全 文 ：· 药理实验与临床观察 ·
益智中草药研究中的一种新方法△
中国医学科学院
中国协和 医科大学药用植物研究所 (北京
2 0 0 0 9 4) 刘新 民 帝 陈善广 ` “ 王圣平
孟 慧 “ 宿双宁 ` ’ 宋 洁
尚伟芬 杨峻 山 肖培根
摘 要 利用计算机 自动控制 、 图像分析处理和多媒体视频等多种技术 ,将小鼠在圆形水迷宫的
学习记忆行为表现转换为活动图像并显示其实时运动轨迹路线 , 利用计算机对获得的信息资源进
行综合分析 、优化组合后 ,建立了由运动距离 、 速度 、寻找平台时间 、运动轨迹组成的评价指标 。 正
常动物及慢性 19 酒精实验结果证明上述指标更为规范客观 、 科学准确 , 更符合小鼠在圆形水迷宫
内的学 习记忆行为表现 。 从而为益智中草药研究提供了一种自动化程度高 、 获取信息量大 、符合国
际 标准的圆形水迷宫计算机 自动控制和图像分析处理系统及相应的指标评价体系 。
关涟词 益智中草药 小鼠 圆形水迷宫 计算机自动控制 图像分析处理
寻找益智药物对防治老年性痴呆等学习 的圆形水迷宫测试箱 。
记忆障碍疾病的重要性是不言而喻的 。 相应 1 . 2 工具药 : 无水 乙醇 (北京化工厂 ) 。
的研究方法和手段 引起了国际上 的高度重 1 . 3 实验动物 : 2 士 2 9 昆明种小鼠 , 动物
视 。 随着计算机的出现及在此基础上发展起 合格证号 医动字 01 一 3 0 01 , 雌雄兼用 , 中国医
来的各种高新技术向动物实验研究领域的渗 学科学院实验动物研究所提供 。 实验环境设
透 , 利用计算机自动控制和 图像分析处理技 施合格证号 : 医动字第 01 一 2 0 7 3( 二级 o)
术进行益智药物研究已成为国际药学界的重 2 方法与结果
要研究手段 l[, 2卫。 我们在进行促智中草药的研 2 . 1 硬件研制原理及组成 : 参考国内外有关
究过程中 , 结合药学 、 电子工程学和计算机科 文献比 2 , 5」进行改进 , 利用 0 . 5 Cm 厚的不锈钢
学等多学科的综合优势 , 将计算机自动控制 、 板制成高度 为 30 c m 、 直径为 65 C m 的圆形
图像分析处理 、 红 外感应和多媒体视频等多 水迷宫测试箱 , 底层设置加热装置 , 温度控制
种技术联合引入益智药物研究中 , 建立 了一 器 自动控制水温 ( 25 ℃ ~ 32 ℃可选 ) 。 设计时
套包括跳台巨3 〕 、 避暗川 、 水迷 宫 (方形 和 圆形 以保证高信噪比和使用方便为原则 。 将 M or -
两种 )和穿梭 4 种 比较完善的用于益智药物 r is 水迷宫方法 中的 白色摄像背 景 (水面颜
研究的计算机图像分析处理系统 。 笔者介绍 色 )调整 为黑色 以简化实验操作和保证 目标
圆形水迷宫计算机图像分析处理系统及相应 的准确识别 , 采用多媒体视频卡代替专用 的
的指标评价标准 。 图像卡 , 以保证信号采集的实时性和准确性 。
1 实验材料 2 . 2 软件研制原理及流程图 : 以 P C 一 5 86 作
1
.
2 实验仪 器 : P e n t i u n l ( P C 一 5 8 6 )计算机 为系统软件平台 , 使用 B C ++ 、 汇 编和 d B a s e
( 内存 16 M , 硬盘容量 I G ) 、 T V G A 显示卡 、 语言混合编程 , 设计仿 w ind o w s 风格的开放
摄像机 (韩国 ) 、 多媒体视频卡和打印机 , 自制 式中文集成界面 。 全套软件由 1 个检测处理
扩、丫督银雀彦皇健箭黯 u , e 。 ` M e d`c `n a ` ” `a n , D e ’ e 。` p m e n ` ’ C A M S ’ ” U M C ’ ” e ,` ` n g△国家科委生命中心博士新医药创新项目基金资助课题
。
1 7 4
。
模块 、 3个通用模块 (视频卡驱动 、接 口卡驱 3 . 1正常动物在圆形水迷宫内的学 习记忆
动和打印驱动 )和 2个统计模块 (文件转换与 过程 :开机后从系统界面中选择 “ 水迷宫计算
统计分析 )组成 , 其中检测处理模块由系统说 机图像分析处理系统 ” , 启动系统软件对多媒
明 、 参数设置 、 开始实验 、 数据管理与回放等 体视频卡进行检测和初始化 。 鼠标点压 “ 参数
4 个子功能模块组成 。 设置 ” 功能模块进行实验参数的设置 , 其中测
“ 系统说明 ” 给操作人员提供软件使用帮 试模式选择圆形水迷宫 、 实验时间为 1 20 5 .
助信息 。 小鼠在迷宫内的识别依赖于 “ 参数设 打印机设置为 “ 自动打印 ” 项 。 随后进行几何
置 ” 的完成 , “ 参数设置 ”共有 3 项 , 〔实验参 标定 , 在第一象限 (操作人员依顺时钟方向任
数〕包括动物 、 药品 、 检测模式 ( 圆形或方形 ) 意选定 , 本实验以左上 1 / 4 为第一象限 , 见图
及实验结果存贮路径的指定等 , 以供将来文 1 和图 2) 设置实平台 (动物要寻找的平台 ) ,
件交换 、 统计分析 、 结果调用和贮存等 ; 〔几何 在第三象限的外 1 3/ 处设置实验开始 区域 ,
标定〕是在水迷宫箱体直径两端进行标记 , 以 在第二象限 (或前一次实验时的实平台位置 )
确定小 鼠的活动范围 , 同时将水迷宫 自动划 设虚平台 。 几何标定完毕后 , 迷宫 内放 入 2 0
分为四个象限 , 在指定的象限内标记实 (虚 ) c m 深的水 (水温控制在 28 C 士 1 `C ) , 用黑色
平台位置和实验起始区域 , 〔照度标定〕 〔照 染料使成黑色 。 在实平台标定处放置直径为
度标定〕与〔几何标定 〕构 成了全套系统识别 5 . 5 c m 的硬质平台 , 平台顶端为黑色 , 没于
目标正确与否的关键 。 照度标定完毕 , 自动弹 水面下 1 c m , 使平台不可见 。 在完成照度标
出 “ 文件保存窗 口 ” , 进行文件和数据的存贮 。 定后 , 将正常健康小鼠置于开始区域 , 鼠标拉
完成上述步骤后可进入 “ 开始实验 ” 模块 。 由 出 “ 开始实验 ” 菜单 , 此时摄像机 自动开始搜
于多媒体视频跟踪技术的采用 , 准确捕获了 索目标 , 一旦在开始 区域检测到红色活动质
动物 在迷 宫 内每一 点的活动方 向和运动轨 点 (小鼠 )后 自动计时 , 以动物发现平 台并在
迹 , 利用计算机对获得的信息资源进行综合 平台上停留 5 5 以上的时间作为寻找平台的
分析 、 优化组合后 , 获取一系列更符合动物空 时 间 ( Ti m e ) , 如在平台上的时间少于 5 5 则
间方位觉表现的指标 (见动物实验部分 ) , 这 计算为发现次数 ( Fi n d s ) , 规定时间内未找到
其中的核心部分由 “ 数据管理和 回放 ” 子功能 者以 1 2 0 、 计 。 实验完毕后调用自动存入的
模块控制 。 除指标的分析重组外 , “ 数据管理 数据文件统计分析动物到达平台的 Ti m e 、 、
和 回放 ” 模块还利用存贮的文件完成文件交 游 泳距离 (Di st . ) 、 速度 ( s p e d ) 、 发 现 次数
换 、 统计分析和结果的打印输出 。 ( Fi n d S ) 和在规定时间内找到平台的动物数
3 动物实验 ` (% ) 。 实验结果如下 (表 1 及图 1 ) 。
表 1 正常小鼠在圆形水迷宫中的学习记忆能力 (历士 、 , n 一 1 0)
日期 距离 (c m ) 时间 ( s ) 速度 (c m / s ) 发现次数 %
第一天 1 5 2 8 . 2 2士 8 9 1 . 4 0 8 5 . 6 7士 5 3 . 2 0 2 0 . 2 5士 5 . 5 6 0 . 0 0士 0 . 0 0 8 0
第二天 1 7 2 9 . 4 5士 9 5 7 . 2 7 7 3 . 33 士 3 6 . 4 0 2 3 . 1 7士 2 . 0 5 2 . 5 0士 1 . 3 8 1` 。
第三天 5 1 1 . 5 2士 5 8 3 . 4 9 ` 3 0 . 3 3士 4 2 . 2 1 2 4 . 6 0士 1 1 . 2 4 0 . 1 7士 0 . 4 1 10 。
第四天 4 2 8 . 4 2士 3 1 6 . 6 8 , , 1 9 . 6 7士 1 6 . 5 4 “ ` 2 4 . 1 3士 4 . 8 4 (〕. 3 3士 0 . 5 2 x o ()
第五天 2 7 1 . 9 7士 2 4 7 . 1 1 ” ’ 13 . 1 7士 1 3 . 0 8 “ ’ 2 6 . 1 3士 8 . 8 8 0 . 1 7士 0 . 4 1 10 0
和第一 天相 比 , ` P < 0 . 0 5 ` “ P < 0 . 0 1 “ ’ P < 0 . 0 0 1
从上表中可以看 出 , 由于第一天训练 时 但随着训 练时间的增加 , Di st . 及 T im e 逐步
80 %的动物在规定时间内 ( 1 2 0 5 )即找到 了隐 减少 , 至第三天 已表 现 出统计学上 的差 异 ,
于水面下的平台 , 故此处 %对判 断动物在 圆 S p e e d 也有渐进性增加的趋势 , Di s t . 及 Ti m 。
形水迷宫中的学 习记忆能力来说价值不大 。 对小鼠在圆形迷宫中的空间定向学习记忆能
《中草药》 1 9 9 8 年第 29 卷第 3 期 1 7 5
力的评价具有重要意 义 , 尤为明显的是动物
的运动轨迹分布图的密度随着训练次数的增
加而逐步降低 (图 1 ) 。
3
.
2 酒精连续给药对小鼠学习记忆的影响 :
小鼠随机分为正常组 (蒸馏水 ) 、 20 % 、 30 % 、
4 0 %乙醇组 , 10 m L k/ 9 19 , 连续 7 d 后进行测
试 , 如前设置参数 、 几何标定和照度标定 , 统
计各组动物到达平台的 T im e 、 D i s t . 、 s p e e d 、
娜一天 第二夭 第三天 第四天 第五 天馨霉 侈 ① 毋
图 1 正常小鼠在圆形水迷宫
中运动轨迹分布图
@
一实平台 O 一虚平台 口 一起始区域
F i n d S 及% , 结果见表 2 及 图 2 。
表中数据表呻 O%秘 。%酒精连续 19 7 d
表 2 酒精连续给药对小鼠学习记忆的影响 (王士 、 , n 一 1 0)
日期 距离 ( e m ) 速度 ( e m / s )一第一天
第二天
第三天
第四天
第五天
组别
N S
2 0 %
30 %
N S
2 0 %
3 0 %
N S
2 0 %
3 0%
N S
2 0 %
3 0 %
N S
2 0 %
3 0 %
1 3 0 6
.
0 8士 1 0 9 1 . 9 1
1 2 0 5
.
0 9士 8 0 9 . 7 2
1 4 5 8
.
4 7士 6 8 9 . 5 0
7 6 8
.
3 3士 8 0 8 . 2 5
9 8 2
.
3 6士 7 6 5 . 0 7
1 0 3 0
.
2 5士 5 3 5 . 18 .
5 7 4
.
6 0土 5 9 2 , 0 2
1 0 2 5
.
7 5士 8 8 6 . 8 6 肠 件
1 1 6 6
.
1 9士 7 5 0 . 8 0
4 0 2
.
8 3士 1 1 8 8 . 1 5
1 0 9 8
.
9 8士 8 0 1 . 7 7 t 普
1 2 0 7
.
5 8士 7 3 0 . 3 3 餐 居
4 9 3
.
1 4士 5 2 0 . 7 4
1 3 9 6
.
4 5士 6 6 6 . 0 1 务 件
1 0 1 8
.
2 3士 5 8 1 . 8 7 苦
时间 ( s )
8 7
.
7 0士 4 2 . 7 1
1 0 6
.
2 0士 3 3 . 3 0
1 0 2
.
3 0士 3 4 . 7 4
4 6
.
0 0士 4 6 . 、 8 9
8 8
.
4 0士 4 7 . 7 7
9 1
.
8 0士 4 1 . 1 0 苍
2 7
.
7 0土 2 5 . 6 0
8 8
.
3 0士 5 0 . 3 9 肠 怪
9 7
.
8 9士 3 6 . 11 . 否 肠
3 2
.
10 士 5 4 . 4 4
8 3
.
5 0 士 4 9 5 2
9 9
.
3 0 士 4 0 . 9 3
3 8
.
5 0 士 3 9 . 6 5
9 6
.
0 0 士 37 . 1 9 居 妥
99
.
30 士 34 . 9 2 甘 .
2 0
.
9 7士 5 .
1 2
.
3 8土 7 .
发现次数
.
1 0士 1 . 7 3
.
1 0士 3 . 1 4
1 4
.
6 9士 4 . 6 9
1 9
.
2 2士 5 8 7
1 1
.
9 4士 5 . 3 3 资 朴
7
.
9 6士 5 . 7 5 餐 苍 僻
2 0
.
2 9士 6 . 8 2
1 4
.
6 9士 6 . 5 5
1 2
.
5 8土 6 . 1 1 份
1 8
.
8 0士 8 . 4 2
1 5
.
3 0士 6 . 9 9
1 0
.
5 1士 5 . 2 7 祷
1 8
.
4 0士 1 1 . 3 2
1 4
.
4 0士 4 . 4 7
1 0
.
8 7 士 5 . 7 3
0
.
0 0士 0 . 0 0
6 :
_
9 0士 1 . 9 1
0
.
5 0士 1 . 2 7
0
.
3 0士 0 . 9 5
0
.
4 0士 0 . 8 4
0
.
1 0士 0 3 2
0
.
0 0士 0 . 0 0
0
.
2 0士 0 . 4 2
0
.
2 0 士 0 . 6 3
0
.
0 0士 0 . 0 0
0
.
0 0士 0 . 0 0
0
.
8 0士 1 . 8 7
0
.
0 0士 0 . 0 0
环
8 0
6 0
6 0
::
70
70
):
7 0
7 0
与正常组比较 , ` P < 0 . 0 5 “ ` P < 0 . 0 1 ’ 甘 朴 P < 0 · 0 0 1
第一夭 第二夭 第三天 第四 夭 第五天
~ ⑦罄。 娜心
掷袋食⑦馨⑦
`曝馨谚穆娜
图 2 酒精对小鼠学习记忆能力的影响
— 圆形水迷宫运动轨迹分布图
@
一实平台 O 一虚平台 口一起始区域
后能明显引起小鼠在圆形水迷宫中的空间方
位觉的判 断能力障碍 , 表现为 寻找平台的时
间延长 、 游程增加及游泳速度减慢 , 运动轨迹
分布图一直呈致密状 (与对照组比较 ) 。 由于
各组动物 70 % 以上均能在规定时间 ( 1 20 5 )
·
1 7 6
·
内找到平台 , 故到达平台的动物数无统计学
上的意义 。 40 %的酒精连续 19 7 d 引起步态
不稳等醉酒状态 , 而不适宜于动物 空间方位
觉能力的判断 (实验数据略 ) 。
4 讨论与结论
由于圆形迷宫中测试箱体为 圆形 , 平台
又不可见 , 小鼠在迷宫内寻找平台时无任何
提示 , 它只能通过多次偶然的碰撞和反复探
索 , 利用水迷宫周 围的物体进行空间定位来
寻找掩藏于黑色水面下的平台 。 因此 , 圆形迷
宫相对于其它各种迷宫而言 , 是一种很敏感
的检测动物的空间定位能力的手段川 , 已为
国际药学界采用进行学 习记忆研究 、 寻找益
智药物的一种重要方法 e[, 7〕。 我们利用国际上
新兴 的计算机 自动控制 、 图像分析处理 、 多媒
体视频等多种新技术 , 对动物在 圆形水迷宫
的行为表现进行视频跟踪 , 将寻找平台的过
程以实验活动图像嵌入计算机系统界面并显
示 出运动轨迹图 , 对获得的信息资源采用计
算机综合分析后 , 除提取 出现有仪器比 5 1所获
的%和 T im e S 等指标外 , 还由运动距离 、 速度
以及运动轨迹分布密度图组成的一系列指标
评价体系更准确客观 、 科学地反映出动物在
圆形迷宫 内的学习记忆过程 ; 由于软件程序
可允许实验者在圆形迷宫平面 内任意区域开
始进行实验 , 这就使得该系统的起步 区有多
个点可供选择 , 更进一步优化 了圆形水迷 宫
测试动物 空间学 习记忆能力 的敏感程度 ; 游
泳距离和游泳速度的量化测定对动物运动能
力的评价首次提供了具体可供评价的定量指
标 , 这两项指标在抗衰老及抗疲劳药物研究
中将具很高的应用价值 ; 加上对摄像背景 (水
面颜色 )和采集方式进行了改进 , 实验操作得
以简化 ;数据采集 、 处理和统计分析一体化 ,
提高了实验的自动化程度 。 从而为益智中草
药研究提供了一种规范客观 、 获取信息量大 、
符合国际标准的计算机自动控制和图像分析
处理系统及相应的指标评价体系 。
参 考 文 献
1 M o r
r
is R
.
J N
e u r o s e i e n e e M e t ]
: o d
s ,
1 9 84
,
1 1
: 4 7
2 V ie t o r H D
, e t a l
.
P h y
s
io B e h a v
.
1 9 9 1
.
5 0 ( 4 )
:
8 5 73
3 刘新民 ,等 . 中国实验动物学报 , 19 94 , 1 : 43
4 刘新民 , 等 . 中国 医学科学院学报 , 1 9 9 5 , 6 : 4 27
5 张均田 , 等 . 药物分析杂志 , 1 9 9 1 , 1 1 ( l ) : 2 3
6 B r a n d e 一s R
,
e t a l
.
I n t J N e
l l r o s e i
,
1 9 8 9
,
2 3
:
] 4 5
7 M o r r i
s
R G M
, e z a l
,
N a t u z e
,
1 9 8 6
,
3 1 9
: 7 4 4
( 1 9 9 7
一
0 5
一
1 6 收稿
1 9 9 7
一
1 1一 2 6 修 回 )
T h e E s t a b l i s hm e n t o f C o m P u t e r
一
b a s e d A u t o
一
C o n t r o l l i n g a n d Im a g e
一A n a l y s i n g
P r o e e s s i n g S y s t e m o f C i r e l e W
a t e r 一M a z e f o r S t u d y i n g N o o t r o P i e D r u g s f r o m
T r a d i t o n a l C h i n e s e M
e d i e i n a l H e r b s
L iu X in
一
m in C h e n S h a n
一
g u a n g
` 长
W
a n g S h e n g
一
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I ) e v e l
o pm e n t
,
C A M S
,
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,
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n g
,
1 0 0 0 9 4 “ I n s t i t u t e o f S p a e e M e d ie o 一E n g i n e e r i n g )
A b s t r a e t B y m a k in g u s e o f t h e d o m in a n t p ( ) s i t io n i n p h a r m a e y
, e
l
e e t r o z, ie e n g in e e r in g a n d
e o n 、 p u t e r s e i-
e n e e s , a n d b y e o n v e r t i n g l
e a r n in g a n d m e m o r y b e h a v io r o f m ie e in e ir e le W
a t e r 一M
a z e i n t o lo e u s p a t t e r n s o f r e
-
a
1 t inr e w i t h t h e t e e h n iq u e s o f p h o t o g r a p h y
,
m u lt im e d ia a n d e o m p u t e r
一
b a s e d a u t o
一 e o n t r o ll in g
, a e o m p u t e r
-
a id
e
d
a u t o 一 e o n t r o ll i
n g a n d im a g e
一 a n a l y s in g p r o e e s s in g s y s t e m f o r s t u d y in g a n im a l s p a t ia l d is e r im in a t io n in e ir
-
e
l
e
W
a t e r 一M
a z e h a v e b
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.
E x p e r im e n t a l r e s u lt s w it h n o r m a l m ie e a n d d e m e n t ia a n im a l s in d u e e d b y 2 0
-
3 0 %
a
l
e o
h
o l s h o w e d t h a t t h e s y s t e m e a n p r o v id e m o r e in fo r m a t io n in e lu d in g t im e t o f in d t h e p la t fo r m o f e ir e le
M
a z e , t h
e s e o r e s o
f th
e ir p e r f
o r m a n e e
, t h e ir s p e e d o f s w im m i n g i n t h e M
a z e a n d t h e n u m b e r o f m ie e t o r e a e h
t h e d e s t in a t l o n
, a n
d t h e s e a t t e r in g a t la s o f m o u s e lo e u s m o v in g in t l飞e e i r e l e W a t e r
一
M
a z e o f m o u s e
.
T h
e s y s t e m
h
a v e
b
e e n p r o v e d t
o
b
e m o r e s y s t e 扭a t ie , s e ie n t if ie a n d r e a s o n a b le f o r t h e iu d g m e n t o f s p a t ia l d i s e r in l i n a t io n o f
t h
e t e s t e d
a n im a l in e ir e le W
a t e r 一M
a z e , a n
d
e a n b e r e g a r d e d a s a n a d v a n e e d t o o l fo r p h a r m a e o lo g ie a l s t u d y o f
n o o t r o p i
e
C h in
e s e
M
e d ie in a l h e r b s w it h h ig h d e g r e e o f a u t o m a t io n
·
K e y w o r d s N o o t r o 一〕i e T r a d i t io n a l C h in e s e M e d ie in a l h e r b s M ie e C i r e l e W a t e r 一M a z e C o n i p u t e r 一 a id e d
a u t o 一 e o xi t r o l l i n g t e c h n o lo g y Im a g e a n a l y s i n g a n d p r o e e s s in g t e e h n o lo g y M
u l t im e d ia t e e h n o l o g y
《中草药 》 1 9 9 8 年第 29 卷第 3 期 。 1 7 7 。