師 黎，王永瑞，羅 勇

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

腦科學(xué)的研究是本世紀(jì)的科學(xué)前沿領(lǐng)域，學(xué)習(xí)認(rèn)知功能是其中非常重要的研究?jī)?nèi)容.學(xué)習(xí)認(rèn)知功能涉及到大腦對(duì)感知信息的編碼、整合、存儲(chǔ)及利用等多個(gè)復(fù)雜過程，表現(xiàn)出生物感知系統(tǒng)獨(dú)特優(yōu)秀的可塑性機(jī)制.由于視覺是動(dòng)物感知外界環(huán)境的最主要渠道，因此，基于視覺的學(xué)習(xí)認(rèn)知功能研究已成為目前腦科學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題及重要研究方向之一［1］.該研究對(duì)于揭示腦的工作機(jī)制具有重要的理論研究意義［2］，在生物、醫(yī)藥和軍事等領(lǐng)域有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

近年來，越來越多的研究者關(guān)注動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知功能的研究.他們通過開發(fā)并設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案，以期揭示相關(guān)的視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知機(jī)制，并把這些實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)施方案廣泛用于篩選影響認(rèn)知行為的藥物以及探討藥物對(duì)認(rèn)知行為的作用機(jī)理等研究中［3］.動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)計(jì)原理是通過視覺刺激和動(dòng)物行為之間的關(guān)系來研究和強(qiáng)化動(dòng)物的視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知、學(xué)習(xí)記憶等功能，并通過建立行為學(xué)指標(biāo)對(duì)動(dòng)物的學(xué)習(xí)認(rèn)知能力進(jìn)行評(píng)估和篩選［4］.早在上世紀(jì)六十年代德國科學(xué)家G?etz［5］便針對(duì)果蠅的視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練設(shè)計(jì)了視覺飛行模擬器.2000年加拿大萊斯布里奇大學(xué)的研究者們?cè)O(shè)計(jì)了針對(duì)大鼠的被迫式潛水選擇實(shí)驗(yàn)裝置［6］.2004年他們又設(shè)計(jì)了視動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置［7］，以實(shí)現(xiàn)對(duì)成年或幼年大鼠的視功能進(jìn)行快速評(píng)估.以上這些早期的實(shí)驗(yàn)裝置自動(dòng)化水平較低，無論是實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整、實(shí)驗(yàn)過程控制還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄分析都需要耗費(fèi)大量的人力和物力.

針對(duì)這些問題，近年來研究者們進(jìn)行了新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā).2010年哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院設(shè)計(jì)了圖像刺激舔食實(shí)驗(yàn)［8］，頭部固定的大鼠被訓(xùn)練去舔前方刺激器的特定位置.2008年中國科技大學(xué)設(shè)計(jì)了用于對(duì)小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力進(jìn)行測(cè)試的環(huán)形平臺(tái)［9］.2011年沈陽醫(yī)學(xué)院開發(fā)了閉合旋轉(zhuǎn)式迷宮的動(dòng)物記憶訓(xùn)練系統(tǒng)［10］.2009年浙江大學(xué)開發(fā)了用于非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物行為學(xué)習(xí)訓(xùn)練裝置，通過視覺刺激、搖桿檢測(cè)和給水犒賞的方式對(duì)獼猴等非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的行為學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練［11］.這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平有所提高，但是這些系統(tǒng)都是針對(duì)各自的實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩碓O(shè)計(jì)的，所適用的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)方案都較為單一，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析及對(duì)動(dòng)物學(xué)習(xí)認(rèn)知能力的評(píng)估功能都比較薄弱.

因此，筆者開發(fā)了一套動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知自動(dòng)訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)包括嚙齒類、靈長(zhǎng)類等動(dòng)物基于視覺任務(wù)的學(xué)習(xí)認(rèn)知行為自動(dòng)訓(xùn)練及其認(rèn)知能力自動(dòng)評(píng)估等功能.該系統(tǒng)具有無人職守、自動(dòng)高效、通用可靠、分析評(píng)估功能完善等特點(diǎn)，目前已在以大鼠為研究對(duì)象的視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中取得了較好的效果.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概況

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由監(jiān)控子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩部分組成.其中監(jiān)控子系統(tǒng)包括PC機(jī)和攝像頭兩部分.PC機(jī)配有兩個(gè)液晶顯示器，一個(gè)用于顯示PC端的主控操作和攝像頭監(jiān)控的畫面，另一個(gè)用于顯示刺激圖像.PC端主控操作軟件主要用于實(shí)驗(yàn)中參數(shù)的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)過程的控制以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析.控制子系統(tǒng)采用C8051F320單片機(jī)作為主控芯片，使用電容式觸摸屏(電容屏)和紅外光電開關(guān)采集動(dòng)物對(duì)刺激圖像的反應(yīng)結(jié)果，通過電磁閥進(jìn)行投食犒賞或?qū)ζ涫┘勇暪獯碳土P.PC機(jī)和單片機(jī)通過USB線纜通信.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)的運(yùn)行原理:首先，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定視覺刺激圖像，并在顯示屏上顯示.實(shí)驗(yàn)對(duì)象在受到視覺圖像刺激后通過觸摸屏進(jìn)行反應(yīng)，完成認(rèn)知或其它學(xué)習(xí)任務(wù);然后，系統(tǒng)根據(jù)其采集到的反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的獎(jiǎng)懲刺激;實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自主分析并給出對(duì)應(yīng)的評(píng)估結(jié)果.

2 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制終端，采用Visual C++開發(fā)，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示.軟件采用多線程編程方式，可支持1～4個(gè)實(shí)驗(yàn)箱同時(shí)連接到同一PC端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有效地節(jié)約了上位機(jī)資源和實(shí)驗(yàn)成本.

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行新建編輯保存等操作.根據(jù)動(dòng)物學(xué)習(xí)認(rèn)知訓(xùn)練的要求，本系統(tǒng)提供3種類型的實(shí)驗(yàn)方案，分別針對(duì)單幅圖片刺激、雙圖分左右屏刺激、視頻顯示刺激3種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?方案設(shè)置均使用簡(jiǎn)潔的文件選擇方式，使軟件操作簡(jiǎn)單，界面友好.方案文件最終以INI文件的格式進(jìn)行保存，方便實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行加載.

圖2 監(jiān)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure ofmonitoring subsystem

實(shí)驗(yàn)過程控制模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的加載、實(shí)驗(yàn)過程的起?？刂?、實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示等功能，并且可以通過攝像頭對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控和錄像.實(shí)驗(yàn)人員通過這一模塊可以對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行方便的操控和監(jiān)測(cè).

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析模塊包括實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)動(dòng)物檔案錄入、實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄以及實(shí)驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)部分.本模塊選擇ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動(dòng)物檔案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄.實(shí)驗(yàn)人員信息和動(dòng)物信息在實(shí)驗(yàn)前由實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行錄入，而實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、正確率等信息則由控制軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后生成的結(jié)果文件為本次實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，以Excel表格格式存儲(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過軟件統(tǒng)計(jì)分析后以圖表的方式提供給實(shí)驗(yàn)人員，進(jìn)而按照預(yù)先設(shè)定的評(píng)估方案和篩選標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)估篩選建議供實(shí)驗(yàn)人員參考，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)評(píng)估功能.

3 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制子系統(tǒng)的主要功能為通過USB通訊接收來自監(jiān)控子系統(tǒng)的控制指令，按照指令要求對(duì)電容式屏、電磁閥、紅外光電開關(guān)、聲光刺激電路等外圍器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，并把實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的回傳至PC端.

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制子系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.主控芯片C8051F320單片機(jī)內(nèi)部集成了USB功能控制器，不需要外部器件便可以實(shí)現(xiàn)與PC端的USB通訊.這款芯片還支持SMBus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這種協(xié)議與IIC通信協(xié)議相兼容，從而可以滿足與電容屏進(jìn)行通信的要求.

圖3 控制器硬件電路方框圖Fig.3 Hardware structure of Controller

電源部分采用DC12 V和USB總線5 V雙電源供電，兩個(gè)電源之間通過光耦進(jìn)行隔離，從而防止DC12 V電路對(duì)低壓控制部分以及計(jì)算機(jī)的USB口產(chǎn)生影響.

相比于已有的搖桿等檢測(cè)裝置或其他人工記錄動(dòng)物反應(yīng)的方法，觸摸屏技術(shù)通用性強(qiáng)，可以適用于更多種類的實(shí)驗(yàn)對(duì)象.同時(shí)觸摸屏技術(shù)還可以消除大部分由于實(shí)驗(yàn)者的人為因素造成的失誤或錯(cuò)誤［3］，從而為實(shí)現(xiàn)無人職守自動(dòng)訓(xùn)練提供了重要條件.考慮到不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的觸碰力度有所不同，為了避免因觸碰力度太小導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集失敗，本系統(tǒng)選用了電容式觸摸屏檢測(cè)動(dòng)物觀看刺激圖像后的反應(yīng).

紅外光電開關(guān)用于檢測(cè)動(dòng)物是否位于有效的進(jìn)食區(qū)域.動(dòng)物投食裝置使用電磁式放水閥，與儲(chǔ)水瓶導(dǎo)管配合，可以控制牛奶、水等液體食物的投放，適用于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的投食犒賞.由高亮LED和蜂鳴器組成聲光刺激電路用于對(duì)動(dòng)物進(jìn)行懲罰.

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制子系統(tǒng)軟件主要包括USB通訊、電容屏驅(qū)動(dòng)、電磁閥控制、聲光紅外控制4個(gè)部分.其中USB通訊和電容屏驅(qū)動(dòng)是最重要的部分.

主程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、端口、定時(shí)器的配置和外設(shè)的初始化工作.在這些工作結(jié)束之后程序進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，涉及的中斷主要包括USB通信中斷和電容屏觸發(fā)的外部中斷兩種.USB通信中斷程序流程圖如圖4所示.

電容屏初始化操作結(jié)束之后，當(dāng)其檢測(cè)到有效碰觸信號(hào)時(shí)將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，在單片機(jī)的中斷程序中對(duì)電容屏相應(yīng)緩存區(qū)進(jìn)行讀取即可獲得動(dòng)物碰觸的坐標(biāo)值，并且在控制器接收到查詢指令時(shí)進(jìn)行回傳.與此同時(shí)控制器會(huì)根據(jù)動(dòng)物判斷結(jié)果的正誤和紅外光電開關(guān)檢測(cè)動(dòng)物是否位于有效投食位置來控制電磁閥進(jìn)行相應(yīng)的投食犒賞或驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和高亮LED進(jìn)行聲光刺激懲罰.

圖4 USB通訊中斷程序流程圖Fig.4 The flow chart of USB interrupt p rogram

4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PC端和單片機(jī)之間采用USB通信方式，通信協(xié)議包括PC端至單片機(jī)和單片機(jī)至PC端兩個(gè)部分，分別如表1和表2所示.

表1 PC端至單片機(jī)的數(shù)據(jù)幀Tab.1 Frame from PC to MCU

表2 單片機(jī)至PC端的數(shù)據(jù)幀Tab.2 Frame from MCU to PC

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以大鼠為例，基于以上給出的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)步驟，開發(fā)了動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知自動(dòng)訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng).系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示，其中圖5(a)為系統(tǒng)整體實(shí)物圖，圖5(b)為控制器部分實(shí)物圖.

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical diagram of the system

實(shí)驗(yàn)箱采用自制的有機(jī)玻璃制作，實(shí)驗(yàn)箱一側(cè)開窗用于安裝電容屏，電容屏上方安裝控制器和聲光刺激電路;實(shí)驗(yàn)箱另一側(cè)安裝投食控制裝置和紅外光電開關(guān)，上方安裝攝像頭，攝像頭連接至計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)與兩個(gè)顯示器相連，用于人機(jī)交互的顯示器置于箱體外部，用于顯示刺激圖像的顯示器裝在實(shí)驗(yàn)箱觸摸屏的后方與觸摸屏貼緊.投食控制裝置由儲(chǔ)水瓶、電磁閥、紅外光電開關(guān)和食盤組成，儲(chǔ)水瓶與電磁閥進(jìn)水口連接，電磁閥出水口連接導(dǎo)管，導(dǎo)管的出水口位于食盤上方.紅外光電開關(guān)安裝于食盤上方一側(cè).電容屏、紅外光電開關(guān)、電磁閥和聲光刺激電路均通過導(dǎo)線與控制器連接，控制器通過USB線與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)安裝有自主開發(fā)的監(jiān)控評(píng)估軟件.

6 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，選取兩只雄性LE大鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，編號(hào)分別為25-1和25-2.實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行嚴(yán)格的限食控水，實(shí)驗(yàn)過程中使用水作為犒賞.實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排為每只大鼠每日進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約30 min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為上午8:30～10:30之間，兩次實(shí)驗(yàn)正確率的平均值作為當(dāng)天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

筆者設(shè)計(jì)的視覺學(xué)習(xí)任務(wù)共分為兩個(gè)階段:第一階段采用一屏單圖的刺激模式，實(shí)驗(yàn)過程中交叉出現(xiàn)正弦光柵和灰屏，訓(xùn)練大鼠在出現(xiàn)光柵的時(shí)候觸屏視為正確，并給予獎(jiǎng)勵(lì);第二階段設(shè)為一屏雙圖的模式進(jìn)行刺激，光柵和簡(jiǎn)單圖形隨機(jī)的出現(xiàn)在屏幕左右兩側(cè)，大鼠需要識(shí)別光柵出現(xiàn)的位置，并在對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行觸屏，才會(huì)給予獎(jiǎng)勵(lì).由于第一階段為進(jìn)入第二階段的基礎(chǔ)，在本文只有當(dāng)?shù)谝浑A段正確率達(dá)到85%以上并穩(wěn)定時(shí)才可以進(jìn)入第二階段進(jìn)行訓(xùn)練.監(jiān)控評(píng)估軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)大鼠30 d內(nèi)兩個(gè)階段的正確率分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果分別如圖6(a)和圖6(b)所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)正確率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Correct rate statistics of the experiments

第一階段單圖刺激模式下兩只大鼠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，實(shí)驗(yàn)初期大鼠需要5～6 d的時(shí)間適應(yīng)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)裝置，正確率很快便達(dá)到50%以上，10 d左右正確率已基本可以穩(wěn)定在80%以上，再經(jīng)過4～5 d的鞏固，最終兩只大鼠的正確率都能達(dá)到90%左右，符合軟件限定的進(jìn)入下一階段的要求.

由于第二階段一屏雙圖的刺激模式需要大鼠對(duì)不同圖像進(jìn)行辨識(shí)，難度較大，所以大鼠在實(shí)驗(yàn)初期正確率較低.由正確率曲線可以看出，總體上正確率還是逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最終正確率可以達(dá)到70%左右，這表明大鼠對(duì)特定圖形的辨識(shí)能力和敏感程度已經(jīng)有了顯著提高.通過兩只大鼠的正確率曲線對(duì)比可以看出，在這一階段25-1的正確率要優(yōu)于25-2，這表明25-1的視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知能力要優(yōu)于25-2，評(píng)估軟件自動(dòng)完成對(duì)兩只大鼠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，給出評(píng)估結(jié)果，有效降低了實(shí)驗(yàn)人員的工作量.

7 結(jié)論

本系統(tǒng)利用可視化編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無人職守、穩(wěn)定可靠、自動(dòng)高效的上位機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了1～4個(gè)實(shí)驗(yàn)箱同時(shí)連接到同一PC端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的功能，有效地節(jié)約了資源和人力成本.電容屏的采用使本系統(tǒng)可以針對(duì)多種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物開展視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，通用性強(qiáng).投食犒賞和刺激懲罰的精確控制，更加有利于強(qiáng)化動(dòng)物的學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果.實(shí)驗(yàn)方案的靈活設(shè)置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)分析評(píng)估為實(shí)驗(yàn)人員開展研究提供了很大的便利.總之，本系統(tǒng)成本低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)于動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)認(rèn)知研究具有重要意義，并且具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值.

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