Устройство для автоматизированного проведения когнитивных исследований

Полезная модель относится к медицинской научно-исследовательской технике, используемой в экспериментальной биологии, психофизиологии, и предназначена для проведения когнитивных исследований, например исследование глубины рабочей памяти мелких лабораторных животных.
Известны системы оценки когнитивных показателей у лабораторных животных как «Лабиринт Морриса», используемый для исследований таких заболеваний, как аутизм, болезнь Альцгеймера, различных травм головного мозга. Данная установка позволяет оценить локомоторную активность и рабочую память животного. Недостатками данного метода являются повышенная стрессогенность процесса проведения исследования, так как животное помещается в воду, и на протяжении всего времени находится в состоянии постоянной опасности из-за угрозы утопления (Buccafusco J.J. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Florida: CRC Press, 2000. 352 p.).
Известен также многорукавный лабиринт, включающий центральный отсек, сообщенный с лабиринтами, отделенными от него гильотинными дверцами, содержащими стенки, днище и крышку (см. Горина Я.В., Лопатина О.Л., Комлева Ю.К. и др. Восьмирукавный радиальный лабиринт, как инструмент для оценки пространственного обучения и памяти у мышей, Сибирское медицинское обозрение, 2016, № 5-С.46-52).
Недостатком такого устройства является требование от исследователя постоянно размещать стимулы в конечных точках рукавов и полное ручное управление гильотинных дверок, регулирующих движение лабораторных животных в процессе эксперимента.
Следует отметить, что все представленные тестовые системы имеют ряд общих недостатков, таких как:
животное может в процессе эксперимента ориентироваться на окружающие тестовую систему объекты, а также переключать внимание на внешние раздражающие факторы, так как для фиксации хода исследования необходимо прямо наблюдать за передвижением животного;
экспериментальные установки требуют постоянного контроля процесса тестирования со стороны исследователя, что может косвенно влиять на ход эксперимента по причине нахождения у тестовой установки или при подсчете результатов в ручном режиме;
при повышении количества видов стимулов повышается нагрузка на исследователя за счет увеличения работы по обслуживанию эксперимента.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство - автоматизация процесса проведения когнитивных исследований лабораторных животных с возможностью изменения протоколов исследования в процессе эксперимента и создание изолированного пространства для перемещения испытуемого животного, обеспечивающего минимизацию воздействия стрессогенного фактора исследовательского процесса.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обезличивании процесса когнитивных исследований за счет автоматического контроля и распознавания передвижения испытуемого животного в устройстве с применением методов видеофиксации, роботизированной системы отбора и подачи стимулов в устройство, автоматической системы вознаграждения животного.
Поставленная задача решается тем, что устройство для автоматизированного проведения когнитивных исследований в виде лабиринта с вертикальными стенками, крышкой и днищем, содержащего центральный отсек, сообщенный с рукавами через гильотинные дверцы, отличается тем, что вертикальные стенки и днище выполнены из матового светопропускающего материала, рукава ориентированы параллельно друг другу, центральный отсек и группы близлежащих рукавов снабжены съемными крышками из материала, избирательно прозрачного в инфракрасном диапазоне, под днищем размещена равномерная подсветка в соответствующем диапазоне, днище дальней от центрального отсека части каждого рукава выполнено в виде съемного поддона, с возможностью размещения на нем стимула, кроме того, над лабиринтом с возможностью перемещения над ним и с фиксацией тени животного на крышках в инфракрасном диапазоне установлена видеокамера, выполненная с возможностью вывода информации на блок управления, который выполнен также с возможностью автоматического управления гильотинными дверцами, заменой съемного поддона посредством малошумящего робота-манипулятора и автоматической кормушкой для каждого рукава согласно протоколу исследования.
Кроме того, количество роботов-манипуляторов соответствует количеству групп близлежащих рукавов.
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает возможность автоматизации процесса проведения когнитивных исследований с изменением протоколов исследования в процессе эксперимента и создание изолированного от внешней среды пространства для перемещения испытуемого животного, обеспечивающего минимизацию воздействия на него стрессогенного фактора исследовательского процесса.
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признаки «вертикальные стенки и днище лабиринта выполнены из матового светопропускающего материала» позволяют:
организовать в пространстве лабиринта вертикальный световой поток и, тем самым, сформировать пятно тени от животного на крышке лабиринта;
создать изолированное пространство, в котором животное ограничено от наблюдения иных раздражителей, окружающих установку.
Признаки «рукава ориентированы параллельно друг другу» обеспечивают минимизацию площади лабиринта и снижают трудоемкость процедуры замены или установки стимулов (за счет упрощения траектории перемещения роботов-манипуляторов, реализующих эту функцию).
Признаки «центральный отсек и группы близлежащих рукавов снабжены съемными крышками» позволяют поместить животное в лабиринт и обеспечивают более удобное обслуживание лабиринта в целом и его отдельных элементов (мойка, замена и. т.д.).
Признаки «[съемные крышки выполнены] из материала, избирательно прозрачного в инфракрасном диапазоне» обеспечивают возможность просвечивания лабиринта снизу-вверх, с образованием пятна тени на крышках, при этом животное ограничено от наблюдения иных раздражителей, окружающих установку.
Признаки «под днищем размещена равномерная подсветка в соответствующем диапазоне» обеспечивают подсветку всей площади пола в лабиринте и тем самым исключают образование тени не от тела животного.
Признаки, указывающие, что «днище дальней от центрального отсека части каждого рукава выполнено в виде съемного поддона, с возможностью размещения на нем стимула» обеспечивают замену стимула в рукаве посредством установки соответствующего поддона с размещенным на нем при необходимости стимулом в дальней от центрального отсека части.
Признаки «над лабиринтом с возможностью перемещения над ним и с фиксацией тени животного на крышках в инфракрасном диапазоне установлена видеокамера» обеспечивают автоматизированный сбор данных о перемещениях испытуемого животного.
Признак «видеокамера выполнена с возможностью вывода информации на блок управления» обеспечивает автоматизацию и координирование вывода информации о перемещениях животного.
Признаки «блок управления выполнен также с возможностью автоматического управления гильотинными дверцами, заменой съемного поддона и автоматической кормушкой для каждого рукава согласно протоколу исследования» обеспечивают автоматизацию и координирование проведения эксперимента согласно установленному протоколу исследования, занесенному в блок управления (т.е. без контроля и участия исследователя).
Признак «замену съемного поддона осуществляют посредством малошумящего робота-манипулятора» обеспечивает минимальный фактор стресса от внешнего шума у испытуемого животного.
Признаки зависимого пункта формулы позволяют обеспечить каждую группу близлежащих рукавов отдельным роботом-манипулятором, при этом траектории роботов-манипуляторов имеют короткую длину, простую форму и не пересекаются друг с другом.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - вид устройства спереди, вид А на фиг.4;
на фиг.2 - вид устройства сверху;
на фиг.3 - вид устройства сбоку;
на фиг.4 - горизонтальное сечение А-А устройства.
На чертежах показаны вертикальные стенки 1 и 2 и крышки 3 и 4 центрального отсека 5, состоящего из основной части 6 и отсеков выбора 7, и рукавов 8 соответственно, днище 9 лабиринта, гильотинные дверцы 10, 11 и 12, равномерная инфракрасная подсветка 13, модуль RGB подсветки 14, съемные поддоны 15, стимулы 16, видеокамера 17, блок управления 18, малошумящие роботы-манипуляторы 19, автоматические кормушки 20, тень 21 животного, стеллажи 22, полки 23 под стимулы 16, автоматические поджимы 24 съемных поддонов 15, части 25 рукавов 8 для размещения съемных поддонов 15.
Лабиринт содержит центральный отсек 5, состоящий из основной части 6 и отсеков выбора 7, и рукава 8.
Основная часть 6 центрального отсека 5 и отсеки выбора 7 с группами близлежащих рукавов 8 снабжены крышками 3 и 4 соответственно, которые выполнены съемными из материала, избирательно прозрачного в инфракрасном диапазоне.
Вертикальные стенки 1 и 2 центрального отсека 5 и рукавов 8 соответственно и днище 9 лабиринта выполнены из матового светопропускающего материала.
Под днищем 9 лабиринта размещена равномерная инфракрасная подсветка 13, в том числе модуль RGB подсветки 14.
Основная часть 6 центрального отсека 5 через гильотинные дверцы 10 сообщена с симметрично расположенными отсеками выбора 7 центрального отсека 5, каждый из которых в свою очередь через гильотинные дверцы 11 сообщен с группой близлежащих рукавов 8.
Рукава 8 ориентированы параллельно друг другу и для каждого из них дальняя от центрального отсека 5 часть 25 отделена от остального пространства рукава 8 посредством гильотинной дверцы 12, а днище этой части 25 выполнено в виде съемного поддона 15, с возможностью размещения на нем стимула 16.
При этом для каждого рукава 8 форма днища его части 25 конгруэнтна форме съемного поддона 15.
Съемные поддоны 15 удерживаются соответствующими автоматическими поджимами 24, которые конструктивно совмещены с днищем 9 лабиринта.
Гильотинные дверцы 10, 11 и 12 выполнены с возможностью перемещения вертикально вверх при закрывании и вертикально вниз при открывании.
Над лабиринтом с возможностью перемещения над ним и с возможностью фиксации на поверхности крышек 3 и/или 4 тени 21 животного в диапазоне, соответствующем диапазону излучения равномерной инфракрасной подсветки 13, установлена видеокамера 17, выполненная с возможностью вывода информации на блок управления 18, который выполнен также с возможностью автоматического управления гильотинными дверцами 10, 11 и 12, заменой съемного поддона 15 посредством малошумящего робота-манипулятора 19 и управления автоматической кормушкой 20 для каждого рукава согласно протоколу исследования.
Малошумящие роботы-манипуляторы 19 конструктивно совмещены со стеллажами 22, содержащими полки 23 под стимулы 16, на которых размещены съемные поддоны 15 и стимулы 16.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Вводят необходимый протокол исследования в блок управления 18.
В основную часть 6 центрального отсека 5 помещают животное и закрывают крышку 3.
В этот момент включается равномерная инфракрасная подсветка 13, и в результате просвечивания днища 9 лабиринта на поверхности крышек 3 и/или 4 формируется тень 21 животного.
Видеокамера 17 фиксирует тень 21 животного, которую распознает и отслеживает программа блока управления 18.
Далее, согласно протоколу исследования, соответствующий робот-манипулятор 19 захватывает требуемый съемный поддон 15 с размещенным на нем при необходимости стимулом 16 из стеллажа 22 и устанавливает его в соответствующий рукав 8, а точнее его часть 25, форма днища которой конгруэнтна форме съемного поддона 15.
После этого соответствующие автоматические поджимы 24 фиксируют съемный поддон 15 с размещенным на нем при необходимости стимулом 16 в части 25 рукава 8, поджимая его снизу и тем самым образуя замкнутое пространство рукава 8.
После фиксации съемного поддона 15 с размещенным на нем при необходимости стимулом 16, робот-манипулятор 19 приступает к следующему циклу постановки стимула 16 в рукав 8 или осуществляет обратную процедуру перемещения стимула 16 из лабиринта на полку 23 стеллажа 22, которая происходит в обратной последовательности, согласно командам, поступающим из блока управления 18. Процесс повторяется для каждой из частей 25 рукавов 8 с использованием роботов-манипуляторов 19.
После этого одна из двух гильотинных дверец 10, отделяющих основную часть 6 центрального отсека 5 от соответствующего отсека выбора 7, опускается и открывает животному доступ к гильотинным дверцам 11, отделяющим этот отсек выбора 7 от рукавов 8.
После опускания одной из гильотинных дверец 11 открывается вход в соответствующий рукав 8. Как только видеокамера 17 зафиксировала перемещение тени 21 животного из центрального отсека 5 в рукав 8, соответствующая гильотинная дверца 11 закрывается.
Согласно протоколу исследования, блок управления 18 опускает соответствующую гильотинную дверцу 12, отделяющую пространство рукава 8 от его части 25 с установленным в ней съемным поддоном 15 и открывает доступ животного к ранее размещенному стимулу 16.
В случае если животное начало изучать стимул 16, данный процесс видеокамера 17 наблюдает как сближение тени 21 животного и размещенного стимула 16, и блок управления 18 включает соответствующую автоматическую кормушку 20, которая открывает доступ животному к поощрению.
После этого животное покидает часть 25, которую отделяют от остального пространства рукава 8, поднимая соответствующую гильотинную дверцу 12.
Далее животное перемещается из рукава 8 в отсек выбора 7, при этом закрывается соответствующая гильотинная дверца 11, и возвращается в основную часть 6 центрального отсека 5, при этом закрывается соответствующая гильотинная дверца 10.
В случае отказа изучения стимула 16, что выявляется отсутствием перемещения тени 21 животного к части 25 одного из рукавов 8, или выбора животным неправильного стимула 16, блок управления 18 меняет равномерную инфракрасную подсветку 13 на негативное красное освещение с помощью модуля RGB подсветки 14, что является отрицательным подкреплением.
Модуль RGB подсветки 14 согласно проколу исследования может создавать засветку как всех, так и отдельных зон днища 9 лабиринта во всем диапазоне видимого спектра света. Это дает возможность иметь дополнительный инструмент легкого аверсивного воздействия на испытуемое животное при проведении эксперимента.
Данный процесс повторяется многократно, в зависимости от протокола исследования.