本方案介绍了如何构建一个小型且多功能的摄像机，以及如何利用该摄像机获取的视频来训练神经网络，以追踪操作性条件反射箱内动物的位置。这是对操作性条件反射测试中获得的数据日志进行标准分析的有力补充。
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本文内容
摘要
摘要
操作性条件反射箱被广泛应用于神经科学领域的多种行为测试。所记录的数据通常基于箱内杠杆和鼻触传感器的触发情况。虽然这种方法能够详细反映动物执行特定反应的时间和方式，但无法用于评估那些不触发任何传感器的行为。因此，通常难以评估动物在箱内的体位和移动情况。为了获取这些信息，研究人员通常需要录制并分析视频。操作性条件反射箱的制造商通常可为其客户提供高质量的摄像设备。然而，这些设备往往价格昂贵，且不一定适用于其他厂商的条件反射箱或其他行为测试装置。本方案详细介绍了如何利用业余电子元件构建一种低成本且用途广泛的视频摄像系统。此外，还介绍了如何使用图像分析软件包DeepLabCut，对从操作性条件反射箱采集的视频中强光信号的状态以及大鼠的位置进行追踪。前者在从覆盖整个测试过程的视频中选取感兴趣的短片段时具有重要帮助，而后者则使得研究人员能够分析那些无法从操作性条件反射箱生成的数据日志中获得的行为参数。
引言
在行为神经科学领域，研究人员通常使用操作性条件反射箱来评估啮齿类动物多种不同的认知和精神特征。尽管此类系统的制造商有多种，但它们通常具有某些共同属性，并几乎采用标准化的设计1,2,3。这些箱子一般呈方形或矩形，其中一面墙可以打开以便将动物放入，其余的一面或两面墙上则装有杠杆、鼻触孔、奖励托盘、反应轮以及各种类型的灯光等组件1,2,3。箱内配备的灯光和传感器用于控制实验流程并记录动物的行为1,2,3,4,5。典型的操作性条件反射系统能够对动物与箱内各种操作装置和开口之间的交互进行非常详细的分析。通常情况下，系统可记录所有传感器被触发的时刻，用户由此可获得详细日志文件，描述动物在实验特定阶段的行为表现4
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方案
所有涉及动物操作的实验程序均已获得马尔默-隆德动物研究伦理委员会的批准。
1. 构建视频摄像机
注意：构建相机所需的组件列表见材料表。另请参见图1、图2、图3、图4、图5。
- 将鱼眼镜头包装中附带的磁性金属环固定在相机支架的开口周围图2A这将允许鱼眼镜头置于相机前方。
- 将相机模块安装到相机支架上（图2B这将为相机模块提供一定的稳定性，并对电子电路起到一定的保护作用。
- 打开相机模块和微控制器上的相机端口图1）通过轻轻牵拉其塑料夹子的边缘（图2C).
- 将带状电缆插入相机端口，确保银色连接器朝向电路板（图2C)。通过按入相机端口的塑料卡扣来固定电缆。....
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结果
视频相机性能
代表性结果是在操作性条件反射箱中获得的，该箱体尺寸为长28.5 cm、宽25.5 cm、高28.5 cm。当摄像头置于箱体上方并配备鱼眼镜头时，可完整捕捉箱体底部区域及周围墙壁的大部分区域（图7A）。因此，即使摄像头未居中安装于箱体顶部，仍可获得良好的视野。此结论同样适用于类似结构的操作性条件反射箱。红外LED能够充分照亮整个箱体内部（图7B,C），即使关闭箱内所有其他光源，仍可实现清晰成像（图7C）。然而，这种照明条件下的光照分布并非完全均匀，可能对精确追踪造成一定困难。若需进行此类分析，可能需要额外增加红外照明光源。还需注意的是，部分箱体使用金属接尿粪盘收集排泄物。若摄像头直接对准此类金属表面，红外LED的光线会产生强烈反光，出现在录制的视频中（图7B）。但可通.......
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讨论
本方案介绍如何构建一种低成本且灵活的视频摄像机，可用于记录操作性条件反射箱及其他行为测试装置中的视频。此外，本文还演示了如何使用DeepLabCut在这些视频中追踪强光信号，以及如何利用该信号辅助识别覆盖完整测试过程的视频文件中的短暂感兴趣片段。最后，本文描述了如何通过追踪大鼠头部运动来补充分析操作性条件反射测试中的行为。
本方案提供了一种替代市售操作条件反射箱视频记录系统的解决方案。如前所述，市售系统的主要优势在于能够与操作箱集成，从而实现对特定事件的视频记录。相比之下，本方案中描述的识别感兴趣视频片段的方法较为繁琐且耗时，不如使用完全集成的系统来记录特定事件高效。然而，本方案的成本显著更低（最近对6个操作箱的视频监控设备进行的成本估算约为13,000美元，而组装此处列出的6台相机的成本约为720美元）。此外，这些相机还可用于多种其他行为实验装置。在使用相机时，需特别注意暴露的电子元件区域（包括相机组件背面以及红外LED组件），避免其接触液体。此外，若频繁移动相机，连接相机模块与微型计算机的带状电缆，以及连接LED和开关与GPIO引脚的电缆可能会松动。因此，针对某些应用，调整相机.......
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披露
尽管本文引用了树莓派基金会（The Raspberry Pi Foundation）的材料和资源，但该基金会并未积极参与本文中设备的准备或数据的使用。Pi-Supply 同样如此。作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得到了瑞典脑基金会、瑞典帕金森基金会和瑞典政府临床研究基金（M.A.C.）、温纳-格伦基金会（M.A.C.、E.K.H.C.）、Åhlén基金会（M.A.C.）以及Blanceflor Boncompagni Ludovisi（née Bildt）基金会（S.F.）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 预装新出厂软件（NOOBS）的 32 GB micro SD 卡 | The Pi hut (https://thpihut.com) | 32GB | |
| 330 欧姆电阻 | The Pi hut (https://thpihut.com) | 100287 | 本文所用为包含多种阻值电阻的套装，其中包含 330 欧姆电阻。 |
| 摄像头模块（树莓派 NoIR 摄像头 v.2） | The Pi hut (https://thpihut.com) | 100004 | |
| 摄像头排线（树莓派 Zero 摄像头短排线） | The Pi hut (https://thpihut.com) | MMP-1294 | 仅在使用树莓派 Zero 时需要。若使用其他树莓派主板，摄像头组件会附带合适的摄像头排线。 |
| 彩色发光二极管（LED） | The Pi hut (https://thpihut.com) | ADA4203 | 本文所用为包含多种颜色 LED 的套装。可使用任意颜色。 |
| 母对母跳线 | The Pi hut (https://thpihut.com) | ADA266 | |
| 红外 LED 模块（Bright Pi） | Pi Supply (https://uk.pi-supply.com) | PIS-0027 | |
| 微型计算机主板（带预焊接引脚的树莓派 Zero 主板） | The Pi hut (https://thpihut.com) | 102373 | 也可使用其他树莓派主板，但自动启动 Python 脚本的方法仅适用于树莓派 Zero。若使用其他型号，需手动启动 Python 脚本。 |
| 按钮开关 | The Pi hut (https://thpihut.com) | ADA367 | |
| 树莓派电源线 | The Pi hut (https://thpihut.com) | 102032 | |
| 树莓派 Zero 外壳 | The Pi hut (https://thpihut.com) | 102118 | |
| 树莓派、Mod my pi、带磁性鱼眼镜头和磁性金属环附件的摄像头支架 | The Pi hut (https://thpihut.com) | MMP-0310-KIT |
参考文献
- Pritchett, K., Mulder, G. B. Operant conditioning. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43 (4), (2004).
- Clemensson, E. K. H., Novati, A., Clemensson, L. E., Riess, O., Nguyen, H. P. The BACHD rat model of Huntington dise....
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重印与许可
