Устройство для исследования реакций животных Советский патент 1985 года по МПК G06F19/00 A61B5/103 G06F159/00 

1 , Изобретение относится к вычислительной и медицинской технике и пре назначено для физиологических иссле дований в фармакологии, этологии, общей физиологии и т.д. Известно устройство для регистрации числа перемещений животных, содержащее регистры для заполнения координат положения животного, реги стры для запоминания сигналов, соот ветствующих координатам локальным минимумов, узел вычисления разности и сравнения значений координат, счетчики 1J. Однако регистрация только общей двигательной активности или определение местоположения животного с помощью данного устройства не дает полного и точного представления о «. поведении и состоянии животного, т.е. не позволяет исследовать повед ческие реакции животного, что является его недостатком. К поведенческим реакциям относится, например, врожденное предпоч тение животными, особенно норковыми темных закрытьпс пространств перед открытыми и ярко освещенными. Если экспериментальная камера состоит из темного и светлого отсеков, то животное предпочитает находиться в темном отсеке, и поведение его мо тивировано двумя состояниями - любопытством (стремлением к исследованию новой обстановки) и страхом перед ярко освещенным пространством Динамика изменений этих состояний проявляется в характерных поведенческих реакциях, на которые можно подразделить реакцию предпочтения выглядывание - когда животное высовывает ТОЛЬКОголову в светлый отсек и прячется обратно, неполный выход - когда часть туловища остается в темном отсеке, и животное прячется обратно, полный выход когда животное полностью выходит в светльй отсек. Количественными показателями эти реакций служит число соответствующи двигательных реакций за определенно время. Кроме того, эти состояния можно характеризовать общей двигате ной активностью и временем п ебывания животного в темном и светлом от ,ках камеры раздельно. i Именно совокупность всех перечне ленных показателей может достаточно 9 . 2 полно и точно характеризовать поведенческие реакции, мотивированные тем или иным состоянием животного. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее экспериментальную камеру, состоящую из темного и светлого отсеков, разделенных перегородкой, с проходом в ней для животного. Это устройство позволяет определять визуально и регистрировать вручную такие показатели поведенческих реакций, как время нахождения в светлой части камеры и двигательную активность в ней, число выглядываний, полных и неполных выходов за время эксперимента 21. Недостатками данного устройства является невозможность определения общей двигательной активности в закрытом темном отсеке камеры, субъективность и низкая точность регистрируемых показателей. Цель изобретения - повышение достоверности и точности регистрируемых показателей. Поставленная цель достигается тем, что в устройство длд исследования реакций животных, содержащее блок регистрации движений, введены светодиоды, связанные с фотодиодами, усилители, блок регистрации движений включает счетчики, а блок определения вида движений включает элементы НЕ, И, задержки, два формирователя прямоугольных импульсов и два триггера, единичные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, единичный выход первого триггера подключен к счетньм входам первого и второго счетчиков, нулевой выход соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, единичный выход второго триггера подключен к счетному входу третьего счетчика, нулевой выход второго триггера соединен с вторым входом третьего элемента И, выход четвертого элемента И через элемент задержки соединен с нулевыми входами первого и второго триггеров, выход первого мирователя прямоугольных импульсов подключен к первому входу первого элемента И и к втором входу второго элемента И, выход второго формирователя прямоугольных импульсов 3 соединен с первым входом четвертого элемента И и с третьим входом треть го элемента И, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика, выход первого элемента НЕ соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, с вторым входом четвертого элемента И и с четвертым входом третьего элемента И, выход второго элемента НЕ подключен к второму входу первого элемента Инк входу второго формирователя прямоугольных импуль сов, выход первого фотодиода через первый усилитель соединен с входом первого элемента НЕ, выход второго фотодиода через второй усилитель соединен с входом второго элемента НЕ и с третьим входом второго элемента И, выход каждого фотодиода, начиная с третьего, соединен со счё ным входом соответствующего счетчика, начиная с пятого. На фиг. 1 схематично изображена экспериментальная камера со светоди дами, оптическими линзами и фотодиодами, вид сверхуi на фиг. 2 функциональная схема устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы работы основных узлов блока определения вида движений. На чертеже обозначены: экспериментальная камера 1 с разделительной перегородкой 2, разделяющей камеру на светлый и темный отсеки, проход 3 для животного в перегородк 2, светодиоды 4, установленные против фотодиодов 5, усилители 6, блок 7определения вида движений, блок 8регистрации движений, элемент НЕ формирователь 10 прямоугольных импульсов, элемент :И 11, триггер 12, элемент И13, триггер 14, элемент И 15, элемент НЕ 16, формирователь 17 прямоугольных импульсов, элемент И 18, элемент 19 задержки, оптические линзы 20, счетчики 21. Экспериментальную камеру 1 выполняют из стекла, оргстекла. гетийакса и т.п. Ее разделяют перёгородкой 2 на равные или неравные части (отсеки) в зависимости от требований к условиям эксперимента Один отсек светлый, другой - темный Размеры камеры 1 и габариты прохода 3 подбирают в соответствии с размерами тела подопытньгх животных Толщина перегородки 2 должна поз594волять устанавливать в ней фото- и светодиоды (фиг. 1). Лучи, создаваемые светодиодами, фокусируют с помощью оптических, линз 20. Ширина прохода позволяет не-использовать линзу для второго светодиода. Расстояние между лучами, создаваемыми первым и вторым светодиодами (иначе говоря, первым и вторым лучами) , должно быть меньше длины тока животного. Конкретное расстояние устанавливает экспериментатор, исходя из того, что требуется считать (выход какой части тела) неполным выходом - выглядыванием. Очевидно, что выглядывание регистрируется при высовывании той части тела, которая уменьшается на промежутке от второго луча до первого, при этом первый луч животное не должно задевать. При касании животным первого луча в этой ситуации и возврате после этого в темный отсек регистрируется неполный выход. Длительность импульсов формирователей (фиг. 3) может быть любой, но не больше времеьГи между любыми последовательными поведенческими ре«. акциями животного. Практически можно использовать длитепьности до сотен мщ лисекунд. (В конкретной реализации устройства длительность составляет 0,5 мс). Первые и вторые светодиоды и фотодиоды устанавливают над полом камеры на высоте, соответствующей примерно середине высоты тела двигающегося животного. Место установки и количество остальных светодиодных пар определяют, исходя из заданных требований к экспериментам. Например, расположение этих пар по схеме (фиг. 1) на высоте середины тела двигающегося животного позволяет достаточно объективно и точно оценивать в любом из отсеков общую горизонтальную активность, определяемую числом переходов животного из одной четверти отсека в другую. Очевидно, чем больше лучей пересекает камеру, тем выше точность определения общей двигатель- . ной активности. Поскольку каждый фотодиод подключен через свой усилитель к отдельному счетчику, то показания кажого счетчика определяют, двигатель5

ную активность на том участке камеры, где установлены соответствующие фотодиоды, что служит дополнительной информацией о поведении и состоянии животного.

Если же разместить в горизонтальной плоскости такое количество свето-фотодиодных пар и на такой высоте, чтобы животное при поднимании на задние лапы в любом месте какого-либо отсека перекрывало хотя бы один световой луч, то таким образом можно оценивать и общую вертикальную двигательную активность.

Конструктивно светодиоды с линзами, второй светодиод и фотодиоды размещают с внешней стороны экспериментальной камеры и с внут-, ренних сторон перегородки 2 (фиг.1) чтобы они не оказывали отвлекающего воздействия на животное.

Фотодиоды 5 включены во входную цепь усилителей 6 сигналов фототока. Усилители должны обеспечивать усиление, достаточное для работы блока 7 определения вида движений и срабатывания счетчиков блока 8 регистрации движений.

Б конкретной реализации устройства использованы трехкаскадные усилители на транзисторах КТ-315. В базовую цепь .транзисторов 1-го каскада включены фотодиоды 5. Выходные сигналы усилителей 6 принимают значения логического О и логической 1.

Блок 7 определения вида движений служит для раздельной регистрации выглядывания, полного и неполного выходов.

В конкретной реализации устройства использованы электронные цифровые счетчики типа Ф 5П07 и цифровой частотомерхронометр Ф 5080

Устройство работает следующим образом.

Выходные сигналы усилителей 6 принимают значения логического О, если лучи, создаваемые светодиодами 4, свободны и попадают на соответствующие фотодиоды 5, и находятся в состоянии логической 1., если лучи перекрыты животным. Отсюда следует, что моменту перекрытия животным луча соответствует перебро выходного сигнала усилителей из О

619596

в 1, а моменту освобождения луча переброс из Г в О.

Выходной сигнал формирователей 10 и 17 находится в состоянии О 5 независимо от состояния входного сигнала, и только по перепаду входно. го сигнала из О в 1 выходной сигнал перебрасывается в 1 и затем возвращается в О.

О Регистрация полного выхода

счетчиком и включение счетчика времени пребывания животного в светлом отсеке производится в момент освобождения животным первого луча (при этом

15 второй луч свободен) с помощью импульса, вырабатываемого формирователем 10 (момент -tj, на фиг. 3). Посколь ку формирователь 10 вырабатывает импульсы и при возвращении животного

20 после неполного выхода (при этом второй луч перекрыт животным - момент 2 необходимо предотвратить ложное сраб атывание счетчиков в эти моменты. Для этого выход формирователя 10 подключен к входу триггера 12 не непосредственно, а через элемент И 11, на другой вход которого подается инвертированный сигнал с выхода усилителя. 30 Импульсы, вырабатываемые формирователем 10 в моменты 10(фиг.З) и соответствующие освобождению первого луча животным, находящимся полностью в светлом отсеке или возвраje щающимся в темный отсек из светлого, не влияют на показания счетчиков, так как триггер 12 уже Нс1ходится в переброщенном состоянии.

Возврат триггера 12 в исходное сое

Q тояние осуществляется в момент освобождения животным ВТОРОГО луча (ири этом первый луч свободен) с помощью

импульса, вырабатываемого формирователем 17 и задержанного с помощью элемента 19 задержки (момент t на фиг. 3). Поскольку формирователь 17 вырабатывает импульсы и в тех случаях, когда животное, находясь в светлом отсеке, задевает второй луч, но не переходит в темный отсек, а остается в светлом (первый луч при этом перекрыт животным момент ig), то необходимо предотвратить ложный возврат триггера 12 в исходное состояние. Для этого импульсы с формирователя 17 подаются , на вход триггера 12 через элемент 19 задержки не непосредственно, а через элемент И 18. Импульсы от формирователя 17, появляющиеся в моменты времени -t , -tj и -fcj., не изменяют исходного состояния триггера 12. Регистрация неполного, выхода счетчиком производится в момент ос вобождения животным второго луча (при этом первый луч перекрыт живот ным --12 а фиг. 3) с помощью импульса, вырабатываемого формирователем 10. Поскольку импульсы им вырабатываются и при других поведeнчecки: : реакциях, то его выход подключен к входу триггера 14 не непосредственно, а через элемент И Сброс триггера 14 в исходное сос тояние осуществляется тем же сигналом, что и сброс триггера 12. Регистрация выглядьшания счетчиком производится в момент освобождения животным второго луча (первый луч при этом свободен - момент -1 на фиг. 3) с помощью импуль сов, вырабатываемых формирователем 17. Импульсы, вырабатываемые им в момент времени t , , -t и tg не должны регистрироваться счетчиком, поэтому выход формирователя 17 подключен к счетчику через элемент И 15. Сброс триггеров 12 и 14 в исходное состояние осуществляется импульсом, выработанным формирователе 17, но задержанным с помощью элемента 19 задержки (моменты времени i и tii) . Длительность времени задержки (фиг. 3) должна несколько превьшать длительность импульса формирователя 17. В конкретной реализации устройства время задержки равно 1 мс и данная задержка в выключении счетчика времени пребывания животного в светлом отсеке практически не влия ет на точность измерения указанного параметра, поскольку обычно животное находится в светлом отсеке за один полный выход от нескольких секунд до десятков секунд. Регистрация общей двигательной активности в темном отсеке происходит при пересечении животнымлучей от третьего и четвертого светодиода. При этом изменения фототока в фотодиодах передаются на усилители, на выходе которых появляется перепад сигнала из О в 1. Этот перепад фиксируется соответствующими счетчиками, регистрирующими двигательную активность в темном отсеке. Аналогично регистрируется двигательная активность и в светлом отсеке. Светодиоды должны работать в инфракрасном диапазоне.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИЙ ЖИВОТНЬ1Х, содержащее блок регистрации движений, отличающееся тем, что, с целью повьпиения достоверности регистрируемых параметров, в него введены светодиоды, связанные с фотодиодами, усилители, блок регистрации движений включает счетмики, а блок определения вида движений включает элементы НЕ, И, задержки, два формирователя прямоугольных импульсов и два триггера, единичные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, единичный выход первого триггера подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, нулевой выход соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, единичный выход второго триггера подключен к счетному входу третьего счетчика, нулевой выход второго триггера соединен с вторым входом третьего элемента И, выход четвертого элемента И через элемент задержки соединен с нулевыми входами первого и второго триггеров, выход первого формирователя прямоугольных импульсов подключен к первому входу первого элемента И и к второму входу второго элемента И, выход второго формирователя прямоугольных импульсов соединен с первым входом четвертого элемента И и с третьим входом (Л третьего элемента И, выход которого подключен к счетному входу четвертого счетчика, выход первого элемента НЕ соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, с вторым входом четвертого элемента И и с четвертым входом третьего элемента И, выход второго I элемента НЕ подключен к второму вхо-. ду первого элемента И и к входу вто со сд рого формирователя прямоугольных им-, пульсов, выход первого фотодиода чесо рез первый усилитель соединен с входом первого элемента НЕ, выход второго фотодиода через второй усилитель соединен с входом второго элемента НЕ и с третьим входом второго элемента И, выход каждого фотодиода, начиная с третьего, соединен со счетным входом соответствующего счетчика, начиная с пятого.

-7/

20

,Г

Hd rt {df-11 - IПФ I h непшыа t выход t, Вьпйядыбание Полны f t -f Выкод