Ученые из Института перспективных исследований мозга и биологического факультета МГУ сообщили о создании нового дополнения к программному комплексу Sphynx. Это дополнение позволяет исследовать поведение грызунов в трехмерных средах. Оно дает возможность изучать формирование когнитивных карт и механизмы пространственной ориентации в условиях, максимально приближенных к природным, говорится на сайте учебного заведения.
Ранее большинство экспериментов проводились на 2D-аренах, то есть грызуны перемещались только по горизонтали. Реальное же поведение животных характеризуется использованием трех измерений: восхождениями, спуском и взаимодействием с многоуровневыми структурами среды обитания. Для учета этих факторов специалисты создали специальный трехмерный лабиринт и алгоритмы обработки данных, позволяющие реконструировать и детально анализировать движения животных в пространстве.
В ходе исследования мыши двигались по сложному 3D-лабиринту, состоящему из более чем 30 секций различной высоты и углов наклона. Основное внимание уделялось созданию метода слежения за движением животных с помощью одной камеры и системы DeepLabCut. Ученым удалось достичь высокой точности распознавания положения тела мышей даже при неблагоприятных условиях съемки: слабое освещение, яркие блики от акрила стен и изменение уровня света.
Чтобы компенсировать искажение перспективы при съемке сверху, ученые разработали алгоритм перевода двухмерных координат видео в трехмерную модель лабиринта. Также были введены топографические ограничения, основанные на физической структуре лабиринта. Они позволили восстанавливать траектории движения в тех участках, где прямой визуализации препятствовали перекрытия или зеркальные отражения. Благодаря этому стало возможным точное восстановление маршрута перемещения мышей даже в ситуациях частичной потери видимости.
Новый расширенный модуль анализа поведения может проводить оценку не только горизонтальных, но и вертикальных аспектов передвижения животного. Лабиринт автоматически классифицируется на отдельные участки: прямые, наклонные поверхности, подъемы и спуски, что позволяет получать детальные количественные характеристики поведения животных в зависимости от типа местности. Программный инструмент фиксирует, на каких уровнях и сегментах мыши предпочитают останавливаться дольше, какие области исследуют активнее и какую стратегию передвижения используют в процессе освоения незнакомого пространства.
«Наш подход позволил впервые получить точные количественные параметры навигации мышей в трехмерной среде. Такие данные особенно важны для понимания работы гиппокампа и формирования пространственной памяти в естественных условиях», — комментирует первый автор работы, лаборант Института перспективных исследований мозга МГУ Виктор Плюснин.
Разработанный модуль обладает открытой архитектурой и уже включен в состав программного комплекса Sphynx. Исходный код программы вместе с документацией размещен на платформе GitHub. Авторы отмечают, что разработанный инструментарий легко адаптируется к различным конструкциям лабиринтов и может применяться для анализа поведения других видов животных.
Ранее нейробиологи создали устройство для светового воздействия на мозг.