ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ Южный федеральный университет

ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ
АКТИВНОСТИ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ
Южный федеральный университет
(344006 Россия, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105)
Проект выполняется в НИИ нейрокибернетики Южного федерального
университета аспирантом Рублевым Иваном Сергеевичем и студентом 3 курса
факультета физики Леви Михаилом Олеговичем. Руководитель проекта
Владимирский Борис Михайлович, адрес e-mail: bmv@krinc.ru .
Двигательная
активность
является
естественным
индикатором
анализаторной деятельности мозга животных и его функционального состояния.
Процессы, которые могут эффективно изучаться по двигательной активности
- это поведение при воздействии внешних факторов, формирование условных
рефлексов, определение функционального состояния животных, сравнительное
изучение особенностей разных видов поведения и др.
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. Несмотря на
информативность показателей двигательной активности, до настоящего времени
нет достаточно простой, надежной и объективной методики автоматической
регистрации поведения животных, в связи с чем, в большинстве работ попрежнему используется традиционный метод открытого поля с регистрацией
различных форм поведения самим экспериментатором вручную
Целью настоящей работы является создание виртуальной лаборатории для
дистанционного изучения двигательной активности мелких лабораторных
животных. Виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный
комплекс, обеспечивающий регистрацию, хранение, анализ и передачу по сети
Интернет параметров двигательной активности животных с использованием
разнообразных тестов в режиме реального времени.
Данный программно аппаратный комплекс позволит решать задачи, как в
сфере дистанционного образования, так и в области прикладных научных
исследований.
Существующие образовательные методики предполагают два варианта
организации и выполнения практикумов и лабораторных работ: либо специально
оборудованная лаборатория и лаборант или инженер, обладающий навыками
эксплуатации данного оборудования, либо использование интерактивных
имитационных моделей изучаемого процесса, выполненных в виде компьютерных
программ.
В случае дистанционного изучения дисциплин биологического цикла, вопрос
проведения практических занятий остается открытым. Здесь не представляется
возможным, по крайней мере, на современном уровне развития науки и техники,
создание достаточно адекватных виртуальных объектов имитирующих поведение
сложных живых организмов.
1
Виртуальная лаборатория предлагает решение
данной проблемы для
дистанционного образования. С помощью виртуальной лаборатории организуется
доступ по сети Интернет к реально существующей и функционирующей
лаборатории, содержащей необходимые учебные стенды для изучения активности
небольших лабораторных животных и квалифицированный персонал. Данный
подход особенно актуален, когда речь идет об уникальных лабораторных
установках.
Предлагаемая виртуальная лаборатория, включающая в качестве составной
части весокоординатную тензометрическую платформу, позволяет проводить
высокоточную регистрацию с представлением данных в цифровом виде
параметров движения животного, с которым проводится эксперимент. При этом,
программно-аппаратный комплекс реализует доступ к лабораторной установке по
сети Интернет. Он включает в себя программное обеспечение для распределения
времени доступа к установке, планирования и наблюдения за ходом эксперимента.
Аналоги подобного программно-аппаратного комплекса именно для
изучения двигательной активности животных в мировой практике неизвестны, как
в части автоматической регистрации параметров двигательной активности
лабораторного животного в ходе эксперимента, так и в части доступа к этим
данным по сети Интернет в режиме онлайн. Патентные исследования по данному
проекту не проводились, анализировались периодические зарубежные и
отечественные издания, в которых сообщается о новом лабораторном
оборудовании и используемых методиках.
Возможности виртуальной лаборатории позволяют регистрировать
следующие виды 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 в пространстве и до 5 мс по времени.
При необходимости регистрируемые данные могут дополняться
видеоизображением испытательного полигона. Длительность регистрации может
составлять от нескольких минут до нескольких часов или дней и ограничена
объемом свободной памяти на жестких дисках комплекса.
Комплекс позволяет использовать разные виды стимуляции и управления
поведением животного в процессе проведения эксперимента.
2
Рис.1. Структура виртуальной лаборатории.
Аппаратная часть экспериментального комплекса (рис.1) включает
испытательный полигон, состоящий из весокоординатной тензометрической
платформы и устройства регистрации вертикальных стоек животного. Получаемые
с полигона сигналы усиливаются и передаются на регистрацию. Регистрацией
данных пришедших с полигона обеспечивает компьютер, оснащенный платой
ввода-вывода (АЦП, ЦАПы, TTL-порты). Этот же компьютер управляет подачей
различных стимулов, которые могут устанавливаться на полигоне: акустические, в
т.ч. ультразвуковые, оптические, подача воды и пищи и др. Возможно
одновременное использование 16-ти независимых стимулирующих сигналов и
установка до 12 дополнительных датчиков активности животного.
Обязательной составной функцией виртуальной лаборатории является
предоставление отдаленному пользователю возможности следить за поведением
животного. С этой целью в составе стенда предусмотрена видеокамера и
отдельный компьютер, предназначенный для оцифровки видеоизображений.
Для централизованного хранения полученной информации используется
сервер, который получает данные от других машин комплекса по локальной сети.
Сервер также подключен к сети Интернет и является WEВ сервером. Он
обслуживает запросы внешних наблюдателей и позволяет вести дистанционное
наблюдение и управление экспериментом в реальном времени (с задержкой на
скорость соединения), а также получать все данные проведенного ранее
эксперимента.
3
Машина руководителя
лаборатории
Набор вебстраниц с
интерфейсом для
администрирования заявок
Произвольная ОС
Машина регистрирующая
данные с испытательного
полигона
Машины удаленных
пользователей
Сервер хранения и передачи
информации
на основе Dual Xeon
АЦП-ЦАП
Протокол HTTP
Протокол HTTP
Протокол передачи
Файлов Windows
Протокол HTTP
Протокол HTTP
Программа регистрирующая
позиционные данные и
управляющая ходом
эксперимента
Вэбсайт
(Вэбсервер Apache,
Интерпретатор PHP )
ОС Windows XP
Набор вебстраниц с
интерфейсом для
регистрации заявок на
использование
экспериментального
времени лаборатории
Машина регистрирующая
видеоизображение
Реляционная база данных (MySQL)
Видеокамера
Протокол
HTTP
Протокол
RTMP
Протокол
RTMP
Вебстраница с flash объектом
передающим на сервер
видеокартинку
ОС Windows XP
Медиасервер
(Flash Сommunication Server MX 1.6
или Red5 0.5)
Вебстраница с flash
объектом выводящим
позиционные данные,
видео картинку и
позволяющим
предъявлять стимулы
Произвольная ОС
ОС Windows 2003 Server
Локальная сеть
Интернет
Рисунок 2. Программное обеспечение комплекса.
Программное обеспечение (ПО) комплекса (рис.2) включает набор
программ, работающих под управлением ОС Windows. ПО компьютера,
работающего с полигоном, выполняет следующие функции: регистрация
4
перемещения животного в реальном времени с отображением на экране монитора
местоположения, траекторий движения, вертикальных стоек; выделение основных
поведенческих актов (покой, перемещение, груминг, локальная деятельность,
стойки, потребление воды и пищи). ПО обеспечивает также предъявление
стимулов в ходе испытаний в соответствии с выбранной схемой проведения
эксперимента. ПО позволяет работать как в режиме наблюдателя, так и в режиме
экспериментатора, когда стимулы включаются вручную посредством ввода
управляющих команд с клавиатуры.
ПО WEB сервера поддерживает режим дистанционного наблюдателя и
дистанционного экспериментатора. Дистанционные пользователи получают доступ
к лаборатории через WEB-интерфейс, с помощью которого могут наблюдать за
ходом эксперимента, подавать стимулы и управляющие воздействия в режиме
реального времени. Регистрация экспериментатора для выполнения эксперимента,
задание параметров эксперимента осуществляются через Интернет сайт с помощью
механизма заявок. Данный механизм позволяет распланировать время работы
лаборатории между удаленными пользователями, данный процесс координируется
руководителем лаборатории, также, посредством WEB-интерфейса. Конечное
Дистанционное управление экспериментом производиться под контролем
сотрудника лаборатории, который получает необходимые сообщения о заявках и
предварительно готовит лабораторию к назначенному эксперименту. По
окончанию эксперимента исходные и/или обработанные данные опыта могут быть
получены пользователем по e-mail или http-протоколу в виде файлов данных,
графиков, гистограмм, рисунков.
Таким образом, виртуальная лаборатория предоставляет дружественный
интерфейс регистрации заявок на эксперимент через Интернет. При этом
пользователи, планируя тот или иной эксперимент, имеют возможность выбирать
по своему усмотрению такие переменные как модальность стимулов; количество
стимулов; параметры стимулов; моменты подачи стимулов; способ подачи
стимулов и некоторые другие, в пределах возможностей существующих в
лаборатории.
Лаборатория может предоставлять следующие зарегистрированные и
обобщенные данные: траектории движения животного, протокол опыта (время,
поведенческий акт, координаты, стимулы и т.д.), интегральные показатели
(суммарные времена поведенческих актов, суммарный путь, скорости перемещения
и т.д.).
Может проводиться отложенное вычисление следующие числовых
показателей: координаты центра тяжести животного; моменты стоек; суммарная
диаграмма времени нахождения в выделенных состояниях; средняя скорость
передвижения; 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. Все численные данные могут
быть получены пользователем в формате «файл с разделителями табуляции»,
который совместим с большинством аналитических пакетов (Matlab, MathCAD,
STATISTICA, SPSS и др.).
Виртуальная лаборатория может помочь решить проблему получения
практических навыков в выполнении ряда лабораторных работ и практикумов для
учеников и студентов в процессе дистанционного образования. Может
5
применяться университетами для предоставления в дистанционном режиме
возможности учащимся выполнять широкий круг учебно-исследовательских задач
по изучению двигательной активности мелких лабораторных животных. С
помощью данной лаборатории может быть предоставлен как набор типовых задач,
так и собственная программа проведения опыта, составленная дистанционным
пользователем с возможностью управления экспериментом и стимуляцией, как в
ручном режиме, так и в автоматическом режиме по заранее составленному
алгоритму.
Виртуальная лаборатория может использоваться в научной работе для
выполнения автоматической регистрации параметров эксперимента. Применение
высокоточных технологий и отсутствие участия человека в ходе измерений
позволит считать получаемые данные достаточно объективными. Виртуальная
лаборатория позволит вести базу данных проведенных экспериментов, а сетевые
возможности лаборатории позволят организовать обмен этими данными на уровне
рабочей группы, внутри научного учреждения, между исследователями
дружественных институтов, расположенных в разных концах мира. В данном
контексте виртуальная лаборатория может быть предложена организациям и
фирмам, проводящим испытания лекарственных препаратов на животных.
Основными планируемыми результатами внедрения подобной лаборатории
является
предоставление
услуг
аутсорсинга
высокопрофессиональной
исследовательской лаборатории для удаленного заказчика. Возможно также
изготовление аппаратно-программного комплекса в разных модификациях для
конкретных заказчиков.
В качестве потенциальных клиентов рассматриваются образовательные
учреждения среднего и высшего образования, а также фирмы, проводящие
испытания лекарственных препаратов, осуществляющие проверку пищевых
продуктов и разнообразных химических товаров с использованием в качестве
подопытных мелких лабораторных животных.
6