小鼠气味训练探测器和气味干扰仿真装置及训练方法

摘要

本发明是一种小鼠气味训练探测器和气味干扰仿真装置及训练方法。气味训练探测器为一箱体式结构，箱体分为四部份，即给气装置所在位置、气味混合扩散空间、小鼠训练所在位置、给水装置所在位置，小鼠训练所在隔间分为五个训练隔间，箱体内置电源和控制电路板、尾气过滤和排气装置。气味干扰仿真装置由三个转盘，一个吸入式电磁铁驱动的针头刺入部件，一个四路时间继电器组成。利用本发明的装置进行小鼠气味训练和气味抗干扰训练的方法具有自动化训练高效、工作状态稳定可控的优点，探测结果指标可信度高，配合干扰气味仿真装置进行抗干扰训练后，可应用价值强，训练成本低，能在缩减人力和时间成本的条件下进一步提高气味探测的效率。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种小鼠气味训练探测器和气味干扰仿真装置及训练方法。

背景技术

小鼠具有灵敏的嗅觉和良好的学习能力，经过训练，渴水的小鼠能对特定气味产生碰触开关的操作反应从而得到水，即建立嗅觉操作条件化反应。已有文献报导了自动训练单只小鼠学习对气味做出操作反应的研究方法，被置于操作条件训练箱中的渴水的小鼠需主动将头部探入箱内前面的一个孔中，并保持一定时间，以触发气味的呈现，然后小鼠通过嗅探该气味选择舔食给水管或将头缩回箱内。该方法仅适用于实验室中研究小鼠对气味的学习、记忆、辨别等能力；而不能满足实际气味探测的要求，现实中气味的呈现不是由被训动物决定的；此外，单只小鼠的反应受多种因素影响，可信度较低，需要增加同时工作的小鼠数量以增加气味探测结果的可信度。另有研究报道训练田鼠探测地雷，其方法类似于对犬类的训练，同样高度依赖人工训练。另一相关研究采用电脑控制训练一只大鼠在特制装置中的多个气味位点之间探测各种违禁物品气味，后腿站立警示，该方法还仅限于实验室研究。目前国内外还没有自动化同时训练多只小鼠探测气味的设备和方法。

气味探测的应用需求涉及社会公共安全中的危险物品探测，疾病早期诊断等；而对于基础研究来说，嗅觉是许多动物的优势感官，气味学习、记忆以及辨别相关的新实验方法的建立有助于科研工作的深入。目前气味探测的工作在生物学手段中主要仍依赖警犬来进行，而训练一只警犬的人力、物力以及时间成本都比较高，在执行任务的过程中犬类还存在高度依赖其训练者，易于疲劳继而拒绝工作等问题。比较而言，小鼠具有与犬类相当的嗅觉能力，而训练小鼠的成本要低得多，并且作为更低等的动物，渴水后的小鼠的需求简单直接，工作状态更加稳定可控，完全适应自动化的训练过程，能在缩减人力和时间成本的条件下进一步提高气味探测的效率。 

发明内容

本发明的目的是提供一种小鼠气味训练探测器和气味干扰仿真装置及训练方法，具有训练成本低，工作状态稳定可控，能在缩减人力和时间成本的条件下进一步提高气味探测的效率。

本发明的小鼠气味训练探测器的构成为：一箱体式结构，将箱体分为四部份，即给气装置所在位置、气味混合扩散空间、小鼠训练所在位置、给水装置所在位置，小鼠训练所在隔间分为五个训练隔间；在箱体的四个部分的底部有一隔层，隔层内置电源和控制电路板、尾气过滤和排气装置；给气装置包括用于过滤进入气流的活性炭海绵，活性炭海绵一侧放置给气支架，给气装置下部置有电源和控制电路板，给气装置前端有四个用于抽取空气的风扇，中段有两个用于承接气流与混合和扩散被训气味的风扇，给气支架由固定支架、装在固定支架上的盛气味溶液的样品瓶、与样品瓶连接的气泵和控制给气的静音电磁阀构成；训练隔间前立面为透气栅栏，隔板上半截是透气栅栏、下半截遮蔽，训练隔间后立面有排气涡轮风扇，训练隔间后立面装有电容式接近开关、给水口，给水口连接给水静音电磁阀，给水静音电磁阀连接给水管及贮水瓶，训练和探测的实施都由程序自动控制。

小鼠训练及探测方法：渴水后的小鼠，每五只一组同时进行气味操作条件化训练，训练分六步完成：1）开关训练：小鼠在各自的小隔间中，每碰触一次感应开关，则得到一次水；2）学习气味：训练空间中不定时的呈现目标气味，仅当小鼠在目标气味出现的同时碰触感应开关才能得到水；3）学习操作：给水出现在目标气味结束的时候，得水量的多少取决于小鼠在目标气味呈现的数秒钟内碰触感应开关的次数；4）约束训练：给水出现在目标气味结束的时候，得水量的多少取决于小鼠在目标气味期内碰触感应开关的频率和在其之前60秒的间歇期内频率均值之差与间歇期频率标准差的比值，即间歇期频率越低且目标气味期频率越高，则得水越多；5）多种目标气味探测训练：在一轮训练中交替呈现多种目标气味以及对照气味：6）抗干扰训练：配合干扰气味仿真呈现装置进行目标气味的探测。气味探测时，选用训练达标的小鼠，当小鼠闻到目标气味后则将多次碰触感应开关，程序将实时统计感应开关被碰触的情况，当频率超过碰触频率均值的两倍标准差时则将报警。

本发明与现有技术比较具有自动化训练高效、工作状态稳定可控的优点，探测结果指标可信度高，配合干扰气味仿真装置进行抗干扰训练后，可应用价值强，训练成本低，能在缩减人力和时间成本的条件下进一步提高气味探测的效率。

附图说明

图1 是本发明的小鼠气味探测器整体示意图。

图2是小鼠气味探测器给气部分和电路部分细节示意图。

图3是小鼠气味探测器给气支架结构示意图。

图4是小鼠气味探测器训练隔间和给水部分细节示意图。

图5是小鼠气味探测器电路连接示意图；a、接近开关输入信号与电脑并口针脚的连接方式示意图；b、电脑并口针脚控制电磁阀的连接方式示意图。

图6是本发明的气味干扰仿真装置结构示意图（俯视）。

图7是本发明的气味干扰仿真装置下立面示意图。

图8是本发明的气味干扰仿真装置核心部件立体示意图。

图1中：a—给气装置所在位置，b—气味混合扩散空间，c—小鼠训练所在隔间，d—给水装置所在位置，e—电源和控制电路板所在位置，f—为空，g—尾气过滤和排气装置所在位置。

图2中：1—放置活性炭海绵，2—放置给气支架的空间，3—电源和控制电路板所在位置（即图1中e所示位置），4—两个中段风扇，5—四个前端风扇，6—总电源接口，7—总电源开关和三级风扇电源开关，8—与电脑连接的并口线接口。

图3中：21—控制给气的静音电磁阀，22—盛气味溶液的样品瓶，23—气泵，24—固定支架。

图4中：图3中：C1—前立面透气栅栏，C2—隔板，C3—后端排气涡轮风扇，C4—电容式接近开关，C5—给水口，C6—给水静音电磁阀，C7—给水连接管，C8—贮水瓶。

图5中：a：R—1M欧电阻，T—9013三极管，N—电脑并口输入信号针脚，K—电容式接近开关信号端；b：M—电磁阀，T—9013三极管，O—电脑并口输出信号针脚。

图6-7中：a-外壳，b-转盘，c-减速电机，d-顶空样品瓶，e-12V电源适配器，f-四路时间继电器，g-亚克力支板，h-吸入式电磁铁，i-针头，j-导气管，1-导气管接出口，2-220V电源线接口，3-四路时间继电器操作面板，4-四路时间继电器电源开关，5-12V电源接口。

具体实施方式

 如图1所示，本发明的小鼠气味训练探测器的构成为：一箱体式结构，将箱体分为四部份，即给气装置所在位置a用于过滤进入气流的空间、气味混合扩散空间b、小鼠训练所在隔间c、给水装置所在位置d，小鼠训练所在隔间分为五个训练隔间；在箱体的四个部分的底部有一隔层，隔层内置电源和控制电路板、尾气过滤和排气装置，即电源和控制电路板所在位置e，和尾气过滤和排气装置所在位置g。

如图2所示，给气装置包括用于过滤进入气流的活性炭海绵1，排气箱中有多层活性炭海绵，活性炭海绵一侧放置给气支架，给气装置下部置有电源和控制电路板3，给气装置前端有四个用于抽取空气的风扇5，中段有两个用于承接气流与混合和扩散被训气味的风扇4。抽气部分由前端的四个风扇，中段的两个风扇，以及每个小隔间后端与排气箱相连的涡轮风扇三级构成，前端风扇风力最大，后端次之，中间较弱，这样能确保被过滤的气流能完全充满训练空间提供良好的气味信噪比，并且气流不被过滤海绵过分阻流；另外，中间的气味扩散箱两侧的盖板可以灵活取下，这便于在训练后期放入各种干扰气味以加强小鼠对目标气味反应的特异性。

如图3所示，给气支架由固定支架24、装在固定支架上的盛气味溶液的样品瓶22、与样品瓶连接的气泵23和控制给气的六对静音电磁阀21构成。训练隔间之间的黑色亚克力板上半截为栅栏状开槽有利于气味均匀扩散，下半截相互遮蔽避免小鼠训练受同伴的行为的影响；每个隔间后立面为小鼠操作面板，包括一个给水口和其上方的感应开关。

如图4所示，训练隔间前立面为透气栅栏C1，隔板C2上半截是透气栅栏、下半截遮蔽，训练隔间后立面有排气涡轮风扇C3，训练隔间后立面装有电容式接近开关C4、给水口C5，给水口连接给水静音电磁阀C6，给水静音电磁阀连接给水管C7及贮水瓶C8，训练和探测的实施都由程序自动控制。给水部分由一个上方敞口的贮水瓶和与其由水管相连接的五个静音电磁阀组成，另有一个未连接水管的静音电磁阀放置在五个给水电磁阀之间，称为虚晃水阀，作用是在训练时不定时的开阀关阀来制造与给气给水电磁阀相同程度的但无关的响动，以消除小鼠根据给气或给水电磁阀的微弱响动进行反应的可能。

如图5所示，为小鼠气味探测器电路连接方式，接近开关输入信号与电脑并口针脚的连接方式如图a所示；电脑并口针脚控制电磁阀的连接方式如图所b示。12V10A开关电源与24V10A开关电源并联在220V电源上，共享一个开关；各个12V用电器并联在12V电源上，各个24V用电器并联在24V电源上。

如图6-7所示，本发明的气味干扰仿真装置由三个转盘b，一个吸入式电磁铁h驱动的针头i刺入部件，一个四路时间继电器f组成；每个转盘中心固定在位于其中心的减速电机c上，转盘边缘等距固定多个顶空样品瓶d，每个瓶内装有少量不同的常见干扰气味物品；每个转盘由四路时间继电器的一路分别控制转和停的时间，样品瓶随转盘转动。吸入式电磁铁带弹簧支撑的铁芯向上位于三个转盘中间，其上方固定一块亚克力板g，该板将随吸入式电磁铁通电吸入铁芯而下压；板上有三个分别对准三个转盘的一个顶空瓶瓶口位置的三个固定针头i，针头高度为电磁铁不通电时正好悬在样品瓶上方，电磁铁通电时针头随亚克力板下压时刺入瓶中方可，针头后端粘接细导气管j，三路合并后单路接出；电磁铁的通断电由时间继电器控制，四路时间继电器能单独循环控制每一路的通断电。电磁铁通电被设置在三个转盘静息时，三个转盘每次转动的角度正好能使样品瓶位于针头正下方即可。抗干扰训练时，将干扰装置接出导气管与小鼠气味（训练）探测器中的气泵抽气口相连接，然后开启干扰电源和开关。

小鼠训练及探测方法：渴水后的小鼠，每五只一组同时进行气味操作条件化训练，训练分六步完成：1）开关训练：小鼠在各自的小隔间中，每碰触一次感应开关，则得到一次水；2）学习气味：训练空间中不定时的呈现目标气味，仅当小鼠在目标气味出现的同时碰触感应开关才能得到水；3）学习操作：给水出现在目标气味结束的时候，得水量的多少取决于小鼠在目标气味呈现的数秒钟内碰触感应开关的次数；4）约束训练：给水出现在目标气味结束的时候，得水量的多少取决于小鼠在目标气味期内碰触感应开关的频率和在其之前60秒的间歇期内频率均值之差与间歇期频率标准差的比值，即间歇期频率越低且目标气味期频率越高，则得水越多；5）多种目标气味探测训练：在一轮训练中交替呈现多种目标气味以及对照气味：6）抗干扰训练：配合干扰气味仿真呈现装置进行目标气味的探测。气味探测时，选用训练达标的小鼠，当小鼠闻到目标气味后则将多次碰触感应开关，程序将实时统计感应开关被碰触的情况，当频率超过碰触频率均值的两倍标准差时则将报警。