Кафедра биофизики и биокибернетики: Южный федеральный университет

Кафедра биофизики и биокибернетики

Б.М.Владимирский, д.б.н., проф., зав.каф. биофизики и биокибернетики,  директор НИИ

Р.Е. Вербицкий, администратор ЛВС НИИ, 

В.В. Сердюков, старший инженер НИИ, 

А.Г.Сухов, д.б.н., зав. отделом НИИ

Использование Интернет, открывает новые возможности в реализации технологий, но  успешное использование этих возможностей станет реальностью после решения некоторых возникающих проблем  и ответа на ряд актуальных вопросов. Одной из таких проблем является дистантное проведение работ. В самом деле, сейчас уже понятно как организовать изучение и контроль при изучении теоретических курсов. Проблема получения практических навыков будет оставаться  в ближайшие годы одной из основных методических проблем.

Здесь возможны, по крайней мере, две ситуации. Первая более простая и связанная с физико-математическими и техническими курсами, когда достаточно полно известна модель изучаемого объекта или процесса. В этом случае можно виртуально воспроизвести этот объект или процесс и экспериментировать с этой виртуальной реальностью в ходе выполнения лабораторной работы. Естественно, что при этом возникает много сложностей, но, в основном, это сложности технического характера и они преодолимы.

Вторая ситуация, имеющая место, например, при изучении дисциплин биологического цикла существенно более сложна. Речь идет о получении навыков изучения поведения животных и т.д. Здесь не представляется возможным создание достаточно адекватных виртуальных объектов и работа с ними. Поэтому речь должна идти об организации дистанционного доступа к реально существующим и функционирующим лабораториям. Речь  пойдет о лабораторном комплексе для дистанционного on-line изучения с помощью сети Internet двигательного поведения мелких животных (крыс, морских свинок и т.д.)

Двигательная активность животных является естественным индикатором анализаторной деятельности мозга и его функционального состояния. Необходимость объективной регистрации скорости, длительности, частоты, последовательности различных поведенческих актов существует в экологии, зоологии, физиологии, биохимии и многих других науках при изучении механизмов восприятия и анализа информации, обучения и памяти, процессов адаптации и развития стресса, характера действия различных физических, химических и фармакологических факторов на организм.

Из других процессов, которые могут эффективно исследоваться по двигательной активности следует отметить также формирование условных рефлексов; определение функционального состояния животных, уровня их возбудимости, беспокойства, стрессированности или, наоборот, заторможенности и т.д.

Несмотря на информативность показателей двигательной активности, до настоящего времени нет достаточно простой, надежной и объективной методики автоматической регистрации поведения животных, в связи с чем по-прежнему используется традиционный метод открытого поля с регистрацией различных форм поведения животных самим экспериментатором.

В НИИ нейрокибернетики разработана оригинальная методика автоматической регистрации и анализа двигательного поведения  животных с возможностью стимуляции и управления поведением  в режиме реального времени.

Используемый для реализации методики программно-аппаратный комплекс позволяет осуществлять автоматическую регистрацию поведения и двигательной активности: выделение двигательных актов – горизонтальных перемещений в плоскости полигона, вертикальных стоек, состояния покоя и локальной деятельности, к которой  относятся мелкие двигательные акты – почесывание, груминг, поедание пищи. Координаты животного определяются с точностью до 1 мм по пространству и до 5 мс по времени. Длительность регистрации может составлять от нескольких минут до нескольких часов или дней и ограничена объемом свободной памяти на жестком диске ПЭВМ.

Аппаратная часть экспериментального комплекса состоит из весо-координатной тензометрической платформы, устройства регистрации вертикальных стоек животного, усилителей и компьютера, оснащенного платой ввода-вывода (АЦП, ЦАПы, TTL-порты).

Программное обеспечение (ПО) включает набор программ, выполняющих следующие функции:

¦       регистрация перемещения животного в реальном времени с отображением на экране монитора местоположения, траекторий движения, вертикальных стоек;

¦       подача звуковых и световых стимулов, управление подачей воды и пищи в зависимости от текущего анализа поведения животного;

¦       выделение основных поведенческих актов (покой, перемещение, груминг, локальная деятельность, стойки, потребление воды и пищи).

Результаты могут быть представлены в виде:

¦       траектории движения животного,

¦       протокола опыта (время, поведенческий акт, координаты, стимулы и т.д.),

¦       интегральных показателей - суммарных времен поведенческих актов,

¦       суммарного пути, скорости перемещения и т.д.

Аппаратная часть комплекса

Существует целый набор общих и частных регистрируемых и вычисляемых показателей:

¦       координаты центра тяжести животного;

¦       траектории пробежек;

¦       моменты стоек;

¦    суммарная диаграмма времени нахождения в выделенных состояниях;

¦       средняя скорость передвижения;

¦       суммарный путь, пройденный за время;

¦       среднее расстояние, пройденное за одно передвижение;

¦       время начала и окончания отдельного состояния;

¦       число отдельных состояний;

¦       среднее время нахождения в конкретном состоянии;

¦       распределение состояния по оси времени;

¦       вероятность перехода в другое состояние.

Компьютер, осуществляющий управление экспериментом, подключен к WEB-серверу посредством локальной вычислительной сети (ЛВС). Текущее состояние отображается через WEB-интерфейс. Регистрация подачи стимулов и управляющих воздействий  осуществляются через CGI-шлюз. Через WEB-интерфейс наблюдатели могут получить результаты в виде файлов данных, графиков, гистограмм, рисунков.     

Рассматриваемый комплекс позволяет ставить и решать достаточно широкий круг задач, таких, например, как изучение спонтанного поведения животных; изучение поведения при выработке условных рефлексов; сравнительное изучение особенностей разных видов поведения; изучение поведения при действии различных внешних факторов; изучение циркадианных ритмов и т.д.

При этом пользователи имеют возможность выбирать по своему усмотрению такие переменные как модальность стимулов; количество стимулов; параметры стимулов; моменты подачи стимулов; способ подачи стимулов и некоторые другие.

Разработаны условия пользования, состоящие в том, что используя WEB-форму необходимо зарегистрироваться на WEB-сайте, сделать заявку с  использованием электронных средств коммуникаций в реальном времени, с учетом задержек сетевого соединения, можно получить исходные и/или обработанные   данные по e-mail или ftp-протоколу. Существуют и некоторые другие условия пользования, определяемые условиями договора на разработку и ввод в эксплуатацию данных.

Анализ параметров регистрации временных и пространственных характеристик двигательной активности крыс существенно превосходит известные зарубежные аналоги. Оригинальный программно – аппаратный комплекс существует в настоящее время в единственном экземпляре в НИИ НК РГУ, что ограничивает  потенциальные возможности его более эффективной эксплуатации. В связи с этим, весьма актуальной становится задача сделать лабораторию практически доступной для студентов, преподавателей и научных сотрудников различных вузов, с  помощью Internet использовать   метод автоматической регистрации и анализа поведения с широким спектром учебно-исследовательских задач, что позволит решить проблему получения практических навыков в выполнении ряда работ и практикумов.

ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ Южный федеральный университет