ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 5, с. 597-605
= МЕТОДИКА
УДК 612.821.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВИДЕОРЕГИСТРАЦИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ПИЩЕДОБЫВАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ У КРЫС
© 2013 г. И. С. Сташкевич, Д. А. Ивлиев
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: stashkevich@yandex.ru Поступила в редакцию 13.09.2012 г. Принята в печать 11.02.2013 г.
Описан метод высокоскоростной видеорегистрации пищедобывательных движений крыс (добывание пищи из узкой горизонтальной трубки — кормушки). Метод позволяет детально визуализировать выполнение движений и выявить характерные особенности каждого движения на разных этапах его выполнения. Вычленение в отдельных движениях различных компонентов позволяет одновременно оценить их временные показатели. С помощью этого метода появилась возможность расширить имеющиеся представления как о наличии отдельных фаз пищедобывательных движений, так и о характере их выполнения. Обсуждаются перспективы использования представленного метода для дальнейшего исследования и анализа тех закономерностей, которые участвуют в процессах обучения пищедобывательному латерализованному навыку и его реализации у крыс.
Ключевые слова: пищедобывательное поведение у крыс, латерализованный навык, баллистические движения.
Application of High-Speed Video Recording for Investigation of Food-Procuring Movements in Rats
I. S. Stashkevich, D. A. Ivliev
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: stashkevich@yandex.ru
Application of high-speed video recording of food-procuring movements in rats (obtaining food from a narrow horizontal tube) is described. The method was used to verify details of the performance of the movements and their temporal characteristics. This method expands the view both the single phases of food-procuring movement, and the nature of their execution. The possibilities of application this method for investigation of acquisition of lateralized motor skill in rats are discussed.
Keywords: food-procuring behavioral in rats, lateralized skills, ballistic movement. DOI: 10.7868/S0044467713050092
Для большинства видов животных существенными стадиями естественного пищедо-бывательного поведения являются: способность дотянуться до пищи, осуществить ее захват и донести до рта. Для понимания развития пищедобывательных двигательных реакций в эволюционном аспекте и выяснения их нервного контроля, а также для пони-
мания последствий различных повреждений моторной системы (травмы, инсульт и т.д.) исключительно важны исследования, проведенные на грызунах разных видов, с использованием различных пищедобывательных моделей [8, 9, 11—16].
Кроме того, очевидна также важность изучения пищедобывательного поведения в пла-
не фундаментальных исследований межполу-шарной двигательной асимметрии, в частности межполушарных различий в организации латерализованного двигательного поведения. Для выяснения механизмов, лежащих в основе этой организации, используется модель латерализованного инструментального рефлекса у крыс — добывание пищи из узкой горизонтальной трубки-кормушки.
Как было описано ранее, пищедобыва-тельное движение, выполняемое крысой (с использованием горизонтальной трубки-кормушки), является стереотипной реакцией, состоящей из трех различимых фаз, — экстензия передней лапы и пальцев (введение лапы внутрь кормушки), захват пищи и флексия передней лапы [1, 7, 10, 12, 13]. При осуществлении данного навыка большинство крыс используют одну, предпочитаемую ими конечность — правую или левую. Известно также, что крысы обычно в каждой пробе до выполнения движения, заканчивающегося успешным извлечением пищи, выполняют доминирующей конечностью несколько повторных попыток. При этом даже после интенсивной тренировки, т.е. при хорошо упроченном навыке, серия таких последовательных движений присутствует в подавляющем большинстве проб. Было показано, что выполнение предварительных движений не является следствием предыдущих неудач, а представляет собой организованную пространственно-временную последовательность движений, предшествующую успешному завершению задачи. Эти результаты позволили предположить, что движения, достигающие цели, обладают другими свойствами, чем предварительные неуспешные [3—5]. В пользу этого предположения свидетельствуют также данные о замедлении фазы быстрого поступательного компонента успешного движения после выполнения предварительных безуспешных движений у крыс-правшей [6]. Однако имевшийся ранее метод в арсенале этих исследований (оснащение кормушки фотодатчиками), а также высокая скорость выполнения движений не позволяли проводить подробную визуализацию этих движений и их детальный анализ. Таким образом, какие именно показатели выполняемых движений могут отражать механизмы, обеспечивающие точное выполнение пищедо-бывательной задачи, остается неясным.
Обязательным же условием исследования разных типов движений, участвующих в осуществлении латерализованного пищедобы-вательного навыка у крыс, является наличие точных данных о свойствах и организации этих движений. Наиболее подходящим методом получения данных об особенностях быстрых пищедобывательных движений может служить их скоростная видеорегистрация, позволяющая не только детально визуализировать последовательные этапы выполнения различных движений лапы, но и одновременно оценить пространственно-временные характеристики этих этапов.
В настоящей работе представлено описание метода скоростной видеорегистрации (100 кадров/с) для анализа пищедобывательных движений, возможности его использования и перспективы дальнейшего применения.
МЕТОДИКА
Исследование проводили на крысах-самцах линии Вистар массой 300—350 г. Правила работы с животными и протоколы экспериментов утверждены Этической комиссией ИВНД и НФ РАН. После 48-часовой пищевой депривации крыс обучали доставать корм — пищевые шарики массой 45 мг (Dustless Precision Pellets®, Bio-Serv®) лапой из узкой горизонтальной трубки-кормушки (внутренний диаметр 12 мм), прикрепленной в центре передней стенки камеры на высоте 5 см от пола. Обучение крыс продолжалось 6 экспериментальных дней, в течение которых крысы выполнили не менее 300 проб (по 50 проб в день). На трубке-кормушке, прикрепленной снаружи к передней стенке экспериментальной камеры, было нанесено пять отметок. Первая отметка находилась на расстоянии 10 мм от входа в кормушку, последняя — на расстоянии 30 мм. Расстояние между отметками равнялось 5 мм. Перед началом пробы трубка была закрыта стержнем-поршнем. Кормушку открывали вручную, и пищевые шарики вручную подавали в трубку через расположенное в ней отверстие (диаметр 10 мм в 50 мм от входа в кормушку). Пищу передвигали с помощью поршня обычно на расстояние 20—30 мм от входа в кормушку, что соответствовало положению пищевого шарика между третьей и пятой отметками. Кормушку вручную закрывали до следующей пробы
только после того, как крыса доставала пищевой шарик.
Видеорегистрацию осуществляли монохромной видеокамерой A602f, Basler AG™, расположенной сбоку от экспериментальной камеры на расстоянии 20 см и оснащенной короткофокусным объективом Navitar™ DO-1212. Под кормушкой располагали зеркало, повернутое на 45 град. относительно вертикальной оси и направленное к видеокамере. Это позволяло проводить видеорегистрацию одновременно в двух проекциях (сбоку и снизу кормушки) одной видеокамерой. Параметры видеорегистрации: частота — 100 кадр/с, время затвора — 1 мс, освещение — лампа накаливания 60 Вт или галогеновая лампа 12 В, 1.5 Вт. Управление видеокамерой осуществляли через мультифункциональную плату NI PCI-6251 National Instruments™. Видеоданные сохраняли на компьютере Pen-tium-4 3 ГГц через интерфейс IEEE 1394 в формате AVI. Для управления видеокамерой и сохранения данных на компьютере, а также для первичной обработки видеоданных в лаборатории были написаны оригинальные программы.
Видеоданные обрабатывали в два этапа. На первом этапе проводили покадровый просмотр видеоданных (интервал между кадрами 10 мс), находили ключевые моменты пище-добывательных движений и отмечали время появления этих поведенческих маркеров. Все измерения начинались со стартовой позиции лапы, когда поднятая от пола лапа с сомкнутыми пальцами занимала такое положение возле отверстия в кормушке, после которого следовало движение лапы внутрь. Амплитуда движения в каждый данный момент при поступательном движении лапы соответствовала положению когтя концевой фаланги третьего пальца по отношению к отметкам, нанесенным на наружную сторону кормушки. При движении в обратном направлении, когда пальцы, как правило, согнуты, амплитуда оценивалась по шаровидным головкам ди-стальных костей пясти в каждый данный момент, и оценка заканчивалась после их исчезновения за стенкой кормушки.
На этапе вторичной обработки данных производился анализ временных показателей, полученных на первом этапе обработки.
Статистическую обработку проводили с помощью Statistica 6.0©, StatSoft Inc.
В дополнительных материалах представлены демонстрационные видеофайлы. В случае отсутствия возможности покадрового просмотра видеофайлов представлены архивные файлы, содержащие последовательные кадры из видеофайлов, на которые ссылается текст. Эти кадры даны в формате JPG. Например: Video1.avi и его фрагмент Videol Selected.zip (Image0.jpg — Image84.jpg).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Ключевые моменты выполнения пищедо-бывательного движения иллюстрирует Video1 (Дополнительные материалы Video1 и Video1 Selected). Стартовая позиция лапы — 110-я миллисекунда (image 11), последовательные моменты поступательного движения лапы к цели — 140—190-я миллисекунды (image 14— image 19), момент достижения цели — 200-я миллисекунда (image20), выполнение мани-пуляционных движений пальцами, предшествующих захвату пищи, — 210-240-я миллисекунды (image21—image24), момент начала стадии флексии лапы с прихваченной пищей и незавершенным захватом (пальцы еще полностью не сжаты) — 250-я миллисекунда (image25), полностью сформированный захват пищи — 340-я мил
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.