动物行为学(Ethology)研究作为对动物的活动方式、身体姿态监测分析的一种重要手段,是动物脑内生理功能和心理状态的反应。监测实验中动物的行为是研究人员最感兴趣的一个话题,恰当的监测手段不仅能够记录到动物的某些特定行为,还能对产生该行为的内部机制、外界刺激做出解释和说明。目前,动物实验研究中最常用的动物行为监测手段是:基于视频监控记录并结合数字图像处理技术,选取动物身体某个部位的一点或者整个身体为目标,对目标动态跟踪得到活动轨迹;经过分析处理,可以统计位置偏好和速度变化,进一步的分析中,可以利用模式识别等算法自动检测特定的运动模式。视频监控法在大多数条件下能够得到较好的监测和分析结果,但是它也存在许多局限性。首先,利用视频监控记录,由于数据量庞大,不利于数据的整理和保存,导致不能采用较高的采样帧率,对于毫秒级的精细运动无法捕捉;其次,视频监控依赖于摄像机拍摄的每一帧图像,若动物进入封闭区,或者光源不好,得到的图像也无法用于后期分析。光遗传技术(Optogenetics)能够实现高时空精准、细胞特异性的神经环路的激活和抑制。利用光遗传技术作为“开关”,结合行为学监测,能够用于研究特定神经环路与对应的功能的关系,实现从环路到功能两个层面的解析。本文基于目前的研究需求,研发一种微型植入式光调控神经环路及高灵敏动物行为学记录系统,用于动物行为监测和无线光遗传刺激。该系统分为硬件和软件两个部分:硬件方面,一个微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)惯性运动传感器用于记录动物三轴加速度和三轴角速率,利用低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)片上系统(System-on-a-Chip,SoC)芯片进行无线的数据通信,并同时用于控制一个植入式的光纤耦合接头进行光刺激;软件方面,利用C#语言开发一个双向通讯的用户界面软件,能够接收蓝牙数据,并对数据解码、绘制波形,同时可以控制光刺激参数。该系统硬件部分约为14.5×17.5×8mm,重量约为3.1g,可以完全无线的固定在小鼠等动物头部。对于动物本能恐惧行为研究中天敌逼近刺激产生的冻结(Freeze)和逃跑(Flight)行为的检测,以及癫痫发作过程中动物的抽搐等精细的行为姿态解析具有重要应用。