昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置的制作方法

1.本实用新型涉及磁生物学和时间生物学交叉研究领域，具体地说是一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置。


背景技术：

2.地磁场对生物生存活动有不可忽视的影响。在与地球环境长期协同演化过程中，许多动物已进化出感受和利用地磁场的能力，虽然对于动物（包括昆虫）感受磁场的机制探究已逾百年，但至今有关其如何获取并利用地磁场中的矢量信息这一问题仍悬而未解。伴随交叉学科的飞速发展，研究人员利用人工磁场发现了动物基于生理、代谢和行为的一系列磁生物学响应表型，表明许多动物都具有高度保守的磁感受能力，因此通过开展生物-磁场互作研究来揭示动物的磁感受机制显得格外重要。目前，室内开展昆虫磁生物学研究主要利用亥姆霍兹线圈人工控制地磁场矢量信息变化，处理空间有限，但昆虫以其体型小、世代周期短、易于人工饲养、可高效用于分子生物学研究等优势被认为是研究动物磁感受机制的绝佳模型，因此开发可用于磁场处理的昆虫行为学研究装置对于促进动物磁感受机制的揭示有重要作用。
3.生物钟是生物体内一种无形的“时钟”，目前已有研究报道了不同时间尺度（如近昼夜、季节、年等）的周期性生物钟，表明生物钟支配的生物生理和行为节律在生物生命活动中发挥重要作用。由于昆虫的世代周期短且易于在室内进行控制处理，以昆虫为研究对象开展其基于时间生物学的时间控制机制研究体现了巨大优势。选择昆虫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、羽化节律、飞行节律等），对开展其内在生物钟调控机制研究具有重要促进作用，同时有助于揭示与不同表型相关的生物钟调控多样性机制及其进化生物学意义，并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、高效施药灭虫最优时间策略的建立）等领域的科学应用发挥重要前瞻指导作用。
4.从无脊椎动物到人类，睡眠行为对于动物至关重要，如维持生理和神经稳态、认知和免疫功能，细胞代谢和大脑与其控制的周围器官之间的交流，学习和记忆等，而睡眠调节的神经和分子基础以及睡眠如何受到动物内外环境的影响机制仍不明确。在模式昆虫黑腹果蝇（drosophila melanogaster)中，研究人员已鉴定出调节睡眠的基因和神经回路，这项研究同时揭示了从果蝇到哺乳动物睡眠调节机制的潜在保守性。此外，已有研究揭示了睡眠和许多不同生命过程整合的潜在机制，包括昼夜节律计时、新陈代谢和衰老等，这些发现表明睡眠是由多种生理和行为状态组成。目前我们对睡眠机制的解析还存在诸多空白，如迁飞昆虫迁飞过程睡眠调控如何与迁飞调控进行互作等。以昆虫为模式生物开展睡眠行为研究，有望促进对睡眠的基本生物学意义及睡眠在人类健康和疾病中的作用等重大科学问题的揭示。当前运用较为广泛的睡眠行为研究装置主要参照果蝇的自发活动监测装置和机械振动剥夺睡眠装置组合而成，昆虫中的研究对象亦主要以果蝇为主，该装置对体型较大的昆虫如鳞翅目昆虫适应性较差。
5.运动性活动节律（motor activity rhythm，如飞行活动节律）与睡眠行为均受到生物钟的调控，可作为研究时间生物学的重要表型。基于以上背景，目前以昆虫为研究对象，开展时间生物学与磁生物学交叉研究，对于动物时间生物学机制的拓展、磁感受机制的揭示乃至天体生物学中的磁生物学效应部分的探索具有重要前瞻意义。因此，亟待研发一套适用于磁场处理的昆虫运动活动及睡眠行为的实验装置。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置，该装置填补了基于磁场处理后昆虫运动性活动节律及睡眠行为研究装置的空白，为开展以昆虫（如草地贪夜蛾、北美帝王蝶、稻飞虱、赤眼蜂、黏虫、蝗虫等）为研究对象的生物钟与磁感受（磁响应）机制互作研究提供一套科学设计、高效稳定、开源化、环境因子精确可控、获取数据精准可靠的一体化研究系统。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案解决的：
8.一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置，其特征在于：该装置包括：
9.人工磁场处理系统，用于为整个装置提供磁场处理；
10.环境因子控制监测系统，用于提供局部透光空间并能够实时监测该空间环境因子、且位于人工磁场处理系统内；
11.试虫飞行运动性活动节律测定系统，用于定位试虫并测定试虫飞行运动性活动节律、且位于环境因子控制监测系统内；
12.试虫睡眠行为研究系统，用于监测试虫飞行运动性活动节律测定系统定位的试虫的睡眠行为、且位于环境因子控制监测系统内；
13.开源光源控制系统，用于从外部为环境因子控制监测系统提供所需光源；
14.控制与数据储存系统，用于对人工磁场处理系统、环境因子控制监测系统、试虫飞行运动性活动节律测定系统、试虫睡眠行为研究系统、开源光源控制系统进行控制和采集分析数据。
15.所述的人工磁场处理系统包括三维亥姆霍兹线圈、以及用于调节三维亥姆霍兹线圈内部电流大小和方向的大功率可编程直流/交流电源；且所述的大功率可编程直流/交流电源能够与环境因子控制监测系统中的磁通门计通讯以实时获得环境因子控制监测系统中的磁场强度并根据要求进行调节。
16.所述的环境因子控制监测系统包括位于人工磁场处理系统中的不透光白色亚克力箱体，在不透光白色亚克力箱体的内壁上设置有温湿度及光强传感器、磁通门计，温湿度及光强传感器用于测量不透光白色亚克力箱体内的温湿度和光强并反馈给控制与数据储存系统，磁通门计用于测量不透光白色亚克力箱体内的磁场强度并反馈给控制与数据储存系统。
17.所述的温湿度及光强传感器沿试虫周侧的不透光白色亚克力箱体内壁设置；所述的磁通门计位于温湿度及光强传感器的上方。
18.所述的试虫飞行运动性活动节律测定系统包括同控制与数据储存系统相连接的光学编码器，在光学编码器底部设有转轴且转轴的下端安装一消磁合金横杆，消磁合金横
杆的一端用于固定带有试虫的可拆卸钨棒吊臂、另一端用于固定与试虫和可拆卸钨棒吊臂等重的配重铜球；所述的光学编码器设置在环境因子控制监测系统中的不透光白色亚克力箱体的顶部。
19.所述的试虫睡眠行为研究系统包括鱼眼摄像头、用于剥夺待测试虫睡眠的乳胶气球和静音风扇；所述的静音风扇位于环境因子控制监测系统中的不透光白色亚克力箱体的底部且能够向上吹动乳胶气球以剥夺待测试虫的睡眠；所述的鱼眼摄像头位于环境因子控制监测系统中的不透光白色亚克力箱体的顶部且通过数据线与人工磁场处理系统外的录像存储器相连接，录像存储器通过线路与控制与数据储存系统相连接。
20.所述的开源光源控制系统包括光源和光源设置处理器、或者光源和光源设置处理器及配置的匀光机构，其中匀光机构位于环境因子控制监测系统中的不透光白色亚克力箱体的顶部透光处；为环境因子控制监测系统提供所需光照的光源位于匀光机构的正上方，且光源通过线路与光源设置处理器相连接，光源设置处理器通过线路同控制与数据储存系统相连接；所述的光源为全光谱或可选光谱光源，所述的匀光机构为匀光板、或者匀光板和滤光器的组合。
21.所述的控制与数据储存系统包括进行数据处理分析和编程控制整个装置自动化运转的微控制器、以及数据存储控制中心，与数据存储控制中心相连接的微控制器分别通过线路与开源光源控制系统中的光源设置处理器相连接、与试虫飞行运动性活动节律测定系统中的光学编码器相连接、且能够接收环境因子控制监测系统中的温湿度及光强传感器、磁通门计的实时数据；数据存储控制中心通过线路与试虫睡眠行为研究系统中的录像存储器相连接。
22.所述的控制与数据储存系统通过线路与可移动工作站相连接，以实现操作和数据可视化。
23.所述的人工磁场处理系统和环境因子控制监测系统安放在底座上且底座的底部设有底座支架。
24.本实用新型相比现有技术有如下优点：
25.本实用新型的人工磁场处理系统可通过大功率可编程直流/交流电源设定磁场强度范围更宽及频率可调的人工磁场；试虫飞行运动性活动节律测定系统采用了可拆卸钨棒吊臂，可实现试虫一次性固定后每日拆卸饲喂并进行长期测定，在此基础上高度整合了试虫睡眠行为研究系统，除可进行飞行节律、飞行能力研究外，更可开展睡眠剥夺等处理后的睡眠行为（如睡眠强度和睡眠节律）研究；控制与数据储存系统采用了光学编码器与微控制器进行通讯，利用微控制器编程实现装置的高度自动化反馈运行，可极大提高获取数据的客观准确性和可视化效果；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和科研支撑数据的完整性；开源光源控制系统可适配全光谱、固定范围波长光源，并具有编程设置光周期及光照运行模式（如模拟日照强度渐变、阶梯式光照强度、固定光照强度、脉冲光照等）功能；该装置结构完整、设计科学且操作简单，是一套高效稳定、适应研究对象范围广、环境因子精确可控、获取数据精准客观、操作及数据高度可视化的可开展昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置。
26.本实用新型的装置兼具人工磁场处理系统、试虫飞行运动性活动节律测定系统、试虫睡眠行为研究系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统和控制与数据储存系
统，具有参数控制精准、高整合度和研究对象高可适配性等优点，该装置的研发将进一步推进磁生物学和时间生物学的交叉研究进展。
附图说明
27.附图1为本实用新型的昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置的结构示意图；
28.附图2为本实用新型的试虫飞行运动性活动节律测定系统的结构示意图；
29.附图3为本实用新型的人工磁场处理系统的结构示意图。
30.其中：1—光源；2—三维亥姆霍兹线圈；3—匀光机构；4—磁通门计；5—温湿度及光强传感器；6—配重铜球；7—乳胶气球；8—底座；9—底座支架；10—静音风扇；11—光源设置处理器；12—光学编码器；13—转轴；14—鱼眼摄像头；15—消磁合金横杆；16—可拆卸钨棒吊臂；17—不透光白色亚克力箱体；18—录像存储器；19—微控制器；20—数据存储控制中心；21—可移动工作站；22—大功率可编程直流/交流电源。
具体实施方式
31.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。
32.如图1-3所示：一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置，包括人工磁场处理系统、试虫飞行运动性活动节律测定系统、试虫睡眠行为研究系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、控制与数据储存系统，人工磁场处理系统和环境因子控制监测系统安装在具备底座支架9的底座8上，各系统部件包括光源1、三维亥姆霍兹线圈2、匀光机构3、磁通门计4、温湿度及光强传感器5、配重铜球6、乳胶气球7、静音风扇10、光源设置处理器11、光学编码器12、转轴13、鱼眼摄像头14、消磁合金横杆15、可拆卸钨棒吊臂16、不透光白色亚克力箱体17、录像存储器18、微控制器19、数据存储控制中心20、大功率可编程直流/交流电源22。具体为：人工磁场处理系统包括三维亥姆霍兹线圈2、大功率可编程直流/交流电源22，环境因子控制监测系统包括磁通门计4、温湿度及光强传感器5、不透光白色亚克力箱体17，试虫飞行运动性活动节律测定系统包括光学编码器12、配重铜球6、转轴13、消磁合金横杆15、可拆卸钨棒吊臂16，试虫睡眠行为研究系统包括乳胶气球7、静音风扇10、鱼眼摄像头14、录像存储器18，开源光源控制系统包括光源1、匀光机构3、光源设置处理器11，控制与数据储存系统微控制器19和数据存储控制中心20，且数据存储控制中心20能够与可移动工作站21相连接。
33.如图2所示，光学编码器12和转轴13嵌合并固定在不透光白色亚克力箱体17的顶部，光学编码器12连接转轴13通过配套软件获取试虫的飞行角度、速度、方向、时间等信息；转轴13的下方连接着消磁合金横杆15，消磁合金横杆15的两端分别为配重铜球6和可拆卸钨棒吊臂16，可拆卸钨棒吊臂16末端通过热熔胶粘住待测昆虫，配重铜球6的大小选配与可拆卸钨棒吊臂16和待测昆虫的总体重保持一致，待消磁合金横杆15保持水平平衡后可开始获取数据。
34.如图3所示，三维亥姆霍兹线圈2内部放置不透光白色亚克力箱体17，试虫固定位置区域位于三维亥姆霍兹线圈2中心均匀磁场有效区内，三维亥姆霍兹线圈2连接大功率可编程直流/交流电源22，通电后通过对电流大小、方向、频率等进行调节以产生所需强度、方
向、频率的人工磁场。
35.如图1所示，鱼眼摄像头14位于不透光白色亚克力箱体17顶部，实时监测待测昆虫的睡眠状态，鱼眼摄像头14连接至录像存储器18，录像存储器18又通过数据存储控制中心20与可移动工作站21连接以实时接收监测图像；静音风扇10位于不透光白色亚克力箱体17底部并搭配定时开关，乳胶气球7在静音风扇10上方，定时开关设定2-4分钟时间间隔随机开启与关闭，当静音风扇10通电运行时乳胶气球7会被吹向上方，待测昆虫的睡眠会被干扰剥夺，以开展睡眠剥夺后续的睡眠行为研究（如睡眠强度、睡眠节律等）。
36.如图1所示，温湿度及光强传感器5在不透光白色亚克力箱体17的侧壁位置可将温湿度及光强数据实时进行记录并反馈至数据与存储控制中心20，并可实时监测光强大小，从而与光源设置处理器11通讯并根据设定自动调节全光谱或可选光谱的光源1的光照强度及适宜高度。
37.如图1所示，全光谱或可选光谱光源1在匀光机构3的正上方，特定光谱光源可通过光源1和匀光机构3（匀光板、或匀光板和可选滤光器的组合）的滤光器功能组合或可选光谱光源1中的可选光谱光源实现（如高能led灯等），全光谱或可选光谱光源1的光源频率、光周期、光强可通过光源设置处理器11进行调控，光源设置处理器11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程式处理。
38.如图1所示，控制与数据储存系统中微控制器19和数据存储控制中心20相连接，微控制器19除与磁通门计4、温湿度及光强传感器5、光源设置处理器11及光学编码器12直接连接通讯外，微控制器19还通过独立程序将光学编码器12形成的光学信号进行数据转换，并将结果传输至数据存储控制中心20，同步通讯确保了试验数据的一致性与准确性；数据存储控制中心20通过数据线和远端的可移动工作站21相连实现数据和操作的可视化。
39.下面通过具体实施例一和具体实施例二来进一步说明本实用新型提供的昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置。
40.实施例一设置磁场处理的鳞翅目昆虫飞行节律表型研究。
41.如图1-3所示：一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置，包括人工磁场处理系统、试虫飞行运动性活动节律测定系统、试虫睡眠行为研究系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、控制与数据储存系统。
42.本实施例的试虫飞行运动性活动节律测定系统中，转轴13套在光学编码器12上，消磁合金横杆15的长度16cm(旋转半径8cm)，可拆卸钨棒吊臂16采用的是直径0.5mm、长度为5cm，所自制的配重铜球6的质量等于可拆卸钨棒吊臂16和待测昆虫的总重量；待测鳞翅目昆虫为室内种群，取一只刚刚羽化的鳞翅目昆虫放在塑胶杯里用10%蜂蜜水饲养，待第二天光期阶段开始试验，将待测昆虫用紫外速干胶将中胸背板绒毛去除，用热熔胶将其粘在可拆卸钨棒吊臂16末端使待测昆虫头胸轴线与消磁合金横杆15垂直，将匀光机构3置于不透光白色亚克力箱体17的顶部透光口上。
43.本实施例的环境因子控制监测系统根据室温监测微环境内恒温约为26℃、相对湿度约为70%；不透光白色亚克力箱体17内的温湿度及光强传感器5可将数据实时反馈至微控制器19和数据存储控制中心20。
44.本实施例的人工磁场处理系统中，通过大功率可编程直流/交流电源22连接三维亥姆霍兹线圈2并通过数据存储控制中心20连接可移动工作站21的可视化软件调控直流电
流大小、方向、频率进而设定三维亥姆霍兹线圈2产生的人工磁场参数，本实施例的磁场处理组设置为约0μt的近零磁场、对照组为约50μt的本地地磁场。
45.本实施例的开源光源控制系统中，全光谱或可选光谱光源1在匀光机构3的上方悬挂，全光谱或可选光谱的光源1的频率、光周期、光强可通过光源设置处理器11与微控制器19通讯并进行调控；待测昆虫的试验光周期设定为ld=15：9（8:00am为光处理起始时间）。
46.本实施例的控制与数据储存系统中，光学编码器12与微控制器19通讯，并在微控制器19上设定光学编码器12相关参数及消磁合金横杆15半径，获取的数据进而传导至微控制器19上进一步通过程序分析、记录，本实施例主要记录活动节律（飞行节律）、活动强度（飞行距离）等参数，最后传输至数据存储控制中心20。
47.实施例二基于鳞翅目昆虫飞行节律表型的睡眠行为分析研究。
48.如图1-3所示：一种昆虫运动性活动节律及睡眠行为磁生物学响应研究装置，包括人工磁场处理系统、试虫飞行运动性活动节律测定系统、试虫睡眠行为研究系统、环境因子控制监测系统、开源光源控制系统、控制与数据储存系统。
49.本实施例的试虫飞行运动性活动节律测定系统中，转轴13套在光学编码器12上，消磁合金横杆15长度16cm(旋转半径8cm)，可拆卸钨棒吊臂16采用的是直径0.5mm、长度为5cm，所自制的配重铜球6的质量等于可拆卸钨棒吊臂16和待测昆虫的总重量；待测鳞翅目昆虫为室内种群，取一只刚刚羽化的鳞翅目昆虫放在塑胶杯里用10%蜂蜜水饲养，待第二天光期阶段开始试验，将待测昆虫用紫外速干胶将中胸背板绒毛去除，用热熔胶将其粘在可拆卸钨棒吊臂16末端使待测昆虫头胸轴线与消磁合金横杆15垂直，将匀光机构3置于不透光白色亚克力箱体17上。
[0050] 本实施例的试虫睡眠行为研究系统中，处理组中设置暗期9小时睡眠剥夺（sleepdeprivation），即在暗期阶段，使用电子定时开关控制静音风扇10间隔2-4分钟随机开启，并吹动乳胶气球7持续扰动昆虫30s以剥夺其睡眠（大多睡眠行为研究体系认为昆虫静止≥5分钟为进入睡眠状态）。暗期结束后，静音风扇10停止工作；不透光白色亚克力箱体17顶部的鱼眼摄像头14用来监测装置内部昆虫实际运动情况，在与之相连远端的可移动工作站21上可以实时监测和回看，排除昆虫振翅但未带动转轴13转动的无效样本。
[0051]
本实施例的人工磁场处理系统中，通过大功率可编程直流/交流电源22连接三维亥姆霍兹线圈2，通过微控制器19连接可移动工作站21的可视化软件调控直流电流大小、方向、频率进而设定三维亥姆霍兹线圈2产生的人工磁场参数，本实施例磁场处理组设置为约45μt的该试虫迁飞途径地地磁场、对照组为约50μt的本地地磁场。
[0052]
本实施例的环境因子控制监测系统，根据室温监测微环境内恒温约为26℃、相对湿度约为70%；不透光白色亚克力箱体17内温湿度及光强传感器5可将数据实时反馈至数据存储控制中心20。
[0053]
本实施例的开源光源控制系统中，全光谱或可选光谱光源1在匀光机构3的上方悬挂，全光谱或可选光谱光源1的频率、光周期、光强可通过光源设置处理器11与微控制器19通讯并进行调控；待测昆虫的试验光周期设定为ld=15：9（8:00am为光处理起始时间）。
[0054]
本实施例的控制与数据储存系统中，使用本系统数据存储控制中心20中记录存储的昆虫睡眠剥夺后的运动性活动节律（飞行节律）数据，着重选择其睡眠剥夺后的睡眠反弹（sleeprebound）行为、睡眠节律、睡眠强度（静止≥5分钟为进入睡眠并进行睡眠强度和节
律的数据统计）、活动节律（飞行节律）、活动强度（飞行距离）等参数用于后续个性化分析。
[0055]
本实用新型的装置的结构完整、设计科学且操作简单，提供了一套高效稳定、开源、研究对象及表型适配度高、环境因子精确可控、获取数据精准可高效传输存储的基于生物磁响应和时间生物学交叉的一体化研究系统，能够运用在以昆虫（如草地贪夜蛾、北美帝王蝶、稻飞虱、赤眼蜂、黏虫、蝗虫等）为研究对象的生物钟（包括运动性活动节律和睡眠行为表型）与磁感受（磁响应）机制互作研究。
[0056]
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内；本实用新型未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。