ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ КЛЕТКА ДЛЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Полезная модель относится к области лабораторной техники и может быть использована для изучения психофизиологических, нейробиологических основ психики и поведения.
Из уровня техники известен «ящик Скиннера», который представляет из себя клетку, предоставляющую возможность только тех действий животного, которые экспериментатор может контролировать. Данный ящик снабжен педалью, нажатие которой приводит к подаче пищи или другого подкрепления (см. http://behavior.romek.ru/dskinnerbox.htm).
Также из уровня техники известна экспериментальная клетка, которая принята за прототип, содержащая две педали, расположенные у второй стенки, и два устройства подачи корма, расположенные у первой стенки, при нажатии на одну из педалей одно из устройств подачи корма подает корм, при этом первая и вторая стенка располагаются напротив друг друга (см. Ю.И.Александров, Психофизиологическое значение активности центральных и периферических нейронов в поведении, М.: 1989 стр.64-65; Ю.И.Александров, и др., О детерминации активности нейронов моторной коры в поведении, Психологический журнал, том 4, №2, 1983, стр.76).
Технический результат направлен на улучшение конструкции экспериментальной клетки, позволяющей более удобно проводить исследования: проводить манипуляции по устранению неисправностей микроманипулятора (см. А.С.№1507317), не вынимая животное из клетки, упростить доступ к животному, а также осуществлять слив испражнений животного в устройство сбора и слива испражнений животного, что способствует меньшему накоплению фекалий и мочи животного в клетке и препятствует размножению бактерий на их основе; вырабатывать более сложные стратегии научения животного, помещенного в клетку; регистрировать поведенческие акты животного и/или нейронную активность во время осуществления животным поведения; а также усовершенствовать сбор данных во время проведения эксперимента.
Технический результат достигается за счет того, что экспериментальная клетка для психофизиологических экспериментов, содержащая две педали, расположенные у второй стенки, и два устройства подачи корма, расположенные у первой стенки, при нажатии на одну из педалей одно из устройств подачи корма подает корм, при этом первая и вторая стенка располагаются напротив друг друга, кольца, расположенные на второй стенке над педалями, систему управления клеткой, устройство управления устройством подачи корма, при этом педали и кольца могут перемещаться в перпендикулярном направлении к первой стенке, устройство сбора и слива испражнений животного, устройство подачи корма активируется также при подергивании за одно из колец, а также при помощи устройства управления устройством подачи корма; вторая стенка выполнена с возможностью перемещения в направлении к/от первой стенки, а первая стенка выполнена с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через одну из сторон первой стенки.
На чертежах представлено следующее.
Фиг.1 Вид на клетку спереди.
Фиг.1А Вид на клетку спереди с открытой первой стенкой.
Фиг.1Б Вид клетки внутри
Фиг.1В Вид второй стенки спереди
Фиг.2 Вид экспериментальной клетки сбоку
Фиг.3 Вид второй стенки сзади
Фиг.3А Вид устройств по выдвижению педалей и колец.
Фиг.4 Вид металлического круглого диска и кормушек сверху
Фиг.4А. Вид металлического круглого диска и кормушек сбоку.
Сущность изобретения заключается в том, что клетка состоит из двух боковых стенок 1а и 1б, второй стенки 2 с возможностью перемещения в направлении к/от первой стенки 3 посредством крепления ее к шариковым направляющим 17, которые крепятся к боковым стенкам 1а и 1б на внутренней стороне; первая стенка 3 имеет прямоугольную форму и разделена на две части: подвижную стенку 3а и стенку 3б. Подвижная стенка 3а и стенка 3б имеют прямоугольную форму и соединены между собой пластинчатыми петлями 3д таким образом, чтобы позволять подвижной стенке 3а принимать два положения: в плоскости стенки 3б и перпендикулярно плоскости стенки 3б. При этом в данном исполнении ось вращения первой стенки 3 образуется по линии разделения первой стенки 3 на подвижную стенку 3а и стенку 3б. Подвижная стенка 3а может принимать перпендикулярное положение по отношению к стенке 3б за счет опоры 3в. В этом положении подвижная стенка 3а позволяет более удобно проводить манипуляции с животным внутри экспериментальной клетки вследствие упрощения доступа к животному. В смежных углах стенки 3б на линии разделения первой стенки 3 на подвижную стенку 3а и стенку 3б имеются прямоугольные вырезы длиной не более 1/3 длины стенки 3б и высотой от 5 до 10 процентов ширины стенки 3б. Боковые стенки 1а и 1б также имеют прямоугольный вырез, по ширине совпадающий с вырезом стенки 3б и примыкающий к вырезу стенки 3б. При этом длина выреза боковых стенок 1а и 16 параллельна ширине стенок 1а и 1б; ширина выреза боковых стенок 1а и 1б параллельна длине стенок 1а и 1б. Вырезы в боковых стенках 1а и 1б примыкают к вырезам стенки 3б, образуя пространство, в которое можно установить устройство подачи корма 14.
Вторая стенка 2 содержит два отверстия 16а и два отверстия 16в прямоугольной формы. Через отверстия 16а подают кольца 9, а через отверстия 16в - педали 8. При потягивании животным одного из колец 9 или нажатии одной из педалей 8 срабатывает устройство подачи корма 14 (внутри клетки появляется корм). При этом нажатие одной из педалей 8 активирует одно из устройств подачи корма 14. Потягивание за одно из колец 9 также активирует одно из устройств подачи корма 14.
Пары отверстий 16а и 16в располагаются симметрично относительно вертикальной оси симметрии второй стенки 2. Отверстия 16а расположены над отверстиями 16в. Вертикальная ось симметрии отверстий 16а может совпадать с вертикальной осью симметрии отверстий 16в. Отверстия 16а располагаются на расстоянии 1/4 длины второй стенки 2 от решетчатого пола клетки. Отверстия 16в располагаются на расстоянии 1/8 длины второй стенки 2 от решетчатого пола 5. В таком исполнении кольца 9 находятся на уровне головы животного; педали 8 находятся на уровне лап животного, что позволяет животному нажимать на педаль 8 и потягивать за кольцо 9.
Педали 8 и кольца 9 могут перемещаться в перпендикулярном направлении к/от первой стенки 3 (выдвигаться и задвигаться).
Также ко второй стенке 2 крепится защитное устройство 18, предотвращающее столкновение второй стенки 2 со стеной в помещении. Защитное устройство 18 крепится перпендикулярно второй стенке 2 и состоит из скрепленных алюминиевых балок, образуя П-образную форму.
Помимо этого на второй стенке располагаются шпингалеты 19. Шпингалеты 19 фиксируют вторую стенку в положении один и в положении два. Вторая стенка 2 выполнена с возможностью перемещения в перпендикулярном направлении первой стенки 3. При ее перемещении меняется площадь пространства, которое занимает животное. При перемещении второй стенки 2 по направлению к первой стенке 3, вторая стенка 2 занимает положение один путем того, что шпингалеты 19 входят в отверстия в боковых стенках 1а и 1б, тем самым фиксируя ее в данном положении. При перемещении второй стенки 2 по направлению от первой стенки 3, вторая стенка 2 фиксируется тем же способом в положении два. Положение один - это такое положение, когда вторая стенка 2 отодвинута настолько, что расстояние от первой стенки 3 до второй стенки 2 равно ширине второй стенки 2. Положение два - это такое положение, когда вторая стенка 2 отодвинута настолько, что расстояние от первой стенки 3 до второй стенки 2 равно 4/5 длины боковой стенки 1а или 1б. Длина стенки 1а равна длине стенки 1б.
Клетка содержит систему управления клеткой 7, которая обеспечивает взаимодействие педалей 8 и колец 9 с устройством подачи корма 14 и его работу, а также передает сигналы от клетки на пишущее устройство, например компьютер или магнитофон. В частности, при нажатии одной из педалей 8 или потягивании одного из колец 9 срабатывает устройство подачи корма 14. Также корм может быть подан исследователем с помощью устройства управления устройством подачи корма 11. Таким образом, система управления клеткой согласует работу педалей 8, колец 9, устройства подачи корма 14 и устройства управления устройством подачи корма 11.
Помимо этого система управления клеткой 7 передает сигналы о поведенческой активности животного на записывающее устройство (на чертежах не показано), например магнитофон или компьютер: о подходе животного к одной из педалей 8 и ее нажатии, о подходе к одному из колец 9 и его потягивании, о подходе к одному из устройств подачи корма 14 и взятии еды из кормушки 14б, а также при регистрации активности нейрона позволяет синхронизировать сигналы о поведенческой активности животного с сигналом об активности нейрона и одновременно подавать эти сигналы на вышеупомянутое пишущее устройство.
Система управления клеткой представляет из себя электронную схему управления. Электронные схемы управления, их проектирование и использование широко известны из уровня техники (cм.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ELEKTRONNIE_SHEMI.html).
Устройство подачи корма 14 содержит металлический круглый диск 14а, на который крепятся кормушки 14б. Кормушки представляют из себя маленький круглый диск с углублением (размер подбирается исходя из диаметра круглого диска 14а, на который они крепятся, количества кормушек 14б, крепящихся на круглый диск 14а, и вся конструкция в целом должна позволять животному брать пищу из кормушек). Круглый диск 14а крепится к мотору 14в, например электрический двигатель ДПМ-30. Основные требования, предъявляемые двигателю, это малый размер и отсутствие инерции; основная его функция - вращать круглый диск 14а. Вся конструкция крепится к каркасу клетки 4 и к стенкам клетки 2 таким образом, чтобы часть круглого диска 14а с кормушками 14б находились внутри клетки. Круглый диск 14а содержит небольшие отверстия 21 (диаметр от 2 до 3 мм, число отверстий соответствует числу кормушек 14б), а устройство подачи корма содержит датчики (например, фотодиоды), которые формируют сигнал на устройство управления клеткой 14 о том, что кормушка 14б находится под отверстием 15а.
Часть круглого диска 14а, которая находится внутри клетки, накрывается защитным кожухом 15. Защитный кожух 15 имеет форму полого цилиндра, в основании которого окружность; окружность усечена двумя хордами, перпендикулярными друг другу и пересекающимися внутри окружности. Длины хорд могут быть не равны. Хорды делят окружность на четыре части; в качестве кожуха 15 используется такая часть окружности, в которой по одной хорде расстояние от точки пересечения хорд до окружности равно длине выреза стенки 3б, а по другой хорде расстояние от точки пересечения хорд до окружности равно длине выреза стенки 1а или 1б. Помимо этого защитный кожух содержит отверстие 15а. Место расположения отверстия выбирается так, чтобы оно совпадало с одной кормушкой 14б, а его размеры - исходя из размеров кормушек 14б. Таким образом, размер кожуха соответствует той части диска 14а, которая покрывает решетчатый пол 5, и открывает животному доступ только к одной из кормушек 14б.
Педали 8 крепятся к устройству, которое двигается в горизонтальной плоскости, например, к дисковым приводам 10 от компьютерного устройства CD-ROM. Кольца 9 крепятся к устройству, подвижному в горизонтальной плоскости, например, к каретке привода лазера 13 CD-ROMa.
Клетка работает следующим образом.
Срабатывание устройства подачи корма происходит либо при нажатии одной из педалей 8, либо потягивании одного из колец 9, либо при нажатии исследователем кнопки на устройстве управления устройством подачи корма 11. На первых этапах формирования инструментального пищедобывательного поведения, когда животное не обучено нажатию на одну из педалей 8 или потягиванию за одно из колец 9, положительное подкрепление нужного поведения осуществляется исследователем с помощью устройства управления устройством подачи корма 14. Исследователь нажатием кнопки подает сигнал на одно из устройств подачи корма 14, что приводит к работе мотора 14в, который вращает металлический круглый диск 14а. Пока кормушка 14б расположена не над отверстием 15а, то свет от светодиода поглощается диском 14а. Как только кормушка 14б встает под отверстием 15а защитного кожуха 15, она останавливается, так как срабатывает датчик положения диска 14а, и устройство электронного управления клеткой 7 останавливает мотор 14в: свет от светодиода (на чертеже не показан), находящегося под диском 14а через одно из отверстий 21 в диске 14а попадает на фотодиод (на чертеже не показан), находящийся над диском 14а (светодиод и фотодиод образуют датчик положения диска 14а). Сигнал фотодиода управляет схемой, генерирующей электрический импульс, который поступает в систему управления клеткой 7, которая выключает мотор 14в. После обучения нажатию на педали 8 или потягиванию за кольца 9 срабатывание устройства подачи корма происходит автоматически без участия исследователя. В этом случае педаль 8 или кольцо 9 подают сигнал на соответствующее устройство подачи корма 14. Таким образом, при формировании инструментального пищедобывательного поведения на начальных этапах обучения подкрепление осуществляется исследователем посредством устройства управления устройством подачи корма 11, далее животное может добывать пищу посредством нажатия на педаль 8 или потягивания за кольцо 9. Также предусмотрена возможность формирования сигнального импульса при подходе к педалям 8, проходе животного вдоль середины стенки клетки.
Животное получает корм из кормушки 14б. Когда животное берет корм из кормушки 14б, то сигнал о том, что животное опустило голову в кормушку, поступает на пишущее устройство, например магнитофон или компьютер. При нажатии животным на педаль 8 или кольцо 9 на пишущее устройство подается сигнал о данном действии животного. Регистрация перемещений животного по клетке, подходов к педали 8 или кольцу 9, осуществляется с помощью фотоэлектрической пластинки, устанавливаемой на голове животного, и светодиодов, расположенных по боковым стенкам 1а и 1б клетки. Светодиоды и фотодиоды на внутренней стороне защитного кожуха 15 регистрируют опускание головы животного в кормушку. Датчики, регистрирующие нажатие педали 8 или подергивание кольца 9 представляют из себя ключи управления.
Помимо этого может вестись регистрация активности нейрона посредством микроэлектрода, который вводится в мозг животного посредством манипулятора, после чего животное в экспериментальной клетке осуществляет инструментальное пищедобывательное поведение, а потенциалы действия от нейрона поступают на записывающее устройство, например, магнитофон или компьютер. Поведенческая активность животного и потенциалы действия от нейрона пишутся синхронно. Анализ этих данных позволяет установить специализацию нейрона и связь его активности с актами поведения (см. SU 1507317 и SU 150731, 1989).
Таким образом, поведенческая активность (перемещение кролика в клетке, опускание и подъем головы, нажатие на педаль, потягивание за кольцо и т.д.) и активность нейронов могут синхронно записываться с помощью магнитофона или компьютера. Кроме этого ведется видеозапись поведения животного на видеокамеру - аналоговую или цифровую.
Во время проведения эксперимента испражнения животного поступают в раковину (на чертежах не показано), а от туда - в приемник испражнений 6. Раковина и приемник испражнений 6 образуют устройство сбора и слива испражнений животного.
Таким образом, за счет наличия двух педалей 8, двух колец 9, двух устройств подачи корма 14, возможности движения задней стенки 2 и движения педалей 8 и колец 9, клетка позволяет формировать одно и тоже пищедобывательное поведение, но по-разному, а также обеспечивать определение специализации нейрона. Кроме того, возможность перемещения стенки 2 в направлении к/от первой стенки 3 позволяет более точно определять специализацию нейрона. В частности, определить специализацию нейрона относительно акта подхода к педали, контролируя расстояние до педали. Например, при подходе животного к педали может наблюдаться активация нейрона, и если нейрон связан с актом подхода к педали, то перемещение стенки 2 (увеличение расстояния до педали) не приведет к уменьшению вероятности активации нейрона. Если же активность нейрона связана с любыми актами поведения в конкретном месте, то перемещение стенки 2 приведет к уменьшению вероятности активации нейрона. Таким образом, перемещение стенки 2 позволяет более точно установить специализацию нейрона и связь его активности с поведением.
Данная экспериментальная клетка позволяет контролировать большее количество параметров при эксперименте, более комфортна для животного (не загрязняется испражнениями животного), позволяет формировать циклическое инструментальное пищедобывательное поведение с разной последовательностью циклов и при разных условиях (более сложные стратегии научения) по сравнению с другими существующими устройствами; производить наблюдение за животным, регистрировать поведенческие акты животного и/или активность нейронов во время осуществления животным поведения; а также усовершенствовать сбор данных во время проведения эксперимента. Что в целом позволяет проводить исследование более удобно.