葛爾寧，黃 真

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州 310053)

頭部位移檢測法動物懸尾實(shí)驗(yàn)儀的研制

葛爾寧，黃 真

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州 310053)

采用紅外傳感、激光定位、51系列單片微機(jī)控制和記憶等技術(shù)，研制一種檢測動物懸尾特性的儀器，用于藥物研究中的動物懸尾實(shí)驗(yàn)。經(jīng)30例小鼠實(shí)驗(yàn)證明，效果良好，該儀器為動物懸尾實(shí)驗(yàn)提供了一種全新的先進(jìn)方法。

懸尾實(shí)驗(yàn);藥物研究;檢測儀器;小鼠

動物懸尾實(shí)驗(yàn)在抗抑郁藥物、興奮藥物、鎮(zhèn)靜藥物及相關(guān)保健品的研制中應(yīng)用廣泛，這種夾著小鼠尾端使其懸掛進(jìn)而掙扎、放棄、再掙扎、再放棄，逐步進(jìn)入特有的抑郁不動狀態(tài)是評價(jià)上述藥物療效的一種方法。但實(shí)驗(yàn)過程常遇到一些操作上的麻煩和判斷誤差，如夾斷動物尾巴、人為計(jì)數(shù)誤差和干擾信號等，為此研制一種具仿生夾尾功能，抗干擾能力較強(qiáng)的頭部位移檢測法懸尾實(shí)驗(yàn)自動檢測儀。作為該實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的一種全新自動化檢測手段，在業(yè)界得到推廣應(yīng)用的前景樂觀。

類似實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸跇I(yè)界有采用手記和錄像回放觀察法、應(yīng)力檢測法、紅外熱釋電檢測法等，手記和錄像回放法過于落后;應(yīng)力檢測法對掙扎激烈的懸尾小鼠效果較好，但對緩慢掙扎的檢測效果不理想，另外，實(shí)驗(yàn)小鼠的重量、掙扎強(qiáng)度等都會給檢測時(shí)的調(diào)零和判斷帶來困難;紅外熱釋電檢測法則對自身電源和檢測環(huán)境的要求太高，抗干擾能力較差，實(shí)驗(yàn)中易受并不認(rèn)為是掙扎過程的四肢舞動等因素的干擾。

筆者仔細(xì)觀察懸尾小鼠掙扎時(shí)的一個(gè)共性:或翹頭向前或擺頭向側(cè)或卷縮向上，每每掙扎其頭部必離原位較多。利用這一頭部位移信號來判斷懸尾小鼠是否正處掙扎行為比較科學(xué)合理，相關(guān)檢測儀器可依此原理研制。

類似頭部位移檢測方法及相關(guān)檢測儀目前國內(nèi)未見有報(bào)道，也未見有進(jìn)口的。本文采用51系列單片微機(jī)控制和記憶系統(tǒng)結(jié)合紅外傳感器、二極管激光定位裝置等組合控制電路［1－6］，自動記錄設(shè)定時(shí)間內(nèi)懸尾小鼠翹頭、擺頭、卷縮向上等實(shí)驗(yàn)中被視為掙扎的次數(shù)。檢測方式和設(shè)計(jì)思路具一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

1 儀器設(shè)計(jì)、研制

儀器整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)共分動物夾尾器、傳感定位器、系統(tǒng)控制部分、系統(tǒng)控制軟件、控制器面板等五部分:

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖1.底盤 2.支架 3.夾尾器 4.傳感定位器 5控制器Fig.1 Diagram of the structure of the instrument1.Chassis，2.Supporter，3.Tail clamp device，4.Sensor locator，5.Controller

1.1 夾尾器設(shè)計(jì)

1.1.1 夾尾器由一根(10×15×115)mm輕質(zhì)剛性材料懸臂梁、滑塊、套管等組成，其一端具夾尾功能，見圖2，旋緊螺帽a，滑塊b以動配合的模式沿著固定在懸臂梁c上的螺桿e和滑桿d壓縮彈簧f，進(jìn)而使兩塊半圓形乳膠 g重合，起到夾緊的作用，如此，由一對半圓形乳膠g組成的仿生錐形乳膠軟夾即可將動物尾巴死死夾住。見圖2中B正視圖，乳膠軟夾的2°錐形設(shè)計(jì)是根據(jù)30只小鼠尾端錐度的平均值所得，這樣可使乳膠軟夾和動物尾巴的夾擊面受力最為均勻，在達(dá)到摩擦系數(shù)最大化的同時(shí)又不致使受力不勻而夾斷動物尾巴。

圖2 夾尾器a.螺帽;b.滑塊;c.懸臂梁;d.固定滑桿;e.固定螺桿;f.彈簧;g.乳膠Fig.2 Scheme of the tail clamp devicea.Nut;b.Slider;c.Cantilever;d.Fixed slider;e.Fixed screw;f.Spring;g.Latex

1.1.2 另一端為園管形結(jié)構(gòu)，套在普通實(shí)驗(yàn)用鐵架臺的支架2上并可由一螺帽控制作上下及水平360°位移，見圖1，A 處。

1.2 傳感定位器設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感定位器安裝在鐵架臺的底盤1上，見圖1，D端設(shè)計(jì)成可360°旋轉(zhuǎn)，C、E兩端以 D端為中心軸相互對稱，這樣，不管小鼠的頭部朝向那里，安裝在C、E兩端的傳感器和定位器都可通過水平旋轉(zhuǎn)后準(zhǔn)確對準(zhǔn)小鼠腦門。

1.2.2 以紅外信號發(fā)射管H1作為信號發(fā)射源，安裝在傳感定位器4上，見圖1，C處，對應(yīng)端 E處為紅外信號接收管H2。作為定位信號的激光管L緊貼H1上方安裝，這樣，當(dāng)減弱的激光紅點(diǎn)對準(zhǔn)處于相對靜態(tài)的動物腦門時(shí)，一對紅外管正好對應(yīng)小鼠頭部兩端，小鼠向任何方向的翹頭動作達(dá)到一定幅度時(shí)就可由H2捕獲，而一般的晃動、擺動等非掙扎干擾信號可由比H1信號斑點(diǎn)大數(shù)倍的小鼠頭部擋去。

1.2.3 以紅色激光二極管L作定位信號源，激光斑點(diǎn)設(shè)計(jì)成2mm直徑，強(qiáng)度減弱成暗紅色，在定位時(shí)可使小鼠不受強(qiáng)光刺激。

1.3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

采用51系列通用單片微機(jī)AT89S51為主控芯片，控制來自紅外傳感、時(shí)間設(shè)定和分段顯示等信號的輸入/輸出、實(shí)時(shí)顯示設(shè)定時(shí)間內(nèi)小鼠掙扎的次數(shù)等?？刂瓶驁D見圖3:系統(tǒng)控制部分包括按鈕輸入部分、顯示部分、以及帶微機(jī)的控制電路部分。各功能模塊具體介紹如下:

1.3.1 按鈕輸入部分:

1.3.1.1 計(jì)數(shù)清零按紐/段計(jì)數(shù)顯示按紐:此按紐由一開關(guān)控制交換使用，一端用于累計(jì)計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)回零，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)可隨時(shí)回零，但可繼續(xù)計(jì)數(shù)。另一端用于顯示各分段計(jì)數(shù)值，分段顯示各段計(jì)數(shù)值及總計(jì)數(shù)值，按一次左邊4位的第一位顯示段值(1，2，3，4，5)，再按一次顯示該段計(jì)數(shù)值，最后顯示總計(jì)數(shù)值。該模式下不累計(jì)計(jì)數(shù)。

圖3 電路控制原理框圖Fig.3 Diagram of the structure of the control system

1.3.1.2 倒計(jì)時(shí)設(shè)置按紐:由設(shè)置和時(shí)間加兩按鈕組成，可連續(xù)設(shè)置5段，設(shè)置總時(shí)間為99 min 60 s。設(shè)置時(shí)，先按設(shè)置，右邊4位的第一位顯示設(shè)置段(1，2，3，4，5)，再按設(shè)置，右邊 4 位可開始由時(shí)間加按鈕設(shè)置該段時(shí)間。5段設(shè)置完成后再按設(shè)置按鈕顯示設(shè)置總時(shí)間數(shù)，如此重復(fù)循環(huán)。

1.3.1.3 復(fù)位按紐:用于倒計(jì)時(shí)回零，等待重新設(shè)置。

1.3.1.4 開始按紐:按此按紐開始計(jì)數(shù)和倒計(jì)時(shí)，至倒計(jì)時(shí)到零，控制器鎖定計(jì)數(shù)值，計(jì)時(shí)時(shí)間回到設(shè)置值，控制器等待下一個(gè)計(jì)數(shù)清零或分段計(jì)數(shù)顯示或倒計(jì)時(shí)設(shè)置或復(fù)位或開始信號的到來。此時(shí)計(jì)數(shù)器需等待下一個(gè)開始信號的到來時(shí)才會開始累計(jì)計(jì)數(shù)。

1.3.1.5 激光開關(guān):撥此開關(guān)，激光瞄準(zhǔn)器開或關(guān)。

1.3.1.6 電源開關(guān):撥此開關(guān)，總電源開，計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)顯示全為零，控制器開始等待倒計(jì)時(shí)設(shè)置、開始等信號的輸入。

1.3.2 顯示部分:計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)顯示均為4位LED(發(fā)光二極管)

1.3.3 帶微機(jī)的控制電路部分:由常用51系列單片機(jī)AT89S51為主控芯片加TTL功能電路和模擬放大電路等組成的復(fù)合控制器來控制各信號的接收并顯示來自小鼠掙扎行為的實(shí)驗(yàn)信息?？刂圃砜驁D見圖3，具體電路線路圖在此略去。

1.4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件主流程如圖4所示，具體程序在此略去。

圖4 系統(tǒng)軟件流程Fig.4 Flow chart of the system software

1.5 控制器面板設(shè)計(jì) 略

2 操作步驟及原理

2.1 開啟總電源開關(guān)(220 V，50 Hz)，此時(shí)計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)顯示均為零，激光瞄準(zhǔn)器在 E處顯示弱紅色斑點(diǎn)。

2.2 分別按“設(shè)置”和“時(shí)間加”，設(shè)置好各段所需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2.3 取小鼠，懸尾倒掛，腦門方向朝實(shí)驗(yàn)者，在距小鼠尾端1～1.5cm處用夾尾器夾住鼠尾，調(diào)節(jié)圖1中A、C兩處，使激光紅點(diǎn)正對準(zhǔn)小鼠腦門(兩眼稍上)，關(guān)閉激光。

2.4 按“開始”，此時(shí)計(jì)數(shù)器開始累計(jì)來自紅外傳感器H2所測到的小鼠掙扎次數(shù)，計(jì)時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)。倒計(jì)時(shí)至零時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并鎖定當(dāng)前數(shù)，計(jì)時(shí)器復(fù)位倒計(jì)時(shí)前的設(shè)置值，一次實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束。再按“開始”，此時(shí)計(jì)數(shù)器再開始在原數(shù)值的基礎(chǔ)上累計(jì)計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)器再按前一設(shè)置開始重復(fù)一次倒計(jì)時(shí)。

2.5 計(jì)數(shù)清零和計(jì)時(shí)復(fù)位不受限制，實(shí)驗(yàn)中可反復(fù)操作，但中途清零或復(fù)位不會使計(jì)數(shù)值鎖住。

2.6 一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的計(jì)數(shù)為總計(jì)數(shù)值，各分段計(jì)數(shù)值可按分段計(jì)數(shù)顯示按紐查看。

3 實(shí)驗(yàn)流程

圖5所示

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動物行為:小鼠在剛被懸尾時(shí)，掙扎較為激烈，數(shù)秒后待相對垂頭平靜時(shí)再用激光紅斑瞄準(zhǔn)小鼠腦門，在事先設(shè)置過倒計(jì)時(shí)情況下，按“開始”即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.5 Experiment flow chart

根據(jù)動物習(xí)性:懸尾小鼠易受周邊環(huán)境影響而掙扎，為此，實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)試架用一無蓋的C形盒屏蔽。

在最終研制成功的儀器上進(jìn)行了30例小鼠實(shí)驗(yàn)，小鼠體重15～25 g，體尾總長(150～190)mm，單只小鼠的實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為(5～25)min，取15只健康小鼠，作(5～25)min的懸尾實(shí)驗(yàn)，每段設(shè)置5 min，另取15只經(jīng)抑郁造模的小鼠和健康組作對照實(shí)驗(yàn)。由圖6可見30例小鼠的懸尾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩組動物的掙扎次數(shù)差異明顯，掌握動物規(guī)律和實(shí)驗(yàn)技巧后，就可充分利用該實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行動物懸尾實(shí)驗(yàn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果□－□:健康組;■－■:抑郁組Fig.6 The testing records□－□:Health group;■－■:Depression group

5 討論

曾用光電傳感器在小鼠尾部采集掙扎時(shí)的移動信號，但這種方法對移動物體太敏感，往往把小鼠掙扎后的自由擺動也當(dāng)做幾次掙扎記錄，如此與實(shí)驗(yàn)要求的掙扎條件不符，所以棄用。

由于紅外傳感器通常會有一定的感應(yīng)范圍，實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量使激光紅斑準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)小鼠腦門相對于兩眼偏上的位置，以免造成測量誤差。

本儀器使用不受溫差、濕度、強(qiáng)光等因素影響，有較好的抗干擾能力，但需在相對平靜的環(huán)境下工作，人員和物體流動較頻的場所會影響動物的情緒，震蕩和過度傾斜也會使傳感系統(tǒng)出錯(cuò)，影響測量結(jié)果。在沒有意外情況干擾的前提下(如斷電等)，儀器可連續(xù)工作一月，直至人為撥“電源”開關(guān)關(guān)閉儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

［1］李萍，張池，張勃.AT89S51單片機(jī)原理、開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國電力出版社，2008:1－150.

［2］余永權(quán)，汪明慧，黃英.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:125－278.

［3］葛爾寧，袁勇，應(yīng)華忠，等.數(shù)據(jù)記憶動物疲勞測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2006，16(8):489－490.

［4］葛爾寧.數(shù)據(jù)記憶動物游泳測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2008，18(2):71－73.

［5］余文芳，葛爾寧.微機(jī)控制自動微容量測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2008，18(6):76－78.

［6］袁勇，葛爾寧.微機(jī)自動控制動物飲食行為檢測儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2011，21(9):75－78.

Development of an Experimental Instrument for Testing the Behavior of Mice in Tail Suspension Based on Its Head Displacement

GE Er-ning，HUANG Zhen
(Zhejiang Chinese Medical University，Hangzhou 310053，China)

Objective To develop an instrument that detects the behavior of mice in tail suspension during pharmaceutical experiments.Methods One pair of infrared sensors was used for signal conversion.A diode laser was used for positioning.A 51-series microcontroller was used to control the experimental setup and record the results.Results A microcontroller-based experimental instrument that can automatically detect the behavior of animals in tail suspension during pharmaceutical experiments was developed.Conclusions Our experimental results with 30 mice indicate that the developed instrument provides an innovative tool for detecting the behavior of animals in tail suspension.

Tail suspension test;Pharmaceutical research;Detection instrument;Mice

R33

A

1671-7856(2012)08-0058-04

10.3969.j.issn.1671.7856.2012.008.014

2012-03-15

葛爾寧(1957－)，男，研究員，醫(yī)學(xué)儀器專業(yè)，E-mail:ge_er_ning@sina.com。

黃真(1963－)，女，教授，中藥學(xué)專業(yè)，E-mail:zhen626@yahoo.com.cn。