Устройство для исследования целенаправленной деятельности мелких лабораторных животных

Изобретение относится к области биологии и может быть использовано для исследования условно-рефлекторной деятельности мелких лабораторных животных.

Известно устройство для исследования высшей нервной деятельности животных, представляющее собой камеру, выполненную в виде концентрических внутреннего и наружного полых цилиндров, соединенных отсеками с шарнирно закрепленными дверками и съемными прозрачными перегородками [авторское свидетельство СССР №1410942]. Внутренний цилиндр имеет электродный пол, а наружный оборудован источниками света (лампами накаливания). Устройство функционирует следующим образом. В цикле обучения животное свободно перемещается из внутреннего цилиндра во внешний через отсеки. Если этого не происходит, осуществляется воздействие на биообъект электрическим током, подаваемым на электродный пол, что вынуждает его осуществить указанное перемещение, после чего животное извлекают и помещают во внутренний цилиндр.

В ходе исследования высшей нервной деятельности задействуются источники света. После включения всех ламп накаливания фиксируется время, в течение которого животное реагирует на данный раздражитель и осуществляет попытку перехода из внутреннего цилиндра.

Другой вариант функционирования устройства предназначен для исследования способности животного выполнять задание с выбором, заключающийся в том, что биообъект должен открыть дверцу именно того отсека, напротив которого включен источник света.

Недостатком данного устройства является то, что лабораторное животное не имеет возможности видеть одновременно все источники света, в частности те, к которым оно повернуто хвостом, что усложняет выполнение им условного рефлекса.

Известно устройство под названием «челночная камера», предназначенное для исследования у подопытных животных реакции активного избегания [Зорина З.А., Полетаева И.И. Зоопсихология. Элементарное мышление животных: Учебное пособие - М.: Аспект Пресс, 2007, с. 74]. Челночная камера представляет собой бокс разделенный перегородкой на два отсека. Перегородка имеет отверстие для перемещения животного. Оба отсека оборудованы токопроводящим полом. Кроме того, челночная камера имеет источник оптического или акустического излучения, который используется для подачи условного сигнала подопытному животному.

Биообъект помещается в один из отсеков. Сначала включается условный сигнал, после чего подается ток на токопроводящий пол в отсеке, где находится животное. Чтобы избежать болевого воздействия, биообъект перебегает в другой отсек. По прошествии небольшого периода времени (как правило, его продолжительность варьируют, чтобы не вырабатывать у животного условного рефлекса на время) ток включают в том отсеке, куда оно перед этим перебежало. Условный рефлекс считается выполненным, если животное перебегает в безопасный отсек во время действия условного сигнала и до включения тока. Недостатком данного способа является то, что он предусматривает обучение биообъектов двустороннему избеганию в условиях отсутствия постоянной безопасной зоны в камере, что ведет к значительной выбраковке и удлинению времени обучения. Кроме того, данный способ не исключает возможность спонтанного перемещения животного по камере, так как оно может предвосхитить появление условного сигнала и начать движение в противоположный отсек, дабы избежать возможного наказания в виде электрического тока.

Известно устройство для выработки и исследования условных рефлексов у животных [авторское свидетельство СССР №1576163]. Устройство представляет собой лабиринт, состоящий из центральной площадки, соединенной с отсеками, которые расположены в горизонтальной плоскости под равными углами друг к другу. Отсеки снабжены лампами накаливания для зрительного раздражения. В верхней части лабиринта установлен звуковой раздражитель-динамик. Кроме того, отсеки и центральная площадка имеют токопроводящий пол. Устройство оснащено ЭВМ, которая управляет подачей раздражителей, а также осуществляет фиксацию перемещений животного по лабиринту.

Испытуемое животное помещают в один из отсеков лабиринта. Условный сигнал в виде оптического раздражителя подается в отсек, где не находится животное. Одновременно с этим может подаваться звуковой раздражитель. Животное должно произвести перемещение в освещенный отсек.

После этого «стартовым» становится тот отсек, куда переместилось животное.

В процессе функционирования устройства осуществляется периодическая подача раздражителей в различные отсеки через определенные интервалы времени. При этом токопроводящий пол задействуется только в тех отсеках, где не включены лампы накаливания. Использование ЭВМ полностью автоматизирует процесс исследования.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Его главным недостатком является затрудненность обеспечения одинаковых условий выполнения подопытным животным условного рефлекса с увеличением числа отсеков. При этом наиболее благоприятные условия реализуются в случае, когда число отсеков равно 3 и они подсоединены к центральной площадке по углом 120 градусов друг к другу. Таким образом, исследовательский лабиринт принимает Y-образную структуру. Однако подобная структура лабиринта ограничивается только двумя возможными направлениями движения подопытного биообъекта. Это предполагает возможность его спонтанного перемещения по лабиринту.

Если число отсеков равно 4, то лабиринт приобретает крестообразную структуру (угол между отсеками равен 90 градусов). В этом случае у испытуемого животного есть возможность воспринимать непосредственно сам оптический раздражитель, только если лампа находится в прямо противоположном отсеке. В ином случае, находясь на стартовой позиции, оно сможет наблюдать только отраженный свет от лампы в районе центральной площадки. Тогда для выполнения условного рефлекса биообъекту потребуется сначала переместиться на центральную площадку и только после этого определить направление дальнейшего движения. В результате существенно увеличится время выполнения условного рефлекса испытуемым животным, а задачи по передвижению в противоположный и в боковые отсеки будут неравнозначными.

Увеличение числа отсеков исследовательского лабиринта ведет к дальнейшему усложнению восприятия биообъектом оптических раздражителей.

Кроме того, при любом количестве отсеков биообъект (например, лабораторная крыса) перемещается в направлении лампы накаливания головой вперед и для того, чтобы увидеть оптический раздражитель (или свет от оптического раздражителя) в другой части лабиринта, ему необходимо осуществить разворот на 180 градусов, что также приведет к существенному увеличению времени выполнения условного рефлекса. В результате этого при полной автоматизации исследований может иметь место наказание животного электрическим током даже при выполнении им правильного действия, что будет способствовать стрессированию биообъекта и последующей выбраковке.

Решаемая задача состоит в разработке устройства, исключающего недостаток прототипа.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в разработке устройства, обеспечивающего исследование целенаправленной деятельности биологического объекта и исключающего недостатки прототипа.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в известном устройстве для выработки и исследования условных рефлексов у животных, содержащем исследовательский лабиринт, оборудованный

электрифицированными токопроводящими полами и оптическими раздражителями, и управляющую ЭВМ, согласно изобретению исследовательский лабиринт выполнен со стартовым отсеком, оборудованным шарнирно закрепленной прозрачной дверкой и радиальными отсеками, при этом напротив стартового отсека выполнены радиальные отсеки под равными углами друг к другу, обеспечивающие зрительное восприятие животным любого из имеющихся оптических раздражителей, а количество радиальных отсеков больше двух.

Устройство функционирует следующим образом. Исследуемый биообъект (белая лабораторная крыса) помещают в стартовый отсек. Условным сигналом для подопытного животного является включение оптического раздражителя (лампы) в одном из радиальных отсеков. Одновременно в других радиальных отсеках, кроме отсека с задействованным оптическим раздражителем, подается ток на электрифицированные полы, реализуя принцип «где есть свет - там нет тока». В случае отсутствия реакции со стороны биообъекта на оптический раздражитель в течение некоторого отрезка времени осуществляется подача тока на электрифицированный пол стартового отсека, что вынуждает животное покинуть его. После перемещения биообъекта в «правильный» радиальный отсек происходит обесточивание электрифицированных полов в установке, а подопытный биообъект вынимается экспериментатором из радиального отсека и перемещается в стартовый отсек.

Включение лампы и подача тока на электрифицированные полы в радиальных отсеках осуществляется автоматически с помощью ЭВМ, что исключает какую-либо очередность подачи раздражителей в радиальные отсеки и позволяет ввести эвристический компонент в действия животного и минимизировать возможности спонтанного перехода.

В подтверждение критерия "промышленная применимость" рассмотрим пример конкретного выполнения устройства.

На фиг. 1 представлено устройство для исследования целенаправленной деятельности мелких лабораторных животных.

На фиг. 1:

1 - стартовый отсек;

2 - радиальные отсеки;

3 - электрифицированный токопроводящий пол;

4 - оптические раздражители (лампы);

5 - датчики перемещения;

6 - шарнирно закрепленная прозрачная дверка стартового отсека;

7 - управляющая ЭВМ.

В исходном состоянии лампы в радиальных отсеках погашены, электрифицированные полы обесточены, дверка стартового отсека заблокирована.

Цикл работы устройства состоит в следующем. Исследуемый биообъект (белая лабораторная крыса) помещается в стартовый отсек 1. Управляющая ЭВМ 7 случайным образом выбирает один из радиальных отсеков 2 и подает команду на включение в нем оптического раздражителя (лампы) 4, в остальных радиальных отсеках на подачу тока в электрифицированные полы 3, а также на разблокирование прозрачной дверки стартового отсека 6. В случае отказа биообъекта покинуть стартовый отсек через определенный промежуток времени ЭВМ 7 дает команду на подачу тока в электрифицированный токопроводящий пол стартового отсека, что заставляет животное переместиться в один из радиальных отсеков. Перемещение биообъекта из стартового отсека 1 в радиальный отсек с включенным оптическим раздражителем 4 фиксируется датчиками 5. После перемещения исследуемый биообъект изымается экспериментатором из радиального отсека.

Далее устройство переводится в исходное состояние, после чего цикл его работы повторяется.