自然环境中动物行为的神经电活动记录装置及方法

摘要

本发明提供一种自然环境中动物行为的神经电活动记录装置及方法，通过主控模块、神经电采集模块、数据存储模块、GPS模块和GPRS模块追踪动物的活动路径，同时采集动物与其行为相关的神经电活动时，能够连续采集、存储数据，并将数据发送到后台服务器，完成与其行为相关的神经电活动的记录和相关研究。本发明自然环境中动物行为远程监测的装置及方法的特点是：能够追踪动物的活动路径，并基于GPRS的无线通讯功能，数据不会丢失，特别适合追踪飞禽等远距离迁徙或活动范围广阔的动物，在不仅可观测个体行为，还可以观测群体行为。

权利要求

1.一种自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，包括固定安装于被监测对象背部的：电源模块(6)，用于向装置提供直流电源；

GPS模块(1)，用于接收定位卫星发送的定位信号，根据所述定位信号获取被监测对象当前的地理位置和运动状态信息；

其特征在于，还包括：

神经电采集模块(4)，固定安装于所述被监测对象的背部，用于采集由放置在所述被监测对象头部的电极(7)获取的神经核团放电活动的数据信息；

主控模块(2)，固定安装于所述被监测对象的背部，用于接收所述地理位置和运动状态信息，并向所述神经电采集模块(4)发送触发指令，并记录所述被监测对象神经核团放电活动的数据信息；

数据存储模块(3)，固定安装于所述被监测对象的背部，用于存储所述神经电采集模块(4)记录的数据信息；

GPRS模块(5)，固定安装于所述被监测对象的背部，用于所述主控模块(2)与后台服务器相互之间的数据传输；

其中，所述主控模块(2)分别与所述GPS模块(1)、数据存储模块(3)、神经电采集模块(4)和所述GPRS模块(5)连接，所述数据存储模块(3)与所述GPRS模块(5)连接，所述电源模块(6)分别与所述GPS模块(1)、主控模块(2)、数据存储模块(3)、神经电采集模块(4)和所述GPRS模块(5)连接。

2.根据权利要求1所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，其特征在于，所述神经电采集模块(4)包括两级放大器、电源电压跟随器和高、低通滤波器，其中，所述两级放大器分别将差模神经电信号放大50倍和100倍，第一级放大器的输入端与神经电信号相连，第二放大器的输出端与所述主控模块(2)的模数转换输入端相连，所述电源电压跟随器和高、低通滤波器输出滤波后的电源。

3.根据权利要求1或2所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，其特征在于，所述主控模块(2)包括单片机芯片(U1)和与其相连的模拟开关，所述模拟开关与所述GPS模块(1)和GPRS模块(5)分别相连。

4.根据权利要求3所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，其特征在于，所述单片机芯片(U1)采用型号为ATmega8的微处理器，所述神经电采集模块(4)采用型号为AD8821和TLV2664的芯片构成。

5.根据权利要求4所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，其特征在于，所述数据存储模块(3)包括SD卡及其上拉电阻或TF卡及其上拉电阻。

6.一种自然环境中动物行为的神经电活动记录方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将装置安装于被监测对象的身上，放飞所述被监测对象，并启动所述装置；

第二步：所述装置初始化主控模块(2)的模数转换器、定时器并开启中断程序；

第三步：所述装置设置并启动数据存储模块(3)；

第四步：所述装置每隔40μs执行一次中断程序，将所述模数转换器的神经电信号记录到缓存器中，并在8μs后退出中断程序返回；

第五步：所述装置设置启动GPS模块(1)和GPRS模块(5)；

第六步：所述主控模块(2)判断是否建立了网络连接，检测所述GPRS模块(5)有无GPRS信号并向所述GPRS模块(5)发送指令，获取GPS数据并存入所述缓存器，在所述缓存器满后，将缓存数据写入所述数据存储模块(3)；

第七步：所述装置通过GPRS模块(5)将所述数据存储模块(3)中的缓存数据发送到后台服务器，并返回到第六步循环；

第八步：后台服务器对获取的数据进行分析，得出试验结论。

7.根据权利要求6所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录方法，其特征在于，在所述第四步中，中断程序中生成神经电数据的步骤是，所述模数转换器采用4个通道，每隔40μs一次将神经电模拟信号转换成数字信号并将当前通道的数据转存到所述缓存器，同时，通过更新缓存下标更改所述模数转换器的通道并重启所述模数转换器。

8.根据权利要求6或7所述的自然环境中动物行为的神经电活动记录方法，其特征在于，还包括在所述被监测对象可以归巢时，从所述装置上取下所述数据存储模块(3)，对获取的数据进行分析，得出试验结论。

说明书

自然环境中动物行为的神经电活动记录装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种自然环境中动物行为的神经电活动记录装置及方法。

背景技术

[0002] 动物行为学是研究动物个体和动物社群为适应内、外环境刺激所做出的反应的一门学科。研究的对象包括动物的沟通行为、情绪表达、社交行为、学习行为、繁殖行为等。其中动物学习和认知等方面的研究与神经科学密切相关性，随着神经科学和电子技术的发展，产生了许多用于动物学习和认知的研究仪器与技术，对促进动物学习与认知研究具有重要作用。

[0003] 在自然环境中，观察动物在自由活动、无拘无束的自然状态下的活动并进行实验，是研究动物行为的重要方法。技术人员开发了各种动物行为追踪与监测装置，如动物个体标记技术、无线电遥测技术和GPS(Global Positioning System)遥测技术。卫星追踪技术(PTT)和卫星定位系统(GPS)成了自然环境中记录动物行为的常用方法。专利《探测动物导航定向的装置及方法》给出的是被监测对象在神经电采集模块产生的磁场干扰下的实验装置，也只能记录并保存一股运动轨迹信息。这些技术只能用于追踪动物，记录其行动轨迹，却无法获得动物行为相关的神经活动，从而无法揭示行为关联的脑机制与神经基础。

[0004] 专利《一种猕猴大脑神经元多单位电活动室外记录系统》(专利号为CN00105039.7)包括用螺钉固定在猕猴颅骨表面上的微型记录平台及微型记录平台上的装置、通过电缆连接的手提便携式仪器箱。微型记录平台上的装置包括微电极微型推进器、动物行为记录摄像机、微型视频眼动记录仪和微电极放大器。手提便携式仪器箱包括四分频视信号合成仪、主放大器、八合一神经信号单片机处理系统、8mm磁带记录仪。该系统可以在室外和野外进行猕猴大脑神经元多单位放电记录保存起来，只适用于猕猴等大动物。

[0005] 专利《刺激动物细胞并记录其生理信号的装置及其生产使用方法》(专利号为CN01140338.1)包括非良导体的基质，在基质的至少一面上设有具加电电极的至少一个单元导电聚合物层和至少一个良导体微电极。装置提供了一种能够对动物细胞进行刺激并记录其生理信号的装置，用于对取自各种动物神经组织不同部位的细胞进行研究。

[0006] 专利《一种可遥控运动行为的脑神经电刺激装置》(专利号为CN200510047336)包括遥控器、声音刺激器、PC机、脑神经电刺激器、脑刺激电极、运动训练器。遥控器向脑神经电刺激器发出指令，然后通过串行口将该指令发给PC机，开始运行；同时脑神经电刺激器发出相应的电脉冲，该电脉冲通过植入的脑刺激电极进入大脑以刺激大脑神经，大脑神经支配躯体产生运动行为反应。这一技术是通过电流刺激动物的神经来控制动物行为，适用于在训练箱内进行，而且无法记录行为相关的神经电活动。

[0007] 然而，现有技术无法在自然环境下通过记录与行为相关的神经电活动来观察、研究动物的行为等活动，特别是在自然环境下研究鸟类等小动物的行为学习与认知。公开于Journal ofNeurophysiology，95：1263-1273，2006的方法是将电极记录的脑神经放电数据写入存储卡，在动物归巢后取下存储卡然后读取数据，再做分析。这种装置存在的问题是：只适用于能够归巢的动物，非归巢的动物则无法获得数据。另外，如果动物在中途丢失或其它原因导致无法归巢，则不能获得数据。

[0008] 综上所述，要解决上述的技术问题，在于如何提供一种在自然环境下连续记录动物的行动，并同时记录与动物行为相关的神经电活动，能够揭示行为关联的脑机制与神经基础的远程监测装置，以便于通过与后台服务器的数据传输完成记录动物行为和相关研究。这是本领域面临的新的重要技术课题，是目前研究动物行为所亟待解决的设备问题。

发明内容

[0009] 本发明提供一种自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，以实现在追踪动物的行动中能够连续采集与动物行为相关的神经电活动，并通过与后台服务器的数据传输完成记录动物行为和相关研究。

[0010] 为达到上述目的，本发明提供了一种自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，包括：固定安装于被监测对象背部的：

[0011] 电源模块，用于向装置提供直流电源；

[0012] GPS模块，用于接收定位卫星发送的定位信号，根据所述定位信号获取被监测对象当前的地理位置和运动状态信息；

[0013] 还包括：

[0014] 神经电采集模块，固定安装于所述被监测对象的背部，用于采集由放置在所述被监测对象头部的电极获取的神经核团放电活动的数据信息；

[0015] 主控模块，固定安装于所述被监测对象的背部，用于接收所述地理位置和运动状态信息，并向所述神经电采集模块发送触发指令，并记录所述被监测对象神经核团放电活动的数据信息；

[0016] 数据存储模块，固定安装于所述被监测对象的背部，用于存储所述神经电采集模块记录的数据信息；

[0017] GPRS(General Packet Radio Service)模块，固定安装于所述被监测对象的背部，用于所述主控模块与后台服务器相互之间的数据传输；

[0018] 其中，所述主控模块分别与所述GPS模块、数据存储模块、神经电采集模块和所述GPRS模块连接，所述数据存储模块与所述GPRS模块连接，所述电源模块分别与所述GPS模块、主控模块、数据存储模块、神经电采集模块和所述GPRS模块连接。

[0019] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，所述神经电采集模块包括两级放大器、电源电压跟随器和高、低通滤波器，其中，所述两级放大器分别将差模神经电信号放大50倍和100倍，第一级放大器的输入端与神经电信号相连，第二放大器的输出端与所述主控模块的模数转换输入端相连，所述电源电压跟随器和高、低通滤波器输出滤波后的电源。

[0020] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，所述主控模块包括单片机芯片和与其相连的模拟开关，所述模拟开关与所述GPS模块和GPRS模块分别相连。

[0021] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，所述单片机芯片采用型号为ATmega8的微处理器，所述神经电采集模块采用型号为AD8821和TLV2664的芯片构成。

[0022] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置，所述数据存储模块包括SD卡及其上拉电阻或TF卡及其上拉电阻。

[0023] 另一方面，本发明还提供了一种自然环境中动物行为的神经电活动记录的方法，包括以下步骤：

[0024] 第一步：将装置安装于被监测对象的身上，放飞所述被监测对象，并启动所述装置；

[0025] 第二步：所述装置初始化主控模块的模数转换器、定时器并开启中断程序；

[0026] 第三步：所述装置设置并启动数据存储模块；

[0027] 第四步：所述装置每隔40μs执行一次中断程序，将所述模数转换器的神经电信号记录到缓存器中，并在8μs后退出中断程序返回；

[0028] 第五步：所述装置设置启动GPS模块和所述GPRS模块；

[0029] 第六步：所述主控模块判断是否建立了网络连接，检测所述GPRS模块有无GPRS信号并向所述GPRS模块发送指令，获取GPS数据并存入所述缓存器，在所述缓存器满后，将缓存数据写入所述数据存储模块；

[0030] 第七步：所述装置通过GPRS模块将所述数据存储模块中的缓存数据发送到后台服务器，并返回到第六步循环；

[0031] 第八步：后台服务器对获取的数据进行分析，得出试验结论。

[0032] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录的方法，在所述第四步中，中断程序中生成神经电数据的步骤是，所述模数转换器采用4个通道，每隔40μs一次将神经电模拟信号转换成数字信号并将当前通道的数据转存到所述缓存器，同时，通过更新缓存下标更改所述模数转换器的通道并重启所述模数转换器。

[0033] 本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录的方法，还包括在所述被监测对象可以归巢时，从所述装置上取下所述数据存储模块，对获取的数据进行分析，得出试验结论。

[0034] 本发明自然环境中动物行为远程监测的装置及方法的特点是：由于设置了主控模块、神经电采集模块、数据存储模块、GPS模块和GPRS模块，故能够追踪动物的活动路径，特别适合追踪飞禽等远距离迁徙或活动范围广阔的动物，在观测动物与其行为相关的神经电活动时，能够连续采集并通过与后台服务器的数据传输完成记录动物行为和相关研究。不仅可观测个体行为，还可以观测群体行为。装置可自动根据动物的运动状态，开启/停止神经电信号的采集和存储数据，并将数据发送到后台服务器。对研究而言，重要的是获取实验数据。在加入了基于GPRS的无线通讯功能后，数据不会丢失，因此，尽管鸟类不归巢导致装置丢失了，可是实验数据能保存下来，实验研究仍然可以顺利开展。

附图说明

[0035] 图1为本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置在动物身上的安装示意图；

[0036] 图2为本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置的方框图；

[0037] 图3为本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录装置的电路原理图；

[0038] 图4为神经电采集模块的电路原理图；

[0039] 图5为本发明自然环境中动物行为的神经电活动记录方法的流程图；

[0040] 图6为中断程序生成神经电数据的流程图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

[0042] 参考图2和图3，本发明实施例的自然环境中动物行为的神经电活动记录装置包括固定安装于被监测对象背部的电源模块6、GPS模块1、主控模块2、数据存储模块3、神经电采集模块4和GPRS模块5。参考图1，具体是在装置的背带端用甲基丙烯酸(哥俩好)粘在尼龙粘扣带上，然后将尼龙粘扣带与实验动物背部的尼龙粘扣带8扣紧，并将将电极7安装在实验动物头部，可以采用传统的方式，也可以采用甲基丙烯酸(哥俩好)粘接的方式，并用软导线8与背部的神经电采集模块4连接。主控模块2分别与GPS模块1、数据存储模块3、神经电采集模块4和GPRS模块5连接，数据存储模块3与GPRS模块5连接，电源模块6分别与GPS模块1、主控模块2、数据存储模块3、神经电采集模块4和GPRS模块5连接，用来为这些模块提供直流电。

[0043] 其中，GPS模块1用于接收定位卫星发送的定位信号，根据定位信号获取被监测对象当前的地理位置和运动状态信息，并将地理位置和运动状态信息发送给主控模块2。主控模块2用于接收地理位置和运动状态信息，并向神经电采集模块发送触发指令，并记录被监测对象神经核团放电活动的数据信息。神经电采集模块4用于采集由放置在被监测对象头部的电极获取的神经核团放电活动的数据信息。数据存储模块3用于存储所述神经电采集模块记录的数据信息。GPRS模块5用于主控模块2与后台服务器相互之间的数据传输。

[0044] 参考图4，神经电采集模块4包括两级放大器、电源电压跟随器和高、低通滤波器，其中，放大器的输入端与神经电信号相连，放大器的输出端与主控模块的模数转换输入端相连，电源电压跟随器和高、低通滤波器输出滤波后电源。神经电采集模块4采用型号为AD8821或AD8259和TLV2664的芯片构成。图中，IN-OP1为AD8821，OP1、OP2、OP3为TLV2664；在其他的实施例中也可选为IN-OP1、OP1、OP2为AD8259，OP3为TLV2664。

[0045] 连接IN-、IN+至实验动物头部的电极7，连接VGND至实验动物皮层表面的地电极。连接AOUT至主控模块2的模数转换ADC引脚。

[0046] 其中：IN-OP1和外围器件R1组成差分放大器，对从电极引出的神经电差模信号进行第一级放大，放大倍数为50倍，OP2和外围器件R3、R4构成二级放大，放大倍数为100倍，两级放大器分别将差模神经电信号放大50倍和100倍。R5、C3构成低通滤波器，截止频率为3.28KHz。OP1、C2、R2、R6构成高通滤波器，截止频率为7.2Hz。OP3、R7、R8、C5构成电源电压跟随器，提供VGND，并且VGND＝0.5*VCC；C1、C4对电源滤波，抑制电源电压波动对电路的影响。

[0047] 主控模块2包括单片机芯片U1和与其相连的模拟开关，单片机芯片U1采用型号为ATmega8的微处理器，模拟开关采用型号为14052的芯片。模拟开关与GPS模块1和GPRS模块5分别相连。

[0048] 主控模块2包括时钟电路。时钟电路由电容C1、C2和8MHz晶振组成路。而单片机芯片U1为Atmega8，其第2管脚(RXD)PD0经模拟开关与GPS芯片U2的TXD管脚相连，第3管脚(TXD)PD1经模拟开关与GPS芯片U2的RXD管脚相连，这样，单片机芯片U1就可以与GPS芯片U2进行通讯，接收来自GPS芯片U2的发送的被监测对象当前的地理位置和运动状态信息。单片机芯片U1第12、13管脚经模拟开关与GPRS芯片相连，这样，单片机芯片U1就可以与GPS芯片U2进行通讯，而单片机芯片U1的第17管脚PB3(MOSI/OC2)分别与SD卡U3的第7管脚D0和电阻R2连接，第18管脚PB4(MOSI)分别与SD卡U3的第2管脚D1和电阻R3连接，第19管脚PB5(SCK)分别与SD卡U3的第5管脚SCLK和电阻R1连接，第16管脚PC2分别与SD卡U3的第1管脚CS和电阻R4连接。这样，当单片机芯片U1的缓存中从GPS芯片U2接收的被监测对象当前的地理位置和运动状态信息达到512字节后，单片机芯片U1就启动SPI总线，向SD卡U3写入这512字节数据，并更新SD卡U3中的文件记录表。数据存储模块3包括SD卡U3及其上拉电阻R1～R4，而SD卡U3在其他的实施例中也可用TF卡代替。

[0049] 参考图5，本发明一种自然环境中动物行为的神经电活动记录方法，具体包括以下步骤：

[0050] 第一步：将装置安装于被监测对象的身上，具体是在装置的背带端用甲基丙烯酸(哥俩好)粘在尼龙粘扣带上，然后将尼龙粘扣带与实验动物背部的尼龙粘扣带8扣紧，并将将电极7安装在实验动物头部，可以采用传统的方式，也可以采用甲基丙烯酸(哥俩好)粘接的方式，并用软导线8与背部的神经电采集模块4连接，放飞被监测对象并启动装置，开启计算机，连接网络。

[0051] 第二步：装置初始化主控模块的模数转换器、定时器并开启中断程序。

[0052] 第三步：装置设置并启动数据存储模块。

[0053] 第四步：装置每隔40μs执行一次中断程序，将模数转换器的神经电信号记录到缓存器中，并在8μs后退出中断程序返回。参考图6，在中断程序中生成神经电数据的步骤是，模数转换器采用4个通道，每隔40μs一次将神经电模拟信号转换成数字信号并将当前通道的数据转存到缓存器，同时，通过更新缓存下标更改模数转换器的通道并重启模数转换器。

[0054] 第五步：装置设置并启动GPS模块和GPRS模块。

[0055] 第六步：主控模块判断是否建立了网络连接，检测GPRS模块有无GPRS信号，如果有，则向GPRS模块发送指令，获取GPS数据并存入缓存器，在缓存器满后，将缓存数据写入数据存储模块。

[0056] 第七步：装置通过GPRS模块将数据存储模块中的缓存数据发送到后台服务器，并返回到第六步循环。

[0057] 第八步：后台服务器对获取的数据进行分析，得出试验结论。

[0058] 上述步骤后，还包括在被监测对象可以归巢时，从装置上取下所述数据存储模块，对获取的数据进行分析，得出试验结论。

[0059] 以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。