Didžioji dalis to, ką žinome apie neurologinius ir psichikos sutrikimus žmonėms, gali būti siejama su pagrindiniais tyrimais, kaip gyvūnai, pavyzdžiui, pelės, mokosi ir prisitaiko prie įvairių situacijų. Elgsenos atsakymų tyrimas buvo įžvalgus, tačiau tai tik pasako dalį istorijos.
Elgesį dažnai lydi fiziologiniai pokyčiai, pvz., padidėjęs širdies susitraukimų dažnis ar kūno temperatūros svyravimai, kurie gali rodyti ligą arba atsaką į vaistą. Tačiau šios informacijos buvo beveik neįmanoma surinkti atliekant elgesio su gyvūnais bandymus, kad nebūtų trikdoma. Dabar naujas prietaisas gali suteikti precedento neturinčių įžvalgų apie pagrindinę fiziologiją, kuri lydi specifinį pelių elgesį.
Tyrėjai sukūrė belaidį jutiklį be baterijos, kuris, implantuotas pelėms, galėjo įvertinti kūno temperatūrą, širdies ir kvėpavimo dažnį bei elgesio informaciją. paskelbtas koncepcijos įrodymo tyrimas Neuronas pateikia daugybę anksčiau neprieinamų fiziologinių duomenų, paimtų atliekant įvairius elgsenos testus, parodančius platų prietaiso pritaikomumą. Autoriai teigia, kad prietaisas galėtų atverti daugybę tyrimų būdų, tokių kaip smegenų sutrikimų ir gydymo poveikis miegui.
„Gebėjimas derinti fiziologijos rodmenis kartu su elgesiu gali žymiai pagerinti neuromokslą ir kitas tyrimų sritis“, – sakė tyrimo bendraautorius Cameron Good, Ph.D., NeuroLux, Inc. vyriausiasis tyrimų pareigūnas ir gyvūnų chirurgijos patarėjas. Šiaurės Vakarų universitete.
Pelėms pritaikyta technika
Širdies ritmo matavimas arba kūno temperatūros tikrinimas gali atrodyti nesudėtingas, tačiau naudojant tradicinius jutiklius, kuriems reikia laidų duomenims perduoti, ir baterijų, skirtų įrenginiui maitinti, duomenų iš mažų gyvūnų atranka atliekant elgesio testus buvo sudėtinga.
Didelė įranga gali sukelti pelių nerimą ir apriboti jų judėjimą, todėl fiziologiniai duomenys tampa nepasiekiami atliekant bandymus, kurių metu gyvūnai miega, bėgioja, plaukia ar bendrauja su kitomis pelėmis.
Neurologo išsilavinimą turintis Gudas bendradarbiavo su Šiaurės Vakarų universiteto biomedicinos inžinerijos profesoriumi Johnu Rogersu, kad sukurtų sprendimą. Tyrėjai kartu suprojektavo ir pastatė lengvą belaidį įrenginį, pakankamai mažą, kad jį būtų galima implantuoti po pelių oda, netrukdant judėti ar nesukelti didelio dirginimo.
Energijos tiekimui prietaisas remiasi procesu, vadinamu indukcine jungtimi, kai išorinis šaltinis perduoda radijo bangas, kurios generuoja elektros srovę sistemoje. Įrenginys taip pat turi išmaniuosiuose įrenginiuose dažniausiai naudojamą belaidžio ryšio modulį, leidžiantį nuolat perduoti duomenis į kompiuterį.
Prietaise yra miniatiūrinis temperatūros jutiklis ir didelio našumo akselerometras, leidžiantis užfiksuoti kūno vibracijas, kurias sukelia įvairūs biologiniai procesai, pvz., plakanti širdis, kvėpavimas ir kūno judesiai. Kadangi visi šie procesai gali vykti vienu metu, sistema turi atskirti skirtingas vibracijų rūšis.
„Išgelbsti tai, kad su kiekviena veikla susijusios vibracijos apima skirtingą dažnių diapazoną. Širdies ciklai sukelia daug smailesnių, aukšto dažnio įvykių nei kvėpavimo ciklai”, – sakė tyrimo bendraautorius Rogersas.
Dėl šių unikalių vibracinių charakteristikų mokslininkai sugebėjo sukurti mašininio mokymosi algoritmus, kad būtų galima susieti skirtingus neapdorotų duomenų komponentus su konkrečiais šaltiniais. Be kvėpavimo ir širdies plakimo nustatymo, prietaisas taip pat gali atskirti fizinę veiklą, todėl tyrėjams nereikia rankiniu būdu dokumentuoti elgesio būsenas žiūrint galimas valandas trunkančius vaizdo įrašus.
Galimybių tyrinėjimas
Tyrimo metu autoriai į pelių pilvą šalia širdies implantavo nepririštus prietaisus. Siekdami parodyti kai kurias galimas jų technologijas, jie atliko daugybę eksperimentų su pelėmis. Tai apėmė plaukimo testą, dažniausiai naudojamą depresijos ir nerimo tyrimuose, motorinių funkcijų ir pažinimo testus, taip pat keletą socialinės sąveikos tyrimų.
Viso eksperimento metu prietaisas leido autoriams gauti fiziologinius duomenis realiu laiku ir išsiaiškinti detales, kurios kitu atveju būtų buvusios nepasiekiamos. Pavyzdžiui, komanda nustatė, kad stebint fizinį konfliktą tarp dviejų kitų pelių, pelių patinų širdies susitraukimų dažnis šoktelėjo, o pelių patelės išliko lygus.
Kito bandymo metu autoriai naudojo prietaisą, kad automatiškai sektų fiziologinius duomenis ir elgesio būsenas, įskaitant vaikščiojimą, poilsį ir tvarkymąsi, nes pelės laisvai klajojo savo aptvaruose per 17 dienų. Gudas paaiškino, kad pagrindinė šio eksperimento reikšmė buvo jų technologijos potencialas atliekant miego tyrimus – areną, kurioje buvo labai ieškoma pelių fiziologinių duomenų, siekiant geriau suprasti tokias sąlygas kaip miego apnėja.
Nepaisant daug žadančių tyrimo išvadų, autoriai stengiasi išplėsti šio darbo poveikį.
„Mes jau išsiuntėme daugybę įrenginių žmonėms, kurie paprašė technologijos, skirtos tyrimams su keliais gyvūnais, miego ir pažadinimo tyrimams ir kitoms rūšims, kurios anksčiau buvo neįmanomos“, – sakė Rogersas.
Be neurologijos, mokslininkai numato pritaikymą širdies ir kraujagyslių tyrimams, vaistų kūrimui ir daugelyje kitų sričių.
„Šis tyrimas yra puikus pavyzdys, kaip mokslininkai ir inžinieriai gali pateikti unikalių, bet vienas kitą papildančių įgūdžių rinkinį, kad išspręstų sudėtingas biomedicininių tyrimų problemas“, – sakė sveikatos informatikos technologijų skyriaus NIBIB programos direktorė Tiffani Lash, Ph.D. .