УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАССИРОВКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ

Изобретение относится к экспериментальной медицине и физиологии, конкретно к устройствам для определения двигательной активности лабораторных животных, конкретнее, для трассировки перемещения животных, преимущественно крыс и мышей.
Поведение лабораторных животных активно изучается для понимания механизмов высшей нервной деятельности и поведения во многих исследовательских лабораториях. Изменения поведения, вызванные введением психотропных препаратов, являются мерой клинической эффективности их антидепрессантной, анксиолитической, нейролептической, антиконвульсантной и седативной активностей. Классические лабораторные тесты, такие как «открытое поле», «свет/темнота» и «принудительное плавание» являются обязательными для любой лаборатории, где изучается поведение и психотропные препараты. Общим элементом этих тестов является трассировка перемещения животного. В последнее время для точной и объективной трассировки животного используют устройства, включающие аналоговые или цифровые видеокамеры, соединенные с компьютером. Специальные программы, такие как Etho Vision, Smart II и EthoStudio, кадр за кадром анализируют видео последовательность, находят животное, определяют его позицию в кадре и измеряют изменение этой позиции с течением времени (трассируют).
Известно, например, устройство для трассировки перемещения животных, преимущественно крыс и мышей, состоящее из круглой или прямоугольной арены, ограниченной стенками, не позволяющими животному ее покинуть, источника освещения, установленного над ее поверхностью, и видеокамеры, смонтированной над источником освещения и соединенной с компьютером. (Spink et al., Physiology & Behavior, 2001, V.73, p.731-744).
Недостатком известного устройства является низкая точность идентификации животных на фоне арены, в связи с чем снижается достоверность трассировки передвижения животных.
Наиболее ближайшим к заявляемому устройству - прототипом, является устройство для трассировки лабораторных животных (фиг.1), состоящее из арены 1, ограниченной стенками, не позволяющими животному ее покинуть, осветительной системы 2, смонтированной над поверхностью арены, рассеивающего полупрозрачного экрана 3, расположенного между осветительной системой и ареной и видеокамеры 4, установленной над осветительной системой и подсоединенной к компьютеру (каталог ООО «Открытая наука», 2007 г, с.1. www.openscience.ru).
Устройство работает следующим образом. Животное помещают на арену 1, которая освещается светом от осветительной системы 2, смонтированной над ней. Поток света выравнивают с помощью полупрозрачного экрана 3. Отраженное изображение арены с находящимся на ней животным захватывается видеокамерой 4, оцифровывается и передается в компьютер в виде растра.
Сочетание яркого освещения и значительного открытого пространства является легким стрессирующим фактором. Нормальное животное предпочитает находиться вблизи стенки и редко выходит в центр, однако исследовательская активность вынуждает животного перемещаться по арене и исследовать ее, тогда как страх, напротив заставляет животное затаиться возле стенки. Мерой двигательной активности служит путь, пройденный животным за время наблюдения. С помощью специальных алгоритмов изображение животного отделяют от фона, определяют его позицию в кадре и измеряют изменение этой позиции с течением времени (трассируют).
Недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является низкая точность идентификации животного на фоне арены, обусловленная следующими негативными факторами. Первый
фактор заключается в отражении животного от поверхности арены, выполненной из непрозрачного пластика, что значительно искажает форму и размеры его растрового изображения. Второй фактор заключается в непредсказуемых изменениях яркости поверхностей фона и шерсти животного или блики. Эти два фактора являются неустранимым следствием измерения в отраженном свете. Третий фактор - низкий контраст животного с фоном. В большинстве случаев арена имеет белый цвет и поэтому белые мыши и крысы плохо различимы на этом фоне. В то же время, использование белой арены для окрашенных животных, а черного цвета для белых животных затрудняет сравнение полученных результатов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности идентификации животных на фоне арены и повышение эффективности трассировки перемещения лабораторных животных.
Поставленная техническая задача достигается предлагаемым устройством для трассировки лабораторных животных, структурная схема которого представлена на фиг.2.
Устройство состоит из круглой или прямоугольной арены 1, ограниченной стенками, дно которой выполнено из полупрозрачного материала 3, осветительной системы 2, преимущественно выполненной в виде двух люминисцентных ламп, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, смонтированной под ареной, и видеокамеры 4, установленной над ареной. Видеокамера подсоединена к компьютеру (не показано) через интерфейс. Такая компановка узлов устройства, которое монтируют, преимущественно, на штативе с подставкой, позволяет производить трассировку животных в проходящем, а не в отраженном свете, как это делается в прототипе. В качестве полупрозрачного материала для дна арены может быть использовано матовое органическое стекло, прозрачный пластик и т.п.
Устройство работает следующим образом. Арену 1, дно которой выполнено из полупрозрачного материала 3, равномерно освещают с помощью осветительной системы 2, смонтированной под ареной. Включают компьютер и видеокамеру 4. Лабораторное животное помещают у стенки арены 1 и запускают программу трассировки, например, EthoStudio, которая в течение установленного времени автоматически определяет положение животного на арене и динамику изменения этого положения. Поскольку животное вне зависимости от цвета его шкурки непрозрачно для лучей света, его очертания проецируются в объектив камеры на фоне ярко и равномерно освещенной арены. Использование проходящего освещения полностью устраняет физические условия возникновения отражения мыши от дна арены и бликов.
Заявляемое устройство может быть использовано для трассировки перемещения животных в тестах «открытое поле», «свет/темнота», «принудительного плавания» и разнообразных лабиринтах.
На фиг.3 представлено изображение круглых арен, дно которых выполнено из непрозрачного пластика белого и черного цвета (прототип), а на фиг.4 представлено изображение круглой арены с полупрозрачным дном для трассировки животных в тесте «открытое поле» (заявляемое устройство).
Определяющими отличиями заявляемого устройства, по сравнению с прототипом, являются:
1. Дно арены выполнено из полупрозрачного материала, что позволяет трассировать животных в проходящем, а не в отраженном свете, как это делают в прототипе. Кроме того, полупрозрачное дно служит экраном, позволяющим рассеивать и выравнивать свет от источника, что обеспечивает равномерное освещение. Использование прозрачного дна вместо полупрозрачного может создавать артефакты в виде проекции источника света и вызывать дополнительный стресс у животного.
2. Осветительную систему монтируют под дном арены, что обеспечивает равномерное освещенной арены и полностью устраняет блики и физические условия возникновения отражения животного от дна арены.
На фиг.5 (А-В) представлены изображения мышей белой (А), агути (Б) и черной (В) мастей и, соответствующие им гистограммы, полученные в отраженном свете с использованием устройства-прототипа.
Из фиг 5 (А-В) видно, что трассировка мышей в отраженном свете с использованием устройства-прототипа, не позволяет точно идентифицировать животных на фоне арены и снижает эффективность трассировки перемещения лабораторных животных. На гистограмме фиг.5 А видно, что яркость пикселей, ассоциированных с белой мышью, не отличается от яркости пикселей фона, что делает автоматическую трассировку перемещения невозможной.
На фиг 6 (А-В) представлены изображения мышей белой (А), агути (Б) и черной (В) мастей и, соответствующие им гистограммы, полученные в проходящем свете с использованием заявляемого устройства.
Из фиг 6 (А-В) видно, что использование заявляемого устройства с проходящим освещением резко повышает контраст животного по отношению к фону арены и позволяет с одинаковой точностью трассировать животных разного цвета в условиях одинакового освещения, что обеспечивает стандартизацию экспериментальных условий. На гистограмме фиг.6А видно, что яркость пикселей, ассоциированных с белой мышью, отличается от яркости пикселей фона, что позволяет проводить автоматическую трассировку перемещения животного.
На фиг.7 представлено изображение трассы мыши белой масти (AKR), полученное в проходящем свете с использованием заявляемого устройства и программы EthoStudio.
Выполнение дна арены из полупрозрачного материала, вкупе с осветительной системой, смонтированной под ареной, позволяет заметно усилить контраст животного с фоном, резко выделить контуры животного и создать равномерное освещение арены, что снижает помехи и облегчает процедуру выделения животного. В частности, использование проходящего освещения позволяет убрать процедуру вычитания фона и тем самым значительно ускорить процесс трассировки.
Заявляемое устройство позволяет с одинаковой эффективностью трассировать как окрашенных животных (СВА), так и альбиносов (AKR). Исследование двигательной активности животных на заявляемом устройстве обеспечивает получение достоверных данных, а выход на компьютер дает возможность автоматизировать процесс сбора данных и исключить субъективную оценку экспериментатора о движении лабораторных животных в процессе исследования.