵长类动物，所述方法包括：
(1) 提供用于灵长类动物磁共振成像的实验或训练装置，其包括：无创式动物固定***、视觉刺激***、行为反馈***、奖惩***、中央控制***；所述无创式动物固定***用于限制灵长类动物身体与固定动物头部，包括动 物椅、头盔、牙棒、转换器；所述转换器一端固定在动物椅上，另一端固定 头盔和牙棒；所述牙棒与牙齿接触的部分设置为锯齿形；
所述牙棒与头盔配合，固定动物头部；所述牙棒一端固定于所述转换器， 另一端用于在动物头部固定后置于动物牙齿下方；所述头盔包括侧翅，用于 将头盔固定于转换器位；所述头盔包括鼻梁卡槽，用于与头盔的内侧部配合、 固定动物头部；
所述奖惩***包括选自给水部分，包含水嘴、导管、水瓶和阀门；所述水嘴位于所述牙棒下，水嘴设置为使动物无法通过吮吸获得水；
所述动物椅是箱式结构，包括：箱体，其内部用于容纳动物头颈以下的身体部位，设置开孔供动物的头和手伸出箱体；允许动物进出的门；颈板， 用于固定动物颈部，使动物头部伸出于箱体；升降板，其能上升和下降，用于配合动物***变换和姿势调节，所述无创式动物固定***为磁场兼容材料制作,所述视觉刺激***为磁场兼容材料制作，所述行为反馈***包括：眼动监控装置和/或摇杆, 所述摇杆的主体部分固定在动物椅上，用于由动物操纵摇杆对实验任务给出行为应答, 所述摇杆为磁场兼容材料制作，该装置还包括：行为训练箱，其用于模拟磁场内环境，进行模拟磁场的动物行为训练；
(2) 将灵长类动物置于所述无创式动物固定***中，进行固定；
(3) 对动物进行磁共振成像； 所述非人灵长类动物选自：猴、猩猩、猿。
2. 如权利要求1所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于， 所述的颈板设置有卡槽，其与动物项圈相匹配。
3. 如权利要求1所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于， 所述头盔包括上下两个部分，左右两个部分或前后两个部分；两个部分能合拢以包裹动物头部或限制动物头部的运动。
4. 如权利要求1所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于， 所述头盔包括根据动物眼和耳位置而设置的窗口。
5. 如权利要求1所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于， 所述头盔基于动物的头颅 3D 模型制作，头盔内部形状特征符合动物个体头颅特征。
6. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在 于，所述视觉刺激***用于呈现实验或训练动物所需的视觉刺激。
7. 如权利要求6 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在 于，所述视觉刺激***包括显示器，其与中央控制***相连且能由中央控制***控制。
8. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在 于，所述眼动监控装置包括摄像头。
9. 如权利要求 1所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在 于，所述眼动监控装置包括信号输出端，其与所述中央控制***相连，将动物的眼动信息反馈至中央控制***。
10. 如权利要求1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在 于，所述摇杆的主体部分固定在动物椅上，用于由动物操纵摇杆对实验任务给出行为应答。
11. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述摇杆的信号输出端与中央控制***相连，将摇杆的位置信息反馈至 中央控制***。
12. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述奖惩***包括选自给水部分、吹气部分、蜂鸣器、驱动控制电路的 组件，所述驱动控制电路连接中央控制***且由中央控制***控制。
13. 如权利要求 12 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述导管包括导管 A 和导管 B，所述阀门为电磁阀门。
14. 如权利要求 12 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在电路且由驱动控制电路控制开闭，控制水流。
15. 如权利要求12 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述吹气部分包含气泵、导管、阀门和气嘴。
16. 如权利要求 15 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述导管包括导管 C 和导管 D，所述阀门为电磁阀门。
17. 如权利要求16 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，导管 C 连接气泵和阀门，导管 D 接阀门和气嘴，气嘴固定在动物椅上， 阀门连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭，控制气流。
18. 如权利要求 12 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述蜂鸣器连接驱动控制电路且由驱动控制电路控制开闭。
19. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述中央控制***进行参数设置和协调控制。
20. 如权利要求19 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述中央控制***用于控制视觉刺激***、奖惩***、行为反馈***。
21. 如权利要求 19 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述中央控制***包括上位机和下位机；
所述上位机为控制程序客户端，用户通过程序界面进行训练参数设置， 上位机将设置好的参数传给下位机；
所述下位机为 NI 数据采集卡，下位机将来自上位机的指令输出至奖惩 ***中的驱动控制电路，将行为反馈***所记录的眼动或摇杆信号反馈至上位机。
22. 如权利要求21 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述上位机还连接磁共振***，接收来自磁共振***的触发信号，该触发信号用于同步磁共振采集的大脑信号、视觉刺激***输出的视觉刺激、奖惩***指令以及行为反馈***记录的动物行为。
23. 如权利要求 1 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述行为训练箱包含箱体、排风***、视频监控***。
24. 如权利要求 23所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述箱体的壁设置为具有声音衰减功能。
25. 如权利要求 23 所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述排风***用于保持箱内空气流通和空气清新。
26. 如权利要求 23所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法，其特征在于，所述视频监控***包含红外摄像头、红外灯和显示器。
27. 权利要求 1-26 任一所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的方法的用途，用于：
进行灵长类动物认知行为范式的训练；和
进行灵长类动物磁共振成像实验。
28. 一种进行清醒状态灵长类动物训练的方法，所述灵长类动物为非人灵长类动 物，其特征在于，所述方法包括：
(1) 提供权利要求 1-26 任一所述的进行清醒状态灵长类动物磁共振成像的实验 或训练装置；
(2) 将灵长类动物置于所述无创式动物固定***中，进行固定；
(3) 由中央控制***输出指令，控制视觉刺激***、奖惩***和/或行为 反馈***中的部件进行动物刺激，接收动物所反馈的信息。
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