專利名稱：果蠅行為學研究系統(tǒng)及研究方法
果蠅行為學研究系統(tǒng)及研究方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動物行為學 領域，尤其涉及一種果蠅行為學研究系統(tǒng)及研究方法。背景技術：
動物行為學是研究動物和環(huán)境或其他生物的互動，是以其溝通行為、情緒表達、社 交行為、學習行為、繁殖行為等為研究對象的學科。相對于微觀研究，動物行為學能反映出 多因素混合作用下的動物的整體狀態(tài)。神經遺傳學作為腦科學的重要組成部分，一方面在 分子水平上研究基因如何調控腦結構的發(fā)育及功能；另一方面，行為作為腦的主要功能表 現(xiàn)形式，通過研究不同的行為變化與腦的關系，可以最終了解基因如何編碼遺傳行為。動物行為是由相應的神經元支配的，果蠅是神經遺傳學研究的理想動物模型，果 蠅之間的社會行為主要分為兩類求偶行為和攻擊行為，都具有很強的遺傳因素。光感基因神經調控技術(Optogenetic Technology)可以調節(jié)特定細胞類型，用病 毒載體將光敏感通道或泵蛋白基因導入某一特定的細胞亞群中表達，其中一種光敏感型通 道蛋白(Charmelrhodopsin-2，ChR2)對藍光(473nm波長)敏感，藍光可激活該通道，而使 Na+、K+等陽離子進入細胞內而興奮細胞，另一種氯離子蛋白(Halorhodopsin，NphR)對黃 光(593nm波長)敏感，黃光將使Cl-進入細胞而抑制細胞，這樣利用交替的藍光或黃光就 可以在特定細胞亞群水平上控制細胞活性。這項技術具有空間上的細胞特異性(應用特定 啟動子誘導相應基因在特定細胞群中表達)和時間上毫秒水平上的精確性。因此，利用該 技術通過光在毫秒水平上調控某種特定細胞亞群的活性，可以實現(xiàn)特定神經通路水平上對 動物行為的調控。溫度也會對果蠅的行為產生影響。如2002年11月德國自然科學月刊《Geo》報道 了美國洛杉磯貝克曼研究所用一種叫“melanogaster”的雄性果蠅做實驗。他們發(fā)現(xiàn)，如果 實驗室溫度是19攝氏度，這些果蠅具有明顯的異性戀行為。但當溫度升高到30攝氏度以 上，它們的行為數(shù)分鐘內就會改變。此時，雄性果蠅會對雌性果蠅不屑一顧，而轉為追逐它 們的同性伙伴。不過一旦降低到原先的溫度，這些果蠅的行為也回歸正常。美國《科學》雜 志上發(fā)表論文稱京都大學教授梅田真鄉(xiāng)領導的研究小組利用基因工程技術研究果蠅基因， 發(fā)現(xiàn)果蠅體內一種名為“DmDG”的基因活性一旦下降，果蠅就會“怕熱”，從而喜歡向溫度更 低的地方轉移，其喜好的環(huán)境溫度要比正常情況下低5攝氏度。推測“DmDG”基因可能與果 蠅的代謝功能相關。這個基因活性下降后，果蠅體內能量代謝就會活躍，于是就會更喜歡低 溫環(huán)境。對果蠅行為學的觀測目前一般是對錄像進行的人工觀測統(tǒng)計，費時費力，并且受 到經驗或疲勞等因素的影響而產生較大偏差。

發(fā)明內容有鑒于此，有必要提供一種自動刺激、記錄及分析果蠅行為的系統(tǒng)。一種果蠅行為學研究系統(tǒng)，包括如下裝置果蠅活動容器，為具有特異性蛋白的果蠅提供活動空間；影像采集裝置，采集果蠅行為影像；刺激裝置，對果蠅實施外界刺激；中 心裝置，與所述影像采集裝置和刺激裝置相連，控制影像采集裝置及刺激裝置并記錄果蠅 行為影像以及分析果蠅行為。上述系統(tǒng)在對果蠅行為學的研究中對果蠅的刺激、行為的記錄及分析都是自動進 行的，可以免除人工觀測統(tǒng)計因受經驗或疲勞因素帶來的偏差，且處理效率高。 優(yōu)選地，所述果蠅活動容器為透明容器，包括頂蓋、側壁及底座，所述側壁涂有氟 隆材料和反光材料并設有氣孔，所述頂蓋滑動地設于側壁上緣，所述側壁與底座卡接。 優(yōu)選地，所述影像采集裝置設置于果蠅活動容器的上方，為拍攝速度大于200幀/ 秒的攝像機。優(yōu)選地，所述刺激裝置包括光刺激裝置和溫度刺激裝置，所述光刺激裝置設于果 蠅活動容器上方，所述溫度刺激裝置設于果蠅活動容器底座中。優(yōu)選地，所述光刺激裝置為激光發(fā)生器或LED光源。優(yōu)選地，所述激光發(fā)生器包括波形發(fā)生器、激光器和激光發(fā)射端，所述波形發(fā)生器 與中心裝置連接，所述激光器連接波形發(fā)生器并通過光纖與激光發(fā)射端相連，所述激光發(fā) 射端設于果蠅活動容器的上方。優(yōu)選地，所述LED光源包括白光LED、藍光LED以及黃光LED，所述白光LED、藍光 LED以及黃光LED設于薄的銀板上，所述銀板對稱地設于果蠅活動容器側壁，且與設于底座 中的單片機相連。優(yōu)選地，所述中心裝置為搭載有數(shù)據分析平臺的計算機，所述數(shù)據分析平臺包括 刺激參數(shù)控制模塊、影像輸入模塊、檢測跟蹤模塊、特征提取模塊、行為甄別模塊以及用戶 界面模塊，所述刺激參數(shù)控制模塊與刺激裝置相連，所述影像輸入模塊連接影像采集裝置， 所述用戶界面模塊提供用戶操作及觀看果蠅影像的界面。此外，還提供一種果蠅行為學研究方法一種果蠅行為學研究方法，包括如下步驟對果蠅實施刺激；采集果蠅活動影像； 根據果蠅活動影像分析果蠅的行為。有針對性地對果蠅進行刺激，然后對果蠅的行為進行自動采集、記錄和分析，提高 了分析果蠅行為分析的精度和效率。優(yōu)選地，對果蠅實施的刺激包括光刺激和溫度刺激。優(yōu)選地，根據果蠅活動影像分析果蠅的行為包括如下步驟根據果蠅活動影像檢 測果蠅輪廓，建立果蠅模型；根據果蠅模型及其運動信息提取用于分析果蠅活動的特征參 數(shù)；設定果蠅行為的各特征參數(shù)的標準；根據實際提取的果蠅的各特征參數(shù)及所述標準確 定果蠅的行為；統(tǒng)計果蠅各種行為發(fā)生的頻率，分析行為與刺激的對應關系。優(yōu)選地，所述果蠅模型為三個部分重疊的橢圓，分別表示果蠅的軀干和左右翅膀， 其中軀干橢圓的中心點與左翅膀橢圓和右翅膀橢圓的長軸端點交于一點，對應所述果蠅模 型具有八個軌跡參數(shù)，分別為軀干橢圓中心點坐標、軀干橢圓長軸長度、軀干橢圓短軸長 度、軀干橢圓長軸與橫坐標的夾角、左翅膀橢圓長軸的長度、右翅膀橢圓長軸的長度、左翅 膀橢圓長軸與軀干橢圓長軸的夾角以及右翅膀橢圓長軸與軀干橢圓長軸的夾角。優(yōu)選地，果蠅的行為包括求偶行為和攻擊行為。優(yōu)選地，所述求偶行為包括展翅、回旋、交尾和求偶性追逐。
優(yōu)選地，所述攻擊行為包括前撲、撕斗、威脅和攻擊性追逐。優(yōu)選地，確定果蠅行為的步驟包括閾值法預處理的步驟和監(jiān)督學習分類的步驟， 所述閾值法預處理具體為，將所獲得的果蠅的特征參數(shù)與預設的閾值進行比較，初步判定 果蠅行為的類型；所述監(jiān)督學習分類具體為，根據模式識別方法修正判定的結果，最終確定 果蠅的行為類型。


圖1為為果蠅行為學系統(tǒng)示意圖；圖2為實施例1的果蠅行為學研究系統(tǒng)結構圖；圖3為果蠅模型圖；圖4為實施例2的果蠅行為學研究系統(tǒng)結構圖；具體實施方式果蠅行為由相應腦區(qū)或神經節(jié)的神經細胞所調控，具體來說例如調節(jié)果蠅學習記 憶的多巴胺能和章魚胺能(octopaminergic，OCT)神經元，前者還能調控運動控制，后者能 調控侵略行為(aggression)等重要的腦高級功能。它們廣泛分布于果蠅腦的高級控制中 心蘑菇體和中央復合體，將帶有多巴胺或章魚胺神經元特異啟動子的光敏基因ChR2/NpHR 載體打入上述腦區(qū)，通過病毒轉染使這些神經元變成對光敏感的細胞，通過藍光或黃光對 其進行刺激，即可引起該類細胞興奮或抑制，從而調控果蠅的行為。采用果蠅行為學研究系統(tǒng)有針對性的對果蠅行為進行調控并且分析，可以很好的 進行果蠅行為學研究。如圖1所示，為果蠅行為學研究系統(tǒng)示意圖。果蠅行為學系統(tǒng)包括 果蠅活動容器、影像采集裝置、刺激裝置以及中心裝置。影像采集裝置和刺激裝置均與中心 裝置相連。該果蠅活動容器為透明容器，為具有特異性蛋白的果蠅提供活動空間且可從外 部采集果蠅行為影像；刺激裝置對果蠅實施外界刺激，激發(fā)其特異蛋白表達，引發(fā)果蠅特定 行為；中心裝置記錄果蠅行為影像以及分析果蠅行為，控制影像采集裝置及刺激裝置。實施例1如圖2所示，為本實施例的果蠅行為學研究系統(tǒng)結構圖。本實施例的果蠅活動容 器包括兩個果蠅活動室100，刺激裝置包括光刺激裝置210和溫度刺激裝置220、影像采集 裝置為攝像機300，中心裝置采用計算機400。光刺激裝置210和攝像機300設于果蠅活動 室100的上方，溫度刺激裝置220設于果蠅活動室100的底部。光刺激裝置210和攝像機 300均與計算機400相連。果蠅活動室100不限于兩個，可以多于兩個，便于同時進行多種不同實驗，多個果 蠅活動室100用不透光材料制成的夾層140隔開。果蠅活動室100截面形狀為圓形或多邊 形，包括頂蓋110、側壁120及底座130，頂蓋110用透光性較強的材料制成且滑動地設于側 壁120上緣，便于放入果蠅。側壁120涂有氟隆材料和反光材料并設有氣孔，側壁120與底 座130卡接。底座130中央放有食物塊150，為果蠅提供食物。光刺激裝置210為激光發(fā)生器，包括與計算機400連接的波形發(fā)生器213、激光器 212、激光發(fā)射端211。激光器212與波形發(fā)生器213相連，并由光纖連接到激光發(fā)射端211。 激光器212為473/593nm即藍/黃光激光器，可以發(fā)射藍光和黃光。激光發(fā)射端211數(shù)量與果蠅活動室100的數(shù)量相同，且對應地設于果蠅活動室100的上方為果蠅提供光刺激。波形發(fā)生器213用于調節(jié)激光器212的各參數(shù)，如光的種類(藍光、黃光或混合光)、強度、頻 率、波寬、脈寬及單波個數(shù)等。溫度刺激裝置220為數(shù)顯氣溫調節(jié)器221，置于果蠅活動室100底部，與果蠅活動 室100的數(shù)量相同。用于調節(jié)果蠅活動室100的環(huán)境溫度，該氣溫調節(jié)器的調節(jié)精度高于 0. 1°C。攝像機300用于采集果蠅活動的影像并傳輸給計算機400，為保證記錄過程中的 準確度以及避免采集過程中的模糊，本實施例中攝像機300優(yōu)選為拍攝速度在每秒200幀 以上的攝像機。計算機400搭載有數(shù)據分析平臺，該數(shù)據分析平臺包括刺激參數(shù)控制模塊、影像 輸入模塊、檢測跟蹤模塊、特征提取模塊、行為甄別模塊以及用戶界面模塊。刺激參數(shù)控制模塊，用于調控光刺激的參數(shù)，即光的種類(藍光、黃光或混合光)、 強度、頻率、波寬、脈寬及單波個數(shù)等。影像輸入模塊，將攝像機300拍攝的影像轉為該數(shù)據分析平臺可識別的視頻數(shù)據 格式，一般為大多數(shù)主流的視頻格式，為優(yōu)化實時運算的速度，該影像輸入模塊的內存堆棧 中允許暫存100幀圖像。檢測跟蹤模塊，檢測果蠅的輪廓，包括身體輪廓和翅膀輪廓，建立果蠅模型，即近 似為3個相交的橢圓，進而以此為基礎檢測果蠅行動軌跡。特征提取模塊，提取果蠅行為的特征參數(shù)。行為甄別模塊，通過檢測到的特征參數(shù)與預設的參考模板確定果蠅行為。用戶界面模塊，提供用戶觀看、操作及分析的可視界面。主要包括1.攝像頭實時監(jiān)控界面實時觀看攝像頭記錄的果蠅活動，或調取之前保存的視 頻數(shù)據重復觀看；2.實驗環(huán)境參數(shù)調節(jié)調節(jié)攝像頭的角度和拍攝分辨率，鏡頭的縮放以及光源的 角度和強弱；3.行為自動記錄參數(shù)調節(jié)視頻數(shù)據的采樣率、不同類型行為特征參數(shù)的選取和 閾值的設置，研究人員也可以自定義新的特征參數(shù)和錄入新的正確參考模板；4.自動記錄結果統(tǒng)計分析統(tǒng)計不同類型行為發(fā)生的次數(shù)、時間，對不同實驗干 預因素下的統(tǒng)計結果進行各種統(tǒng)計學分析；5.結果的保存和輸出統(tǒng)計學分析結果的可視化、結果的保存、輸出和打印。根據上述的果蠅行為學研究系統(tǒng)研究果蠅行為的步驟如下SlOO 對具有特異性蛋白的果蠅實施刺激。本實施例中，特異性蛋白是指對藍光 (473nm波長)敏感的通道蛋白(Channelrhodopsin-2，ChR2)和對黃光(593nm波長)敏感 的氯離子蛋白(HalorhodopsimNphR)。藍光可激活通道蛋白，而使Na+、K+等陽離子進入細 胞內而興奮細胞；黃光將使Cl—進入細胞而抑制細胞，通過光在毫秒水平上調控某種特定細 胞亞群的活性，可以實現(xiàn)特定神經通路水平上對動物行為的調控。對果蠅的刺激包括光刺激和溫度刺激。光刺激包括藍光刺激、黃光刺激以及藍光 與黃光的混合光刺激。光刺激由激光發(fā)生器提供，溫度刺激由氣溫調節(jié)器提供，其中激光發(fā) 生器與計算機400連接，通過計算機控制波形發(fā)生器213可以調節(jié)光刺激的各參數(shù)，即上述的光的種類(藍光、黃光或混合光)、強度、頻率、波寬、脈寬及單波個數(shù)等，為果蠅行為學的 研究提供多種不同的光刺激。同樣 S200 采集果蠅活動影像。攝像機300用于采集果蠅活動影像，即拍攝果蠅活動的 視頻，拍攝的視頻經過計算機400的圖像采集卡輸入計算機400。通過拍攝速度在每秒200 幀以上的攝像機300的拍攝，視頻在計算機400上顯示的分辨率在100萬像素以上，可以達 到很好的觀察及分析效果。S300 根據果蠅活動影像分析果蠅的行為。果蠅的行為主要包括求偶行為和攻擊 行為，每種行為都是一個復雜的過程，可以包括多種類型的行為活動，對于果蠅行為的研究 可以歸納為幾種更為具體并有代表性的行為。其中求偶行為包括1)展翅雄性果蠅高速側向扇動翅膀(頻率可達280Hz)；2)回旋雄性果蠅以雌性為一個近似固定的中心做不規(guī)則的圓周運動；3)交尾雄性果蠅接近進而伏在雌性上方完成交尾，結束后即分開；4)求偶性追逐追逐果蠅跟隨被追逐果蠅的行進軌跡運動，二者的距離較為接近 但并不為零。攻擊行為包括1)前撲一只果蠅快速抬起后足猛然向前撲住另一只果蠅；2)撕斗兩只果蠅面對面，前足互相抓住對方；3)威脅果蠅的翅膀向側面展開近80度，同時水平抬高40度左右，用來威脅對 方；4)攻擊性追逐與求偶性追逐類似，追逐果蠅跟隨被追逐果蠅的行進軌跡運動， 二者的距離較為接近但并不為零。區(qū)分二者的標志可以參考果蠅的后續(xù)行為是交尾還是撕 斗。對果蠅行為的分析主要由上述的檢測跟蹤模塊、特征提取模塊、行為甄別模塊共 同配合完成。檢測跟蹤模塊記錄物體運動的軌跡參數(shù)，軌跡參數(shù)記錄的視頻采樣率為每秒20 幀，對當前采樣時刻t的一幀采樣圖像首先將24位真彩色圖像轉換為8位彩色像素圖像， 利用背景減除算法(background subtraction)對感興趣物體(果蠅)進行圖像分割和自 動檢測，采用輪廓截取術得到果蠅身體和一對翅膀的輪廓。果蠅的輪廓在系統(tǒng)坐標系中近 似為3個相交的橢圓，分別表示果蠅的軀干和左右翅膀，其中軀干橢圓的中心點與左翅膀 橢圓和右翅膀橢圓的長軸端點交于一點如圖3所示，可標定軀干橢圓中心點坐標1、軀干橢 圓長軸長度2、軀干橢圓短軸長度3、軀干橢圓長軸與橫坐標的夾角4、左翅膀橢圓長軸的長 度5、右翅膀橢圓長軸的長度6、左翅膀橢圓長軸與軀干橢圓長軸的夾角7以及右翅膀橢圓 長軸與軀干橢圓長軸的夾角8。當果蠅開始運動時，本實施例采用自動的圖像跟蹤算法對果 蠅的位置和朝向進行跟蹤，包括利用均值平移算法(mean shift)跟蹤局部鄰域的直方圖信 息，以及卡爾曼濾鏡(kalman filter)對果蠅未來的位置進行預測和修正。軌跡參數(shù)記錄開始，首先對攝像頭視野內的所有果蠅進行編號對某一只編號為 k的果蠅，從當前一幀中記錄到8個軌跡參數(shù)，示于下表 上述25個特征參數(shù)有些可從八個軌跡參數(shù)中直接獲得，如果蠅位置、頭部角度 等；有些需要進行計算獲得，如頭部角度的改變S e，就需要通過t時刻的Ang與t-Ι時刻 的Ang相減得到。果蠅的各種行為可以用上表中特征參數(shù)組合來進行識別。識別果蠅行為主要由行為甄別模塊完成，行為甄別模塊包括閾值法預處理和監(jiān)督 學習分類兩個部分。其中閾值法處理是指，根據經驗設定各行為涉及的特征參數(shù)及參數(shù)閾值的標準，不同 的行為所選的特征參數(shù)和閾值范圍不同。當在某一特征時間采樣點t，對某一行為涉及的各 特征參數(shù)的值符合對該行為所設的特征閾值選取范圍時，則認為果蠅進行了一次可能的該 類型行為。具體如下①展翅該行為的特征主要表現(xiàn)為雄性果蠅在身體保持水平的情況下(垂直觀測 角度上果蠅身體長度不變)，果蠅的翅膀做側向高速扇動，扇動角度至少在60°以上。這一 行為應至少持續(xù)Is以上。特征提取的方法為當以下特征參數(shù)，以及附加參數(shù)P都滿足時， 則系統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可能的展翅行為。 ②回旋該行為的特征主要表現(xiàn)為雄性果蠅以雌性為一個近似固定的中心做不規(guī) 則的圓周運動。這一行為因至少持續(xù)0.7s以上。特征提取的方法為當以下特征參數(shù)(其 中V和Vaz為合成速度和角速度，由速度分量Vx、Vy得到)，以及附加參數(shù)P都滿足時，則系 統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可能的回旋行為。
③交尾該行為的特征主要表現(xiàn)為交尾過程中雄雌果蠅的身體近似重合，交尾過 程一般要持續(xù)一段時間。特征提取的方法為取長度為8. 3s的時間窗，如果在這一段時間 內雄雌果蠅中心距離的均值和標準差小于閾值，則認為雄雌果蠅在這段時間內可能完成交 尾行為。
④追逐該行為的特征主要表現(xiàn)為追逐果蠅跟隨被追逐果蠅軌跡進行的相對運 動，兩只果蠅間距離接近但并不為零。要保證果蠅運動的方向相同，果蠅頭部夾角不能超過45° ；為保持追逐的狀態(tài)，果蠅運動速度和方向基本一致，果蠅間的距離不能超過10mm，但 又不能近似重合，否則可能轉入交尾或撕斗行為；追逐時間因持續(xù)Is以上。特征提取的方 法為當以下特征參數(shù)，以及附加參數(shù)P都滿足時，則系統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可 能的追逐行為。 ⑤前撲前撲行為特征相對比較復雜，假設在t時刻發(fā)生前撲行為，可以認為從 t-2到t-Ι時間內，攻擊方果蠅首先身體抬起，則從垂直視角觀測果蠅的身體長度縮短；而 到t時刻前撲發(fā)生時，身體長度基本復原。t-Ι到t時間內攻擊方果蠅前沖發(fā)起攻擊，具有 較大的速度和加速度，兩只果蠅中心距離縮短；被攻擊方果蠅應該處于不備或者擺脫追逐 的狀態(tài)，因此兩果蠅頭部夾角因小于45°。特征提取的方法為在以下特征參數(shù)都滿足時 (其中a合成加速度，由速度分量B^ay得到)，則系統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可能的 追逐行為。
⑥撕斗該行為的特征主要表現(xiàn)為兩只果蠅距離很小，頭部相對，同時具有很高的 速度和加速度。撕斗時間至少持續(xù)0.3s以上。特征提取的方法為在以下特征參數(shù)，以及 附加參數(shù)P都滿足時，則系統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可能的撕斗行為。 ⑦威脅該行為的特征主要表現(xiàn)為攻擊方果蠅翅膀角度的變化，同時向攻擊目標 緩慢的移動。威脅行為至少持續(xù)0.3s以上。特征提取的方法為在以下特征參數(shù)，以及附 加參數(shù)P都滿足時，則系統(tǒng)在t時刻記錄到果蠅間的一次可能的威脅行為。 由于閾值法預處理中設定的的限定條件較寬，直接作為判別依據產生的分類結果 誤差較大。因此采用監(jiān)督學習分類的模式識別方法修正判別結果，提高行為分類準確度。以 前撲行為為例作如下說明1.對一段連續(xù)拍攝記錄的果蠅行為影像時間，由專家對其認為屬于前撲動作的行 為進行手工標定。為減少手工選取對專家經驗的依賴，可由兩名以上專家獨立完成標定，并 使用投票原則降低經驗誤差風險。設經過標定得到了 P個前仆行為的樣本，對這些樣本提 取其與前仆行為有關的行為特征參數(shù)，將參數(shù)的值構成一個行為特征向量Xp，由所有已標 定的行為樣本的行為特征向量構成了前仆行為的訓練集合{xp e C1, P = 1，...，P}，C1代 表類別；2.同時由專家隨機標定相同個數(shù)屬于非前撲行為的樣本，構成非前撲行為的訓練 集合(Xp ^ C2，ρ = 1，...，P} ο3.兩類訓練集合樣本數(shù)應控制在200以上，用兩類訓練集合訓練一個線性判別函 數(shù)(LDA)分類器。在訓練完成后，當后續(xù)未知的樣本首先經過預處理，被判別為可能的前撲 行為后，該樣本的前仆行為特征向量將被輸入到LDA線性分類器中進行識別，最終得到監(jiān) 督學習下的，更加準確的前撲行為判別結果。其它行為的最終判別過程相同。實施例2上述實施例中，提供光刺激的裝置為激光發(fā)生器，并由計算機400通過數(shù)據線與 波形發(fā)生器213連接，控制激光的參數(shù)。還可以利用其他的裝置提供光刺激，如本實施例中的LED光源。如圖4所示，為本實施例的果蠅行為學研究系統(tǒng)示意圖。在果蠅活動室100的側壁 120內對稱地設有薄的銀板231，數(shù)量為4條、8條或更多。每條銀板231上周期性地依次設 有白光LED232、藍光LED233以及黃光LED234。每種LED的數(shù)量可以調節(jié)，如白光LED232、 藍光LED233、黃光LED234的數(shù)量分別為2個、3個、4個。LED的光強度要足夠大，優(yōu)選為 801m(流明)以上。所有的LED通過銀板231上的電路與單片機235相連，單片機235通過 其中的通用異步接收/發(fā)送裝置(UART)與USB接口信號轉換芯片236相連，該USB接口信 號轉換芯片示例為FT232RL。然后通過USB連接到計算機400，通過數(shù)據分析平臺中的刺激 參數(shù)控制模塊控制單片機235調節(jié)LED的發(fā)光參數(shù)。與實施例1相比，本實施例具有裝置簡單，成本低的特點。在其他的實施例中，還可以在果蠅活動室100的上部設置照明燈提供照明，為防 止照明光對攝像機300的影響，照明燈上部設有遮光板。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式， 其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，包括如下裝置果蠅活動容器，為具有特異性蛋白的果蠅提供活動空間；影像采集裝置，采集果蠅行為影像；刺激裝置，對果蠅實施外界刺激；中心裝置，與所述影像采集裝置和刺激裝置相連，控制影像采集裝置及刺激裝置并記錄果蠅行為影像以及分析果蠅行為。
2.如權利要求1所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述果蠅活動容器為透明 容器，包括頂蓋、側壁及底座，所述側壁涂有氟隆材料和反光材料并設有氣孔，所述頂蓋滑 動地設于側壁上緣，所述側壁與底座卡接。
3.如權利要求1所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述影像采集裝置設置于 果蠅活動容器上方，為拍攝速度大于200幀/秒的攝像機。
4.如權利要求2所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述刺激裝置包括光刺激 裝置和溫度刺激裝置，所述光刺激裝置設于果蠅活動容器上方，所述溫度刺激裝置設于果 蠅活動容器底座中。
5.如權利要求4所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述光刺激裝置為激光發(fā) 生器或LED光源。
6.如權利要求5所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)生器包括波形 發(fā)生器、激光器和激光發(fā)射端，所述波形發(fā)生器與中心裝置連接，所述激光器連接波形發(fā)生 器并通過光纖與激光發(fā)射端相連，所述激光發(fā)射端設于果蠅活動容器的上方。
7.如權利要求5所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述LED光源包括白光 LED、藍光LED以及黃光LED，所述白光LED、藍光LED以及黃光LED交錯地設于薄的銀板上， 所述銀板對稱地設于果蠅活動容器側壁，且與設于底座中的單片機相連。
8.如權利要求1所述的果蠅行為學研究系統(tǒng)，其特征在于，所述中心裝置為搭載有數(shù) 據分析平臺的計算機，所述數(shù)據分析平臺包括調控刺激裝置各項刺激參數(shù)的刺激參數(shù)控制 模塊、接收影像采集裝置數(shù)據并傳入中心裝置的影像輸入模塊、檢測果蠅影像建立果蠅模 型并跟蹤果蠅運動的檢測跟蹤模塊、提取表現(xiàn)果蠅各行為的特征參數(shù)的特征提取模塊、分 析果蠅行為的行為甄別模塊以及用戶界面模塊，所述刺激參數(shù)控制模塊與刺激裝置相連， 所述影像輸入模塊連接影像采集裝置，所述用戶界面模塊提供用戶操作及觀看果蠅影像的 界面。
9.一種果蠅行為學研究方法，其特征在于，包括如下步驟對具有特異性蛋白的果蠅實施刺激；采集果蠅活動影像；根據果蠅活動影像分析果蠅的行為。
10.如權利要求9所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，對果蠅實施的刺激包括光 刺激和溫度刺激。
11.如權利要求9所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，根據果蠅活動影像分析果 蠅的行為包括如下步驟根據果蠅活動影像檢測果蠅輪廓，建立果蠅模型及軌跡參數(shù)；根據果蠅模型及其軌跡參數(shù)提取用于分析果蠅活動的特征參數(shù)；讀取果蠅行為的各特征參數(shù)的標準；根據實際提取的果蠅的各特征參數(shù)及所述標準確定果蠅的行為；統(tǒng)計果蠅各種行為發(fā)生的頻率，分析行為與刺激的對應關系。
12.如權利要求11所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，所述果蠅模型為三個部 分重疊的橢圓，分別表示果蠅的軀干和左右翅膀，其中軀干橢圓的中心點與左翅膀橢圓和 右翅膀橢圓的長軸端點交于一點，對應所述果蠅模型具有八個軌跡參數(shù)，分別為軀干橢圓 中心點坐標、軀干橢圓長軸長度、軀干橢圓短軸長度、軀干橢圓長軸與橫坐標的夾角、左翅 膀橢圓長軸的長度、右翅膀橢圓長軸的長度、左翅膀橢圓長軸與軀干橢圓長軸的夾角以及 右翅膀橢圓長軸與軀干橢圓長軸的夾角。
13.如權利要求11所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，果蠅的行為包括求偶行 為和攻擊行為。
14.如權利要求13所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，所述求偶行為包括展翅、 回旋、交尾或求偶性追逐。
15.如權利要求14所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，所述攻擊行為包括前撲、 撕斗、威脅或攻擊性追逐。
16.如權利要求11所述的果蠅行為學研究方法，其特征在于，確定果蠅行為的方法包 括閾值法預處理的步驟和監(jiān)督學習分類的步驟，所述閾值法預處理具體為，將所獲得的果蠅的特征參數(shù)與預設的閾值進行比較，初步 判定果蠅行為的類型；所述監(jiān)督學習分類具體為，根據模式識別方法修正判定的結果，最終確定果蠅的行為 類型。
全文摘要
一種果蠅行為學研究系統(tǒng)，屬于動物行為學領域。該系統(tǒng)包括如下裝置果蠅活動容器，為具有特異性蛋白的果蠅提供活動空間；影像采集裝置，采集果蠅行為影像；刺激裝置，對果蠅實施外界刺激；中心裝置，與影像采集裝置和刺激裝置相連，控制影像采集裝置及刺激裝置并記錄果蠅行為影像以及分析果蠅行為。此外還涉及果蠅行為學研究方法，包括步驟對具有特異性蛋白的果蠅實施刺激；采集果蠅活動影像；根據果蠅活動影像分析果蠅的行為。上述系統(tǒng)在對果蠅行為學研究中對果蠅的刺激、行為的記錄及分析都是自動進行的，可以免除人工觀測統(tǒng)計因受經驗或疲勞因素帶來的偏差，且有針對性地對果蠅進行刺激，提高了分析果蠅行為分析的精度和效率。
文檔編號A01K67/033GK101869093SQ20101019627
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權日2010年6月9日
發(fā)明者劉楠, 李華順, 王立平, 蔚鵬飛, 辜嘉, 饒毅 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院