一、產品介紹背景

      Jet Ball Phenosys動物虛擬行為學實驗系統是一種新型虛擬現實實驗系統。它基于一個氣墊球跑步機，固定的實驗動物可以通過這個氣墊跑步機在虛擬空間里運動。虛擬現實提供了一個完全可控的實驗環境，可以用于研究導航，認知，學習和記憶。

      Jet Ball可以和電生理、光遺傳、成像系統結合使用，在虛擬現實中觀察動物簡單或復雜的行為。

      電生理，成像等技術已經被廣泛應用于研究腦功能的實驗中，但是由于技術要求的局限性，在體的研究中主要是通過麻醉的動物上實現的，而如何對自由活動的動物進行研究成為目前的科研難點。Phenosys動物虛擬行為學實驗系統采用頭顱固定的方式，因此可結合電生理，光遺傳或成像技術，對動物在虛擬現實的環境中進行簡單或復雜的行為學實驗。

二、產品組成

組成部分

硬件：
?TFT環繞監視系統：

1. 虛擬現實場景通過TFT環繞監視系統來實現。TFT環繞監視系統由6個19寸的顯示器以270度的科學精算角度（無盲點）圍成八角形，同時，顯示器的高分辨率（1280（x3）x 1024pixels），對比度（2000：1）以及反饋時間（20ms），這些都使得實驗動物在虛擬世界中處于真實的環境。

2. TFT顯示器設置了四個音響支架，可選擇性的放置音箱提供聲音效果以及聽覺刺激

3. 可以在虛擬現實場景中設定規定時間中的標記對實驗動物進行實驗刺激

4. 環繞監視系統上方有足夠的空間搭建其他設備，如顯微鏡等。

氣流懸浮球系統:
氣流懸浮球系統包括一個鋁制球架，球架底部備有壓縮氣體供氣裝置，通過供氣使得聚苯乙烯球懸浮。

可選擇兩種規格：

球體直徑20cm用于小鼠研究；

球體直徑30cm用于幼年大鼠研究；

可定制：球體直徑50cm用于成年大鼠

?可伸縮裝置:
可伸縮裝置用于控制獎勵懲罰機制。

 

?X/Y運動感應裝置:
X/Y運動感應裝置探測用于懸浮球的二維坐標，并協調懸浮球與虛擬世界的真實性。

 

?觸覺刺激系統:
當實驗大\小鼠在虛擬迷宮中遇到虛擬屏障時，觸覺刺激裝置會吹出氣體刺激大小鼠胡須，模擬真實環境中的碰觸墻壁的效果，給予實驗動物真實的觸覺迷宮環境。Phenosys動物虛擬行為學實驗系統

觸覺刺激裝置左右各一個，位置可調節。

 

 

 

 

?聽覺刺激系統:
聽覺刺激系統包括4個環形圓頂高頻揚聲器組成的3D立體聲系統，放大器，音頻接口及軟件。

 

?味覺刺激系統:
味覺刺激系統由一套液體舔舐傳感裝置和一個蠕動泵組成,通過球架上的可伸縮裝置進行控制,從而可對實驗動物進行味覺刺激或者獎勵機制的設定。

 

?嗅覺刺激系統:
嗅覺刺激系統由一個高靈敏度的8通道嗅覺測量器組成.通過球架上的可伸縮裝置對實驗動物進行嗅覺刺激.

 

?頭部固定裝置:
頭部固定裝置用于固定在懸浮球上運動的實驗動物，固定器重量僅為2g，方便實驗動物在虛擬現實場景中進行運動。固定器的支架可方便靈活的調節角度和位置。固定器的孔可定制。Phenosys動物虛擬行為學實驗系統

 

 

?懲罰機制系統:
可伸縮裝置通過控制迎面的air puff 可作為實驗動物的一個懲罰機制。

 

?獎勵機制系統:
可伸縮裝置通過控液體舔舐傳感裝置可以在虛擬現實系統對實驗動物進行獎勵機制。

 

?挫折感機制系統:
可人為的通過剎車裝置讓運動中的實驗動物無法繼續行走，產生挫折感。

 

 

軟件組成:
?PhenoSoft Control：通過圖形界面控制所有硬件組件系統 （Fig.9）

?PhenoSoft VR：構建各種實驗所需的場景迷宮，包括大小，地標，顏色以及紋理（Fig.10）

?PhenoSoft Schedule：流程圖和狀態圖編寫實驗計劃

 

軟件

基礎軟件包包括：

1. 通過圖形界面來控制硬件組件

2. 構建自定義的迷宮（大小、地標、顏色和紋理）

3. 用流程圖或狀態圖來顯示實驗進度

模塊化的解決方案

基本球架裝置配備一個可伸縮操作裝置，一個舔舐傳感器和一個用來輸送液體作為獎勵機制的蠕動泵。也可選配作為懲罰機制的air puff。

虛擬現實平臺高度靈活可調，刺激不僅可用于視覺，還可擴展到聲音，氣味和觸覺。此外，我們還提供一個制動裝置，靈活控制球的運動。

聲學

3D聲學系統包括4個環型圓頂高音音響，放大器，音頻接口和軟件。

氣味

多通道氣味調節閥快速響應嗅覺刺激，有1-8個平行通道，通過球架的可伸縮裝置。

胡須刺激

當動物遇到虛擬屏障時，會有氣體從左側或者右側吹出，刺激動物胡須。

懲罰機制

通過迎面氣體刺激

制動系統

制動系統可以通過軟件控制，如：當動物碰到虛擬墻壁

三、產品應用

1. 用于觀察實驗動物在虛擬現實中的復雜行為，也可以與電生理，光遺傳和成像系統結合使用。

2. 條件反射可操作性

3. 學習和記憶過程

設置

1. 環繞型監視器（TFT，高對比度和亮度）或球型環繞監視器（270°鏡像投影，實現無縫投影）

2. 易于與外部設備相接

3. 可伸縮裝置：獎（水）懲（氣體刺激）

4. 普通迷宮（T迷宮，十字迷宮，徑向臂迷宮，開放場等）或定制的虛擬現實場景

5. 條件反射可操作性

選配

1. 3D聲音系統，快速響應氣味發生器，觸覺刺激，制動系統，懲罰機制

2. 20cm球針對小鼠

30cm球針對幼年大鼠

50cm球針對成年大鼠（可選）

3. 自定義編程條件反射可操作性和虛擬場景

 

虛擬實境與電生理膜片鉗記錄
頭顱固定與虛擬實境相搭配：科研界**能在自由活動的動物大腦中穩定地采集到電信號！

 

特點說明：

膜片鉗記錄需要超高穩定性的系統支持，活體膜片鉗記錄目前為止都是在麻醉動物身上進行，動物麻醉后無法模擬真實環境下對外界刺激的反應。因此*好的實驗系統是在活動動物身上做記錄。既要能讓動物自由活動完成任務，又要維持穩定性記錄大腦電生理信號，可通過虛擬實境系統能完成這項任務。虛擬實境系統采用頭顱固定方式，搭配視覺、嗅覺、聽覺、味覺、與觸覺等所有與真實環境相似的外界刺激，讓動物在三維空間中自由運動。同時搭配無限可能的迷宮設計，在狹小的實驗室空間內模擬了各種可能的迷宮，大大增加了空間自由度 。

 

 

虛擬實境與雙光子、共聚焦熒光顯微鏡記錄
頭顱固定與虛擬實境相搭配：科研界**能在自由活動的動物大腦中，穩定地采集到細胞影像！

 

特點說明：

與活體膜片鉗記錄相同，活體雙光子記錄目前為止都是在麻醉動物身上進行，動物麻醉后無法模擬真實環境下對外界刺激的反應。因此*好的實驗系統是在活動動物身上做記錄。既要能讓動物自由活動完成任務，又要維持穩定性記錄大腦皮層的細胞形態，可通過虛擬實境系統能完成這項任務。虛擬實境系統采用頭顱固定方式，搭配視覺、嗅覺、聽覺、味覺、與觸覺等所有與真實環境相似的外界刺激，讓動物在三維空間中自由運動。同時搭配無限可能的迷宮設計，在狹小的實驗室空間內模擬了各種可能的迷宮，大大增加了空間自由度。Phenosys動物虛擬行為學實驗系統

 

四、技術參數

1.系統提供一組6個19寸屏幕組成的環繞TFT屏幕，其環繞角度完全覆蓋嚙齒類動物270度的視角.對比度達到2000:1，明亮度達到300cd/m2，能夠清晰的顯示虛擬環境，

2.提供兩種不同規格的球架，適合大小鼠實驗： M：直徑為20cm的球（適用于小鼠）；L：直徑為30cm的球（適用于幼年大鼠）；

3．Ball holder具有8個平均分布的出氣孔，能夠平穩的浮起浮球。Head holder提供5個維度的刻度值，能夠準確記錄動物的位置。

4.提供控制組件:提供一臺計算機和一個封閉電路。并提供壓力調節閥和流量計來控制壓縮氣體供氣裝置。

5.提供基礎軟件：通過圖形界面來控制硬件組件，能夠編輯T迷宮，十字迷宮，徑向臂迷宮，曠場等，并可根據實驗要求構建自定義的迷宮（大小、地標、顏色和紋理）。用流程圖或狀態圖來顯示實驗進度，并可自定義編程條件反射可操作性和虛擬場景；

6.提供12-bit 8通道的模擬信號通道，提供xy坐標的輸出和聽覺，味覺，觸覺等事件觸發

7.提供2個24通道的TTL數字信號輸出端口，實時同步輸出事件觸發刺激信息。例如：腦刺激產生的時間標記、位置、速度等結果，兼容MATLAB控制operant device的觸發

8. XY-motion sensor的分辨率能夠達到200-5700dpi，30G的*大加速度和達到4.19m/second的追蹤速度，能夠準確提供虛擬空間中的坐標和真實運動坐標。

9.基本球架裝置配備可伸縮操作裝置，一個舔舐傳感器和一個用來輸送液體作為獎勵機制的蠕動泵。也可選配作為懲罰機制的air puff。

10.提供3D聲學系統：*多可配4個環型圓頂高音音響，配有音頻接口和軟件，頻率達到1500-40000Hz，共鳴頻率為500Hz，提供24-bit/96kHzd的8個模擬信號通道。

11.嗅覺刺激：提供多通道氣味調節閥快速響應嗅覺刺激，*多可配8個平行通道，

12.觸覺刺激（胡須刺激）：當動物遇到虛擬屏障時，會有氣體從左側或者右側吹出，刺激動物胡須。

13.提供懲罰機制，通過迎面氣體刺激來實現懲罰

14.提供制動系統，并可以通過軟件控制，給予動物挫折感

15. 提供小于2g的金屬bar（頭部固定裝置）。

動物行為分析軟件：

VisuTrack軟件

SuperMaze軟件

FishTrack斑馬魚分析軟件

動物行為儀器：

自身給藥、條件恐懼、斯金納、震驚反射（PPI）、跑步機、各類經典迷宮等

動物抓撓分析儀、動物震顫行為分析儀、動物捕食行為分析儀

動物主動步態分析、動物被動步態分析、動物自由步態分析（內測中）

睡眠剝奪儀、體溫維持儀、智能熱板儀、轉棒疲勞儀、鼠尾光照測痛儀等

神經電生理：

光遺傳、無線光遺傳

光纖記錄系統（單通道、多通道）

電生理信號采集系統（腦電、肌電等）

 

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