基于动物行为的神经精神药物评价方法

设备硬件
彩色摄像头 彩色 色 色 PVC材 料
磁铁
封闭实验箱体 ，确保实验环 境的稳定
物体认知实验行为学方法的主要种类
新奇物体认知实验行为学方法 （novel object recognition test)
动物对新奇物体的探索比对熟悉物体 的探索更多 物体位置识别行为学方法（the object-place recognition test) 对变换位置的熟悉物体探索多，而对 位置不变的熟悉物体探索少
社会行为和运动行为减少是抑郁症模型成功建立的重要表面效度，能够模 拟临床抑郁症中的兴趣减低和精神运动性迟滞这两个典型症状。
非人灵长类动物智能行为分析方法
利用目前先进的摄像技术和专业的智能化图像软件分析技术，结合动物行
为学研究人员的大量经验，研制客观、准确、智能化的动物精细行为分析系统， 建立在笼养状态下猴子的行为谱，对于研究药物研究、高级认知功能和脑功能 与影像等课题深入，显得十分重要。
啮齿类动物天生对新奇事物 的探索天性 不需对动物进行任何正向 （糖）和反向（电击）刺激， 用于自发状态下的学习记忆 功能评价
不需要进行冗长的训练，可靠性高、精细 敏感的学习记忆，可研究记忆过程的不同 阶段（习得、巩固和再现）
潜伏期：动物首次接触物体的时间 接触物体次数 接触物体的时间 辨别指数：（探索新物体与探索熟悉物体时间 的比值）
2.
降噪子模块主要利用滤波算法，降低因为光线变化引起的足迹提取误差；
（提高稳定性）
3.
虚假目标剔除子模块主要是对于老鼠行走过程中引起的虚假目标（如老鼠 粪便等）进行剔除； （提高智能化程度）
4.
时序跟踪子模块和聚类分析子模块主要是对单帧提取的足迹区域，先进行 聚类，然后根据时序关系自动识别左右前后四个爪子，并进行标记，为下 一帧分析提供依据； （提高自动化程度）
• 慢性/自发疼痛研究
• 运动缺陷研究 • 衰老研究 • 身体进入百分率
• 遗传研究
Байду номын сангаас
研究与食欲、消化系统的关系时，关注动物摄食行为； 研究与情绪功能的关系时，关注自主活动行为规律； 研究与疼痛发生的关系时，关注痉挛或间歇停顿等异常行为； 研究与睡眠的关系时，关注入睡和觉醒等行为。
非人灵长类动物上肢精细运动检测系统
物体情景识别行为学方法（the object-context recognition test)
对变换了情景的熟悉物体探索增加 时序记忆行为学方法（the temporal order memory task) 动物对早先熟悉的物体探索增加，而 对新近熟悉的物体探索减少
物体认知方法的优势
1.采用封闭箱体进行实验，减少外部因素干扰，方便实现光照条件的 稳定和均一，为软件自动提取动物精细嗅探行为提供保障； 2.在很短的时间内能够同时完成多个活动样本的准确识别，可以实时 监测并记录样本头部特别是口鼻部对物体的行为活动，从而高效又客 观的提取实验结果； 3.实验指标分层次，多样化，可以从路程、时间、次数不同方面对样 本认知功能进行评价，为筛选针对性的敏感指标提供可能，突破了实 验指标的单一性，增加了实验结果的可靠性和准确性。
指标类别
指标名称 步幅 前肢步宽
指标类别
指标名称 步行周期 支撑时长
步态距离相关指标
后肢步宽
左侧步基 右侧步基 足迹最大强度 足迹平均强度 平均足迹面积
摆动时长
制动时长 制动指数 推进时长 推进指数 单支撑时相
压力相关指标
足迹最大面积
平均体转角 体转角标准偏差 体态相关指标
时间相关指标
双支撑时相
三支撑时相 四支撑时相
目前国外步态仪器所涉及指标 步行周期 支撑时长 摆动时长 单支撑时相 双支撑时相 三支撑时相 四支撑时相 摆动时相 支撑时相 平均足迹面积 足迹最大面积 足迹最大强度 足迹平均强度 同源协调性 同侧协调性 对侧协调性 步行速度 摆动速度 步幅 前肢步宽 后肢步宽 左侧步基 右侧步基
本系统新建的指标 制动时长 制动指数 推进时长 推进指数 平均体转角 体转角标准偏差 平均轴向移动 平均侧向移动 轴向移动标准偏差 侧向移动标准偏差
基于动物行为的神经精神药物 评价方法应用前景
汇报人：李思迪 日 期：2014-04-28
主要内容
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前言 情绪功能行为研究方法
认知功能行为评价方法
全自动步态分析系统
基于动物行为的神经精神药物评价方法应用的市场前景
前
言
•
神经精神类疾病已成为当今世界最常见的一种疾病，并正以较快速度增长， 成为严重威胁人类健康和影响社会安定的重要因素。目前世界上有4亿人在 遭受精神和神经疾病的痛苦或社会心理问题的折磨，目前我国精神疾病患者 总数已超过1亿，居世界首位，重症精神疾病患者人数更是高达1600万人。
2.跳台
学习记忆
跳台检测分析处理系统
可调节的弹簧和螺杆装置，实现跳台、红外感应器高度可调， 适应不同体重实验动物的要求。 分箱控制、避免过度刺激，适应动物伦理需要。 增加了“第一次跳下平台时间、安全区/错误区时间”新指标。
3.避暗仪器
动物避暗计算机自动分析处理系统
模拟自然实验环境 摄像技术 智能化的实验模式、实验控制 方式灵活 具有可扩展性（明箱箱） 准确存储、处理活动信息，可 同时提取明、暗两室的图像 评价指标体系客观规范、多层 面、敏感度高（运动路程和速度、
大动物眼动跟踪系统 一种独特的方法，可用客观，自动化 的方式来研究和量化注视模式及眼球 运动方式,增加了数据的可靠性和降 低了变异性。
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表面效度，结构效度和预测效度，表面效度即动物模型的症状
表现与相应疾病的症状具有高度的相似性。 情绪行为、认知行为和运动感觉行为评价方法 揭示神经功能内在机制、神经精神疾病发病机制、药物疗效评 价及作用机制具有重要意义。
一、情绪功能行为研究方法 1.强迫游泳
抑郁、焦虑、疲劳
硬件实物图
• 国内外现有方式采用人工、 视频、传感，对于攀爬行为 采用人工计数或录像回放计 数。 • 本系统采用视频+传感技术。 • 不动时间、攀爬次数/时间/ 强度，评价指标为18个。 • 支持时段分析。 • 可供进行统计分析、图表绘 制和各种打印输出的数据格 式。
•
科学研究仪器和检测方法的水平与同时代的科学技术水平密不可分，是衡量 一个国家科技综合实力的重要标志之一。拥有具自主知识产权和核心技术、
达国际先进水平的科学研究设备和检测方法，将主导世界科学研究的话语权。
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动物行为学是揭示动物活动规律，探索动物与其环境之间的关 系，探讨动物调节行为、适应环境的起点。
抑郁 自主研发
采集技术
国内外
人工、视 频、传感、 热敏 －
张力传感
动物挣扎 强度判定
可通过能量值对动 物挣扎强度进行定 量分析。 更高的稳定性，不 受环境温度及动物 状态的影响；较视 频具有更高的灵敏 性和准确性
特点
－
3.空场仪器
抑郁、镇静安神
特点：密闭、稳定的环境； 实时检测分析站立次数 分区；分区（边缘区、中央区）；
雌性食蟹猴昼夜间各行为时间分配 休息指个体未发生位移持续5S以上(包括坐、躺、悬挂等)；
摄食指个体用前爪收集食物以及进食过程；
社会交流是指两个或两个以上的个体进行理毛、玩耍等行为； 运动是指个体产生了一臂以上位移的行为； 争斗是指个体与其他个体间的打斗(包括攻击和被攻击)； 交配指与异性个体间发生的性行为。
时间 潜伏期
速度
信号辨识 （单色次、双色、 三色）
信号消退
刺激信号操作潜 伏期
错误信号操作潜 伏期 奖赏概率 (LP/NP, R/LP, R/LP)
刺激信号鼻触潜 伏期
错误信号鼻触潜 伏期 错误操作次数
操作潜伏期
鼻触潜伏期
6.物体认知测试分析系统
学习记忆
物 体 认 知 实 验 特 点
检 测 指 标
二、认知功能行为评价方法 1.Morris 圆形水迷宫系统
预置了四组可拆装的圆台位置，可用于
各种模式的检测； 完善了参考记忆（定航5天）、工作记忆 模式，总共可提取包括潜伏期、总游程、 时间/游程百分比及中央区和周边区时间/ 游程百分比等31项指标； 增加了温控补偿系统，保证实验温度的 均衡稳定； 增加了双色背景实验操作环境，适应不 同毛色动物实验。
3.步态分析系统应用实例
三种疾病模型步态实验结果
三种不同动物模型在疾病不同阶段步态行为变化主要异同点比较
脑缺血 急性期（17d） ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑ ↑ 中期（21d） ↓ ↑ ↓ ↑ ↑ 中后期 （42d） ↓ ↑ ↑ 急性期 （1d） ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 热射病 中期（7d） ↑ ↑ 中后期 （21d） ↑ 急性期 （2d） ↓ ↓ ↑ ↓ ↑ 睡眠干扰 中期（5-10d） ↓ ↓ ↓ 中后期（15d） ↓ ↓ ↓ ↑ ↓
三、全自动步态分析系统
运动功能
1.步态分析系统硬件
5背景增强装置
2老鼠步行跑道
4足迹增强板
3高速摄像机
1视频采集分析计算机
步态分析系统硬件结构布局图
步态分析系统硬件 设计亮点
步态分析系统实物图
2.步态分析系统软件
视 频 浏 览 工 具 栏
视 频 分 析 工 具 栏
老鼠躯干指 标信息显示 区域
•奖赏物质（固体食物/液体）给予数量和速度智能控制 •三色信号灯（蓝/黄/红）组合，避免噪音干扰
视频截图
•操作杠自动伸缩，便于不同模式转换
•首次结合视频轨迹监测 •多路样本控制（>4）
实验模式和评价指标
实验模式 奖赏训练 操作训练 （单次、2次、 4次） 次数 踏板次数、鼻触 次数和奖赏次数 指标参数 信号反应潜伏期, SRL 反应比率, RR 操作反应间隔时 间, iris 偶然操作潜伏期， CLP 奖赏概率 (LP/NP, R/LP, R/LP)
平均轴向移动
平均侧向移动 轴向移动标准偏差 侧向移动标准偏差 步行速度 瞬时速度
摆动时相
支撑时相 同源协调性 同侧协调性 对侧协调性
速度相关指标
在国内首次自主研发成功建立了全自动大、小鼠步态分析系统，并且有一些关键技术在国内外 为首次实现。将以往无法用人工观察或手动测量的步态行为表现精确高效的“可视化”，提出 了更加灵敏、可靠的、新的步态指标（见下表），可为更加细致高效地观察不同程度疾病模型 动物的行为异常，以及更加快速地评价药物的有效性提供技术保障。
•直立身体、回降身体 • 向左走、向右走
• 吃、喝、咀嚼
• 清理身体、排尿 • 垂直悬吊、偎着笼子悬吊 • 垂直降落 • 跳跃、转动、转圈 • 睡觉、痉挛、觉醒 • 挖掘、找寻粮食 • 嗅、闻 • 间歇停顿、伸懒腰
应用前景
• 生物节律 • 神经性舞蹈症 • 朊病毒病 • 狂躁症 • 疾病过程观察 • 毒理学研究 • 进食/饮水研究 • 肥胖/代谢疾病研究
步速 步行周期 步幅 前肢步宽 后肢步宽 平均侧向移动距离 侧向移动标准偏差 平均体转角 平均体转角标准偏差 双支撑时相 三支撑时相 推进时长
注：↑：显著上升；↓：显著下降；-：无统计学意义。
非人灵长类动物行为学检测方法的研究
非人灵长类动物行为记录分析系统
可自动分析动物休息、摄食、社会交流、运动、争斗、交配等行为。
主要评价指标：前肢运动速度、抓取食物时间 PD动物模型表现出上肢运动变得迟缓，爪抓取食物时出 现不稳、吃力、灵活度下降。
非人灵长类动物面部表情模式识别系统
猕猴愤怒郁怒面部表情识别系统可以抛开人为主观因素，对猕猴模型
进行客观的评价。
非人灵长类动物触屏认知和眼动跟踪系统
大动物触屏认知系统 在大动物认知检测中最为常见。可 用于操作性学习记忆及决策能力等 的监测。
老鼠四肢提 取位置信息 显示区域
视频主显示 区域 老鼠四肢提 取局部图像 显示区域 老鼠掌面施 力分布三位 显示区域
老鼠步迹图 显示区域
四肢最大强 度信息显示 区域
步序信息显 示区域
四肢最大面 积信息显示 区域
1.
步迹分离增强子模块针对红绿蓝三通道数据，根据其显著性自动剔除其中
信噪比较低的通道，利用差图像法和QTSU二值化算法，实现自动识别并 提取动物的四肢足迹区域；（核心算法）
明室近口区时间）
4.穿梭
抑郁、学习记忆
• 模拟自然环境 • 各种刺激和条件 信号自动控制 • 评价指标体系客 观规范、多层面、 敏感度高（运动 路程和速度、明 室近口区时间） • 穿梭实时图像和 运动轨迹实时跟 踪
５、基于奖赏效应的操作条件反射分析系统
学习记忆、成瘾
•复杂操作任务下认知功能
•全封闭模拟自然实验环境