ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 2, с. 240-245
= МЕТОДИКА
УДК 612.08
МЕТОД ИСПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ПРИ ВИДЕОТРЕКИНГЕ ЖИВОТНЫХ В БАССЕЙНЕ МОРРИСА
© 2014 г. В. А. Коршунов
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва,
e-mail: vkorshunov@ihna.ru Поступила в редакцию 14.08.2013 г. Принята в печать 16.12.2013 г.
Исследования корреляций между нейронной активностью и поведением требуют объективного измерения перемещений животного. Для этого используют видеозапись с последующим анализом видеоизображений. Особенности регистрации нейронной активности в бассейне Морриса требуют установки видеокамеры под углом к поверхности воды, что приводит к перспективным искажениям изображений и как следствие — к ошибкам в анализе траектории. В статье предлагается метод исправления перспективных искажений.
Ключевые слова: крысы, бассейн Морриса, нейронная активность, видеотрекинг, перспективные искажения.
Method for Correction of Perspective Distortions during Videotracking of the Animal in Morris Watermaze
V. A. Korshunov
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: vkorshunov@ihna.ru
Analysis of correlations between the neuronal activity and animal behavior requires recordings of neuronal activity combined with video tracking. Recordings of neuronal activity in animals performing spatial task in Morris water maze requires angular position of recording camera to avoid "dead zones". If optical axe forms the angle with the water surface, perspective distortions occur. This leads to false results in analysis of trajectories. The paper suggests the method for correction of perspective distortions.
Keywords: rats, Morris water maze, neuronal activity, video tracking, perspective distortions. DOI: 10.7868/S0044467714020117
Пространственная задача в бассейне Морриса [Morris, 1981, 1984] широко применяется для исследования механизмов гиппокамп-зависимых форм обучения, а также поведенческих нарушений у генетически модифицированных животных [Nakazawa et al., 2002, 2004]. Самым распространенным критерием оценки поведения животного в бассейне является время, затрачиваемое животным на достижение подводной платформы. Однако этот параметр паллиативен, поскольку зависит не только от обучения, но и от расстояния между местом запуска и платформой, от физического состояния животного, степени его
усталости, от побочных действий препаратов, используемых в эксперименте. Например, побочным действием блокаторов NMDA-ре-цепторов являются сенсомоторные нарушения [ТпсЫеЪапк, 1989], в результате которых экспериментальное животное хуже плавает, чем его визави из контрольной группы. Под действием блокаторов D2-рецепторов животное может зависать в воде, что увеличивает время попытки, не влияя на правильность решения задачи (рис. 1).
Отношение длины пути, проделанного животным в воде, к кратчайшему расстоянию
Рис. 1. Сравнение хорошо обученных крыс из экспериментальной и контрольной групп. График под траекторией отражает скорость перемещения животного в каждом кадре, где 80 см/с — полная шкала графика, V — максимальная скорость плавания животного, v — средняя скорость за время попытки. Вертикальными пунктирными линиями отмечены моменты, когда животные нашли платформу. После интраперитонеальной инъекции раклоприда (2 мг/кг) средняя скорость плавания экспериментальной крысы (А) была всего 9 см/с, тогда как у контрольной (Б) она превышала 22 см/с. В результате экспериментальное животное проплывает тот же путь за большее время (12 с), чем контрольное (4.8 с). При этом обе крысы решают задачу одинаково правильно, поскольку длины тректорий (w) и отношения (w/m) длин траекторий к кратчайшим расстояниям (m) до платформы почти одинаковы. Fig. 1. The comparison between the well experienced rats from experimental and control groups. Histograms show the velocity of the animals in each frame. The full scale — 80 cm/s, V — maximal velocity of swimming, v — average velocity in the trial. Vertical dotted lines mark the moments when the animals found the underwater platform. The average velocity of swimming in experimental rat (A) was only 9 cm/s after intraperitoneal injection of raclopride (2mg/kg). In control rat (Б) it was more than 22 cm/s. Thus, experimental animal spend more time (12 s) to reach the platform than the control one (4.8 s). In spite of this, both rats solved the task correctly, because the absolute lengths of their trajectories (w) and relationships (w/m) between the ways and the shortest distances (m) to the platform are very close to each other.
между платформой и точкой запуска животного в бассейн, следует считать наиболее адекватным методом оценки поведения животного при решении пространственной задачи, которая фактически сводится к правильному выбору направления. При правильном выборе длина пути приближается к кратчайшему расстоянию, а в случае ошибки увеличивается, что позволяет количественно оценивать обучение. Также, принимая кратчайшее расстояние до платформы за 100%, можно нормировать все попытки животного независимо от места запуска. Для измерения перемещений животного используют видео-
запись с последующей обработкой изображений. Для этого над бассейном устанавливают длиннофокусную видеокамеру, отъюстированную по центру. Сейчас существует возможность сочетать анализ поведения животного в бассейне Морриса с регистрацией нейронной активности и ЭЭГ [КогеЬипоу, Ауегкт, 2007; КогеЬипоу, 2012]. Подобные эксперименты широко применяются в "сухопутных" задачах, где для регистрации ЭЭГ или нейронной активности используют различные варианты телеметрии, что позволяет отказаться от проводов. К сожалению, такой подход пока неприменим при регистрации
-4 -.
tgdbid-
fad-
O
Рис. 2. Установка видеокамеры и вид на бассейн сбоку. А — при установке камеры (2) по центру бассейна (1) под подвесом с антиротационными контактами (3) возникает зона, недоступная для наблюдения (4). Б — при такой установке камеры подвес предусилителя не мешает трекингу. В—Г — вид на бассейн сбоку и геометрические построения для расчетов. Вид по стрелкам A—A' показан на рис. 3. Объяснение в тексте.
Fig. 2. The position of video camera and the side view of the water maze. А — if camera (2) is fixed above the center of the water maze (1) the "dead zone" (4) occurs under the hanging system with the swivel (3). Б — in this case the swivel do not disturb the tracking of the animal. В—Г — side view of the water maze and geometric constructions for calculations. A—A' view is shown on fig. 3. For more details see the text.
нейронной активности в воде. Существующие устройства для телеметрии громоздки и тяжелы для плавающих животных, кроме того, не обеспечены защитой от воды. Исследования нейронной активности в бассейне Морриса требуют системы подвеса проводов и антиротационных контактов, которые должны находиться над центром бассейна. В результате под подвесом возникает "мертвая зона", недоступная для наблюдения (рис. 2, А). Поднять подвес на уровень длиннофокусной камеры нельзя, поскольку это ведет к удлинению проводов от предусилителей и
возрастанию паразитной емкости кабеля, искажающей полезный сигнал. Опускать камеру на уровень подвеса также не следует, поскольку это требует короткофокусного объектива, вызывающего сильные искажения изображения на периферии. Наиболее разумным выходом будет установка длиннофокусной видеокамеры под углом к поверхности воды так, чтобы система подвеса проводов не мешала трекингу животного (рис. 2, Б). Однако в этом случае возникают перспективные искажения (см. рис. 3, вид А—А), ведущие к ошибкам при измерении перемещений животного, особенно в удаленных от видеокамеры участках бассейна, причем ошибка будет расти с ростом длины пути. В настоящей статье предлагается метод исправления искажений линейной перспективы, что позволяет восстановить истинную длину траектории, проделанной животным в воде.
МЕТОДИКА
Линейная перспектива предполагает коническое проецирование объекта на плоскость, где строится изображение. Эта мнимая плоскость (см. рис. 2, В, вид А—А') всегда перпендикулярна оптической оси ОР и находится на некотором расстоянии \ОС\ от точки проецирования О. Объектив видеокамеры "видит" только часть этой плоскости, которая представляет собой прямоугольник (рис. 3, вид А—А'). В отличие от ортогональной проекции при коническом проецировании соотношения видимых размеров бассейна по вертикали и горизонтали недостаточно для вычисления угла, под которым камера "видит" бассейн, поскольку при том же соотношении размеров угол зависит от дистанции до бассейна. Однако если дистанция известна, необходимости вычислять угол нет, и задача сводится к простым планиметрическим построениям, решаемым с помощью теоремы Пифагора и через подобие треугольников (рис. 2, В и Г). Камеру следует установить над краем пустого бассейна, сфокусировать на дне и измерить вертикальное расстояние от объектива видеокамеры до дна Н = \ОВ | (рис. 2, В). Потом найти точку на дне бассейна, которая проецируется в центр изображения, и измерить горизонтальное расстояние от вертикальной проекции камеры на плоскость дна до этой точки Ь = \ВР\ (рис. 2, В). Поскольку видеокамера установлена стационарно, измеренные величи-
3
Рис. 3. Исправление перспективных искажений траектории. Слева — исходное изображение бассейна (вид по стрелкам A—A', см. рис. 2). При данном угле установки камеры подвес предусилителя с антиротационными контактами находится вверху экрана и не мешает трекингу, однако заметны перспективные искажения (овальная форма бассейна). Справа — траектория после перспективной коррекции. Обозначения как на рис. 2.
Fig. 3. Сorrection of perspective distortions of the trajectory. The image of the water maze is shown in the left (A—A view, see fig. 2). If the optical axe of the camera forms such an angle with the water surface, swivel and hanging system are in the upper part of the screen and do not disturb tracking, but perspective distortions occur (note the oval form of
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.