基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置

摘要

本发明公开了一种基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置，包括：小型动物试验处理系统，用于分别独立喂养待测的小型动物；生物节律表型全时自动监测系统，位于小型动物试验处理系统的下方或周侧以自动监测独立喂养的小型动物；环境因子控制监测系统，用于容纳小型动物试验处理系统和生物节律表型全时自动监测系统以及密闭空间内的温湿度调节、温湿度和光强监测；开源光源控制系统位于环境因子控制监测系统的顶部以提供所需光源；同轴数据采集储存系统，用于实时同步接收生物节律表型全时自动监测系统和环境因子控制监测系统监测获得的数据并根据要求实施控制。本发明的装置构建了基于时间生物学的一体化研究系统，高效稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及生物节律研究领域，具体地说是一种基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置。

背景技术

时间生物学主要任务为研究生物体内与时间有关的周期性表型，并探究这些表型（如生理和行为）的内在时间控制机制。生物体内部的时钟系统（如昼夜生物钟、年生物钟等）所产生的节律是这种时间机制的主要驱动力。根据周期长度，可将这种生物节律分为超昼夜节律、次昼夜节律、近潮汐节律和近昼夜节律。在时间生物学研究过程中，鉴于饲养条件及技术手段较易获得等因素，许多小型动物（如果蝇、斑马鱼、文昌鱼、帝王蝶、稻飞虱等）常被选择为研究对象，选择具有节律性的生理行为表型（如自发活动节律、趋光节律、产卵节律、取食节律、昆虫羽化节律、飞行节律等）开展其基于时间生物学的时间控制机制研究。通过对小型动物生物节律表型的监测及内在分子生物学机制的挖掘, 有助于揭示包括生物钟在内的生物节律表型内在机制及其进化生物学意义，将对基于时间生物学的涉及医学（如基于生物钟的治疗策略）、农学（如农业迁飞害虫迁飞为害预警预报）等领域的科学应用发挥重要作用。

目前对于小型动物的生物节律表型研究方法主要涉及基于运动传感器（如基于红外线的计数装置）和录像观测两种方法。以往基于录像观测的研究装置往往局限于体型较大的动物（如帝王蝶、草地贪夜蛾、斑马鱼等）。针对小型昆虫，研究其生理行为节律主要借助于运动节律，如利用红外线计数装置评估其自发运动节律。除目前特异针对果蝇羽化节律研究开发的基于红外计数组件的羽化节律研究装置外，其他小型动物（尤其是昆虫）的生物节律表型如羽化、蜕皮和产卵节律等往往需要试验人员进行人工介入操作或定时观测，缺乏客观有效的自动监测及数据记录系统，整体试验过程工作量巨大且无法排除人为操作误差。因此，亟待研发一套广谱适用于小型动物（如昆虫）生物节律表型研究的兼具试验动物处理、试验动物生物节律表型监测、环境因子控制监测、开源光源控制系统和同轴数据采集储存系统的全时自动监测装置，该装置的研发将进一步提升试验数据的客观性、精确性及可重复性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置；该全时监测装置填补了基于影像的广谱适应于小型动物生物节律表型研究的全自动监测装置的空白，为小型动物（尤其是昆虫）内、外源生物节律表型及其时控机制以及对不同环境因子响应的交叉研究，提供一套科学设计、高效稳定、开源化、高通量、适应研究对象及表型广泛、环境因子精确可控、数据同轴可高效存储传输的基于时间生物学的一体化研究系统。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置，其特征在于：该全时监测装置包括以下系统：

小型动物试验处理系统，用于分别独立喂养待测的小型动物；

生物节律表型全时自动监测系统，位于小型动物试验处理系统的下方或周侧以自动监测独立喂养的小型动物；

环境因子控制监测系统，用于容纳小型动物试验处理系统和生物节律表型全时自动监测系统以及密闭空间内的温湿度调节、温湿度和光强监测；

开源光源控制系统，位于环境因子控制监测系统的顶部并为小型动物试验处理系统提供所需光源；

同轴数据采集储存系统，用于实时同步接收生物节律表型全时自动监测系统和环境因子控制监测系统监测获得的数据。

所述的小型动物试验处理系统包括饲养仓支架盒，饲养仓支架盒上设置的饲养仓卡槽用于一一嵌置固定待测动物饲养仓。

所述的饲养仓支架盒采用角支架支撑固定在环境因子控制监测系统的有机玻璃箱体内；且相邻的待测动物饲养仓之间采用黑色硬卡纸隔开以遮光和避免待测动物间相互干扰。

所述的生物节律表型全时自动监测系统包括红外可变焦摄像头，红外可变焦摄像头能够分布在小型动物试验处理系统中的待测动物饲养仓的周侧或下方，红外可变焦摄像头通过同轴数据采集储存系统中的同轴传输器连接同轴监测和数据存储控制中心以传递检测数据。

所述的红外可变焦摄像头包括鱼眼镜头和图像传感器，鱼眼镜头通过图像传感器将检测采集的数据经同轴传输器传输给同轴监测和数据存储控制中心；所述鱼眼镜头的两侧设有红外灯且鱼眼镜头内设有滤光片；所述鱼眼镜头的上方布置有偏振片。

所述的生物节律表型全时自动监测系统还包括安装在环境因子控制监测系统的有机玻璃箱体内壁上的红外补光灯，红外补光灯的高度不低于小型动物试验处理系统中的待测动物饲养仓的高度。

所述的红外可变焦摄像头设置在升降平台上，升降平台通过升降支臂安装在升降基座上且升降基座上设置的微调旋钮能够通过升降支臂调整升降平台的高度。

所述的环境因子控制监测系统包括用于容纳小型动物试验处理系统和生物节律表型全时自动监测系统的有机玻璃箱体，在有机玻璃箱体的底部中心位置处设有与温湿度传感器联动的自动加湿器、在有机玻璃箱体的侧壁中部设有与温湿度传感器联动的温控系统，且至少一对温湿度传感器设置在容纳小型动物试验处理系统中的待测动物饲养仓的两侧；在有机玻璃箱体的侧壁上还设有能够监测光强大小的光强计；上述的温湿度传感器和光强计分别通过数据线与同轴监测和数据存储控制中心相连接。

所述的开源光源控制系统包括悬挂设置在环境因子控制监测系统中的有机玻璃箱体上方的全光谱光源，全光谱光源与光源设置处理器相连接；在有机玻璃箱体的顶部配置有匀光板，匀光板安装在光线调整插槽内且光线调整插槽内还能够安装滤光片和/或起偏器。

所述的同轴数据采集储存系统包括通过数据线相连接的同轴传输器和同轴监测和数据存储控制中心，同轴传输器用于和生物节律表型全时自动监测系统中的红外可变焦摄像头相连接，同轴监测和数据存储控制中心配置有UPS电源且同轴监测和数据存储控制中心通过数据线和远端的显示屏相连接。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置主要包括五大部分：小型动物试验处理系统、生物节律表型全时自动监测系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、同轴数据采集储存系统，其中小型动物试验处理系统联合以上所述其它独立系统，实现高度整合，全时监测装置具备数据存储与传输高速接口，可极大提高基于时间生物学的小型动物生物节律表型研究效率、增加获取数据的客观准确性，并可适配国际主流生物钟或节律分析软件；生物节律表型全时自动监测系统的录制组件经系统性光学优化显著提升了全黑暗环境下小型动物的捕获和监测精度；环境因子控制监测系统确保了试验过程中环境因子控制的精确性；开源光源控制系统可适配全光谱、固定范围波长光源，具有编程设置光周期及光照运行模式功能；同轴数据采集储存系统确保各独立系统采集数据的时间一致性；该全时监测装置能够运用在基于时间生物学的小型动物（如昆虫）生理、行为节律实时自动监测及其节律控制机制（如生物钟）研究。

本发明的全时监测装置的结构完整、设计合理且操作简单，整套装置体积小、开源性强且可与其它装置（如人工磁场或者人工气候箱）组合使用，也利于携带与运输，在全黑暗环境下对小型动物的捕获和监测精度显著提升；该全时监测装置提供了一套科学设计、高效稳定、开源、高通量、适应研究对象及表型广泛、环境因子精确可控、数据同轴可高效传输存储的基于时间生物学的一体化研究系统。

附图说明

附图1为本发明的基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置的整体纵切面结构示意图；

附图2为本发明的小型动物试验处理系统横切面结构示意图；

附图3为本发明的生物节律表型全时自动监测系统的局部平面结构示意图；

附图4为本发明的红外可变焦摄像头和偏振片组合的剖视结构示意图；

附图5为本发明所采用的实施例中的试验数据分析柱状图。

其中：1—全光谱光源；2—匀光板；3—有机玻璃箱体；4—温湿度传感器；5—饲养仓卡槽；6—待测动物饲养仓；7—红外可变焦摄像头；8—角支架；9—升降支臂；10—光强计；11—微调旋钮；12—同轴传输器；13—饲养仓支架盒；14—红外补光灯；15—升降平台；16—同轴监测和数据存储控制中心；17—显示屏；18—自动加湿器；19—升降基座；20—光源设置处理器；21—黑色硬卡纸；22—红外灯；23—偏振片；24—鱼眼镜头；25—滤光片；26—图像传感器；27—温控系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示：本发明提供的基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置，包括小型动物试验处理系统、生物节律表型全时自动监测系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、同轴数据采集储存系统。其中，小型动物试验处理系统包括待测动物饲养仓6、饲养仓支架盒13，在饲养仓支架盒13上设置固定待测动物饲养仓6的饲养仓卡槽5，待测动物饲养仓6间设有隔开遮光的黑色硬卡纸21；生物节律表型全时自动监测系统包括红外可变焦摄像头7、偏振片23、红外补光灯14、可上下移动的升降平台15；环境因子控制监测系统包括封闭的有机玻璃箱体3、自动加湿器18、温控系统27、温湿度传感器4、光强计10；开源光源控制系统包括全光谱光源1、光源设置处理器20、用于安装匀光板2的光线调整插槽且可选配滤光器和/或起偏器；同轴数据采集储存系统包括同轴传输器12、配置UPS电源的同轴监测和数据存储控制中心16。

如图1-2所示，每个待测动物饲养仓6一般内置一只待测动物，待测动物饲养仓6在饲养仓支架盒13上通过饲养仓卡槽5间隔排列，待测动物饲养仓6的两端开口可装入自然饲料或人工饲料，将待测动物放入，两端可用棉花或者其它材质（如鱼类饲养使用乳胶塞封口并连通加氧和投食系统）封口并固定在饲养仓卡槽5内；饲养仓支架盒13为亚克力材质，高透且坚固，利于从下方、侧面监测以及转换监测视角；待测动物饲养仓6可根据目标对象大小及习性更改尺寸、形状或功能。相邻待测动物饲养仓6的侧壁之间使用黑色硬卡纸21遮住（待测动物饲养仓6的两端已被封闭遮挡），可避免临近的待测动物饲养仓6的仓壁反光及相邻动物间干扰（如群体效应等）。

如图1、3-4所示，红外可变焦摄像头7的中间为可变焦的、内置滤光片25的鱼眼镜头24，鱼眼镜头24的焦距为1.6mm，鱼眼镜头24的底部配置图像传感器26且在鱼眼镜头24的两侧各有一个自带的红外灯22，组合成红外可变焦摄像头7；红外可变焦摄像头7固定并等角度间隔排列在升降平台15上，红外可变焦摄像头7通过同轴监测和数据存储控制中心16实现时间同轴监测。可以依据试验要求，增加或减少红外可变焦摄像头7的数量以调节可监测视野范围的角度与大小；偏振片23固定于红外可变焦摄像头7的上方，可减弱待测动物饲养仓6的光滑仓壁反光增强视野可视度。红外补光灯14固定于有机玻璃箱体3的内壁上且不低于待测动物饲养仓的高度，可显著提升黑暗环境下小型动物的捕获和监测精度；红外补光灯14一般采用单独控制。

如图1所示，自动加湿器18在有机玻璃箱体3的底面中央位置，以确保加湿均匀，湿气在有机玻璃箱体3的空间内循环，并与温湿度传感器4联动以精确控制湿度，温湿度传感器4可将湿度数据实时进行记录并同轴反馈至同轴监测和数据存储控制中心16；温控系统27在有机玻璃箱体3的侧面中央位置，以确保温度控制均匀，对冲气流可在有机玻璃箱体3的空间内循环，并与温湿度传感器4联动以精确控制温度，温湿度传感器4可以将温度数据实时进行记录并同轴反馈至同轴监测和数据存储控制中心16；光强计10在有机玻璃箱体3内，可监测光强大小，从而通过光源设置处理器20设定全光谱光源1的光照强度及适宜悬挂位置，光强计10的数据可实时记录并同轴反馈至同轴监测和数据存储控制中心16。

如图1所示，全光谱光源1在匀光板2及可选配的滤光片和/或起偏器的正上方，全光谱光源1的种类可根据具体试验需要适配（如卤素灯或LED灯），全光谱光源1的光源频率、光周期、光强可通过光源设置处理器20进行调控，光源设置处理器20具有编程设置光周期及光照运行模式功能，可根据试验目的进行光源设定以实现自动化光照处理。可根据试验需要同时或单独配置额外的滤光片或起偏器以获得特定波长或偏振光源。

如图1所示，同轴数据采集储存系统包括通过数据线相连接的同轴传输器12和同轴监测和数据存储控制中心16，同轴传输器12用于和生物节律表型全时自动监测系统中的红外可变焦摄像头7相连接，同轴传输器12将信号在同轴线缆上传输，有效缩短传输时间，可精准控制数据的同轴传输，增加试验的数据同步性与准确性；同轴监测和数据存储控制中心16配置有UPS电源且同轴监测和数据存储控制中心16通过数据线和远端的显示屏17相连接。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明提供的基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置。

如图1所示：基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置，包括小型动物试验处理系统、生物节律表型全时自动监测系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、同轴数据采集储存系统五个部分。

本实施例的小型动物试验处理系统中，对于小型生物的生理行为节律的试验中（本实施例中为一种水稻重大迁飞性害虫稻飞虱的内源性生物钟驱动的羽化节律研究），本实施例所定制的待测动物饲养仓6的规格是两端开口，长度5cm、内径1cm、厚度为2mm的超白玻璃材质；待测动物饲养仓6中放置自然饲料（水稻幼苗）并放置龄期为5龄的飞虱若虫，苗根部一端用棉花包住并浸湿后用封口膜密封防止水分蒸发、另一端用棉花固定阻隔（透气以防水蒸气产生影响视野）；待测动物饲养仓6固定于饲养仓卡槽5并依次标记序号好后顺序排开，两个待测动物饲养仓6的侧壁之间使用黑色硬卡纸21遮住，可避免临近的饲养仓反光及相邻动物间干扰（如群体效应等）。

本实施例的生物节律表型全时自动监测系统中，在待测动物饲养仓6下方放置了可移动的升降平台15，本实施例中在升降平台15上固定了六个间隔排列的红外可变焦摄像头7，可通过微调旋钮11进行升降支臂9的升降调节从而实现升降平台15的高度控制以扩大或缩小视野，最后，通过红外可变焦摄像头7自动对焦可达最佳监测效果；偏振片23（附图3）固定于红外可变焦摄像头7的上方；红外可变焦摄像头7与同轴传输器12连接后传输至同轴监测和数据存储控制中心16，并可通过显示屏17在远端的观察室（以防人为干扰）实时监测虫体羽化情况并储存同轴的影像等原始数据。

本实施例的环境因子控制监测系统中，温控系统27在有机玻璃箱体3的侧面中央位置，对冲气流可在有机玻璃箱体3的空间内循环，以确保温度控制均匀，本实施例中设定温度为26℃；自动加湿器18在有机玻璃箱体底面中央位置，湿气可稳定在有机玻璃箱体3的空间内循环以均匀控制湿度；温湿度传感器4可将数据实时反馈至同轴监测和数据存储控制中心16并同轴储存温湿度等原始数据。

本实施例的开源光源控制系统中，全光谱光源1在匀光板2的上方悬挂，匀光板2及可选配滤光片和/或起偏器的光线调整插槽位于有机玻璃箱体3的顶部，全光谱光源1的频率、光周期、光强可通过光源设置处理器20调控，在本实施例中，全光谱光源1通过光源设置处理器20的设置，对刚蜕皮的五龄若虫进行三日光周期为L:D（14:10）的光照处理，于第三日22:30起设置光周期L:D（0:24）处理，即全黑处理，其它环境条件保持一致。以此探究内源生物钟对此种稻飞虱羽化行为节律的潜在调控作用。由于本实施例中所需光源为全光谱光，因此未配置滤光片和/或起偏器，仅使用了匀光板以防止点光源对待测稻飞虱的潜在线索干扰；红外补光灯14固定于有机玻璃箱体3的内壁上，不低于待测动物饲养仓6的高度，以保证夜间影像记录的超高清晰度。

本实施例的同轴数据采集储存系统中，所用的红外可变焦摄像头7通过同轴监测和数据存储控制中心16联网并使每个红外可变焦摄像头7监测显示时间同步，同时，使用高速同轴电缆将红外可变焦摄像头7与同轴传输器12连接然后再传导至同轴监测和数据存储控制中心16精准控制数据的同轴传输。

实施例的结果：本次试验共设置30组重复，有效重复为27组（排除死亡或水稻植株遮挡），成功率为90%；以每两小时为一个时间区间对所选种类稻飞虱羽化节律进行制图（附图5；N = 27；CT0为22:30-23:29；横坐标的黑色区段表示稻飞虱羽化的主观黑暗时间段、灰色区段表示稻飞虱羽化的主观光照时间段，纵坐标表示稻飞虱羽化量），图5所得的数据内容如表一所示；并利用Shapiro-wilk检验所得数据的正态分布性，分析结果表明该羽化节律符合正态分布（

表一 24小时内的一种稻飞虱羽化时间段-羽化量对照表。

本发明的全时监测装置的结构完整、设计合理且操作简单，整套装置体积小、开源性强且可与其它装置（如人工磁场或者人工气候箱）组合使用，也利于携带与运输，在全黑暗环境下对小型动物的捕获和监测精度显著提升；该全时监测装置提供了一套科学设计、高效稳定、开源、高通量、适应研究对象及表型广泛、环境因子精确可控、数据同轴可高效传输存储的基于时间生物学的一体化研究系统，能够运用在基于时间生物学的小型动物（如昆虫）生理、行为节律实时自动监测及其节律控制机制（如生物钟）研究。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。