一种用于研究啮齿类动物对抗性追捕行为的实时交互系统

捕食追击行为涉及多种生理过程，但目前缺乏合适的研究方法。本研究旨在提出一种标准化方法，以探索由感觉刺激引发的动物行为的神经机制，特别是在捕食者-猎物追击过程中的机制。光遗传学、电生理学和脑成像等技术常用于推动该领域的科学研究。光遗传学能够精确控制神经活动，而电生理学可用于记录神经元信号。主要挑战在于活体猎物（如蟋蟀）的不可控性，这使得在标准化实验中难以观察和定义追击行为。捕食行为可分为四个阶段：搜寻、追击、攻击和摄食。近年来，后两个阶段已被广泛研究，而搜寻和追击行为的研究则较少。本实验方案提供了灵活且可控的人工猎物，可用于重复实验和建模，最大程度地模拟自然捕猎过程，并实现实时交互与低延迟响应，同时提供可扩展、成本低且易于使用的硬件与软件系统。

[旁白] 首先，在平台上方的横杆上安装一个网络摄像头，用于实时监测下方实验区域内小鼠和机器人诱饵的位置，并将图像传输至计算机。设计一个直径为800毫米、高300毫米的大型圆形实验区域，底部为方形丙烯酸板，周围由丙烯酸管构成边界。在实验区域的内壁上均匀放置四个图标：正方形、三角形、圆形和十字形，作为视觉线索。在磁铁表面贴上蓝色贴纸，以便于识别和定位。使用带有食物颗粒的圆形钕磁铁作为机器人诱饵。然后，在实验区域下方安装一个有效行程为1,000毫米的二维滑轨。在滑轨的载具上安装另一块钕磁铁，作为牵引磁铁，通过磁力远程移动机器人诱饵。使用由STM32控制板和开关电路控制的伺服电机驱动极性磁铁。编写速度控制模式的程序框图。将伺服电机设置为速度方向模式，其中高电平或低电平信号表示正向或反向运动，PWM波输出的频率表示速度。为将机器人诱饵移至实验区域中心，运行复位程序。使用挡板将小鼠隔离在实验区域边缘。随后，设置实验名称及文件存储路径。然后，在主程序中将机器人诱饵的移动速度设为5厘米每秒。点击“运行”，并在弹出的视频窗口中确认小鼠和机器人诱饵均被稳定识别。移除挡板并启动计时器，观察小鼠的捕食行为持续20分钟。将小鼠放回笼中，并给予24小时恢复期，期间自由获取食物和水。每次适应性试验后，使用75%酒精和水彻底清洁实验区域。通过运行前述复位程序将机器人诱饵移至实验区域中心，并用挡板将小鼠隔离在实验区域边缘。在设置好实验名称、文件路径以及机器人诱饵的移动速度后，点击软件中的“运行”按钮，并观察视频窗口，确保小鼠和机器人诱饵均被稳定检测。移除挡板并启动计时器。若小鼠在60秒内成功捕获机器人诱饵，则关闭主程序，允许小鼠吃完所有食物颗粒后再放回笼中。若小鼠在60秒内未能捕获机器人诱饵，则将其放回笼中，不给予任何奖励或惩罚。捕食任务在不同速度难度下进行，结果显示，随着适应性试验的进行，首次捕获机器人诱饵的时间显著减少，表明小鼠学习速度较快。在15厘米每秒的速度下，小鼠的捕获成功率高于30厘米每秒，表明任务难度具有速度依赖性。然而，无论诱饵速度如何，经过多次试验后，捕食时间均稳定在15秒以下。小鼠的运动模式中还观察到明显的搜索和追击阶段。在不同诱饵速度下均可靠地诱导出追击行为，表现为追击期间距离缩短、速度增加。捕食任务还采用了不同的逃脱策略。然而，β逃脱策略并未影响捕食成功率。在两种逃脱策略下，捕食时间均减少并稳定在15秒以下。小鼠在两种逃脱策略下均表现出一致的追击行为。