Mnogo toga što znamo o neurološkim i psihijatrijskim poremećajima kod ljudi može se pratiti do temeljnih studija o tome kako životinje, kao što su miševi, uče i prilagođavaju se različitim situacijama. Proučavanje bihejvioralnih odgovora bilo je prosvetljujuće, ali ovo samo govori deo priče.
Ponašanje je često praćeno fiziološkim promenama – kao što su skokovi otkucaja srca ili fluktuacije telesne temperature – koje mogu ukazivati na bolest ili odgovor na lek. Ali ove informacije je bilo skoro nemoguće prikupiti tokom testova ponašanja na životinjama, a da ne budu ometajuće. Sada bi novi uređaj mogao da ponudi neviđene uvide u osnovnu fiziologiju koja prati specifična ponašanja primećena kod miševa.
Istraživači su razvili bežični senzor bez baterija koji je, kada se implantira u miševe, bio u stanju da izmeri telesnu temperaturu i brzinu srca i disanja zajedno sa informacijama o ponašanju. Studija o dokazu koncepta objavljena u Neuronu izveštava o raznovrsnom nizu prethodno nedostupnih fizioloških podataka uzetih tokom različitih testova ponašanja, demonstrirajući široku primenljivost instrumenta. Autori sugerišu da bi uređaj mogao da otključa brojne puteve istraživanja, kao što su efekti poremećaja mozga i tretmani na san.
„Sposobnost kombinovanja čitanja fiziologije u skladu sa ponašanjem ima potencijal da značajno unapredi neuronauku i druga polja istraživanja“, rekao je koautor studije Cameron Good, dr, glavni istraživač NeuroLuk, Inc. i savetnik za hirurgiju životinja na Univerzitetu Northvestern.
Merenje otkucaja srca ili provera telesne temperature može zvučati jednostavno, ali sa tradicionalnim senzorima, koji zahtevaju žice za prenos podataka i baterije za napajanje uređaja, preuzimanje podataka od malih životinja tokom testova ponašanja je izazov.
Kabasta oprema može izazvati anksioznost kod miševa i ograničiti njihovo kretanje, stavljajući fiziološke podatke van domašaja tokom testova u kojima životinje spavaju, trče, plivaju ili komuniciraju sa drugim miševima.
Neuronaučnik po obrazovanju, Good se udružio sa Džonom Rodžersom, doktorom nauka, profesorom biomedicinskog inženjerstva na Univerzitetu Northvestern, kako bi razvio rešenje. Istraživači su zajedno dizajnirali i napravili lagani bežični uređaj, dovoljno mali da se ugradi ispod kože miševa bez ometanja kretanja ili izazivanja značajne iritacije.
Za napajanje, uređaj se oslanja na proces koji se naziva induktivno spajanje, gde spoljni izvor prenosi radio talase koji stvaraju električnu struju unutar sistema. Uređaj takođe ima bežični komunikacioni modul koji se obično koristi u pametnim uređajima, omogućavajući mu da kontinuirano prenosi podatke na računar.
Instrument sadrži minijaturni temperaturni senzor i akcelerometar visokih performansi za hvatanje vibracija u telu izazvanih različitim biološkim procesima – poput otkucaja srca, disanja i pokreta tela. Pošto se ovi procesi mogu odvijati istovremeno, sistem mora razlikovati različite vrste vibracija.
„Ovde je spasonosno to što vibracije povezane sa svakom aktivnošću pokrivaju različit opseg frekvencija. Srčani ciklusi proizvode mnogo više naglih događaja visoke frekvencije nego respiratorni ciklusi“, rekao je Rodžers, koautor studije.
Zbog ovih jedinstvenih vibracionih karakteristika, istraživači su bili u mogućnosti da razviju algoritme mašinskog učenja kako bi povezali različite komponente sirovih podataka sa određenim izvorima. Pored identifikacije disanja i otkucaja srca, uređaj bi takođe mogao da razlikuje fizičke aktivnosti, eliminišući potrebu da istraživači ručno dokumentuju stanja ponašanja dok gledaju potencijalno sate video zapisa.
U studiji, autori su implantirali nevezane uređaje u abdomen miševa blizu srca. Da bi demonstrirali neke od mogućih primena njihove tehnologije, proveli su miševe kroz širok spektar eksperimenata. Ovo uključuje test plivanja koji se obično koristi u studijama depresije i anksioznosti, testove motoričke funkcije i kognicije, kao i nekoliko studija o društvenim interakcijama.
Tokom eksperimenata, uređaj je omogućio autorima da dobiju fiziološke podatke u realnom vremenu i prikupe detalje koji inače ne bi bili dostupni. Na primer, tim je otkrio da kada smo bili svedoci fizičkog sukoba između dva druga miša, otkucaji srca su porasli kod mužjaka miševa, ali su ostali na ravnoj kobilici kod ženki miševa.
U drugom testu, autori su koristili uređaj za automatsko praćenje i fizioloških podataka i stanja ponašanja, uključujući hodanje, odmor i doterivanje, dok su miševi slobodno lutali svojim nastambama tokom 17 dana. Glavna implikacija ovog eksperimenta, objasnio je Gud, bio je potencijal njihove tehnologije u istraživanju spavanja, areni u kojoj su se fiziološki podaci kod miševa uveliko pratili da bi se steklo bolje razumevanje stanja kao što je apneja u snu.
Uprkos obećavajućim nalazima njihove studije, autori rade na proširenju uticaja ovog rada.
„Već smo isporučili desetine uređaja ljudima koji su zatražili tehnologiju za studije na više životinja, studije spavanja i buđenja i druge vrste koje su ranije bile nemoguće“, rekao je Rodžers.
Pored neuronauke, istraživači predviđaju primenu u kardiovaskularnim istraživanjima, razvoju lekova i mnogim drugim poljima.
„Ova studija je sjajan primer kako naučnici i inženjeri mogu da donesu jedinstvene, ali komplementarne skupove veština za rešavanje složenih problema u biomedicinskim istraživanjima“, rekla je dr Tifani Laš, direktor programa NIBIB u Odseku za zdravstvene informatičke tehnologije.
