Experiences in automating physiological experiments
DOI:
https://doi.org/10.33910/2687-1270-2022-3-3-318-335Keywords:
automation of scientific research, hardware and software, automated physiological experiment, processing of electrophysiological signalsAbstract
The article describes experiences accumulated over the past decades by I. P. Pavlov Institute of Physiology RAS. They are related to the development and implementation of automation systems for physiological experiments. The article provides examples of developing hardware tools for measuring signals, converting them into digital form, data entry and accumulation to be used on general-purpose computers as well as systems of mini-computers, micro-computers, personal computers and custom-made problem-oriented hardware modules for automating physiological experiments in the main areas of research conducted at Pavlov Institute of Physiology. The article also focuses on the conceptual development of problem-oriented software, data base management systems, and graphical display of results. In particular, it discusses several cases of the development of hardware and software modules for various physiological experiments: modules used in the system for the assessment of the functional state of human respiratory muscles, the examination of contractile function of blood vessels and nodes of the circulatory and lymphatic systems, for monitoring changes in the frequency of impulse activity of neurons, for organizing a controlled electrical effect on a laboratory animal in behavioral experiments, for measuring the vital parameters of laboratory animals in experiments on the mechanisms of visceral pain.
References
ЛИТЕРАТУРА
Александрова, Н. П., Погодин, М. А., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (2013) Прибор для оценки функционального состояния дыхательных мышц пациента. Патент по заявке № 122865 от 03.07.2012. СПб., Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН.
Венцов, А. В., Надпорожская, Е. В., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1990) Исследование восприятия речи: Организация интерактивного режима обработки речевых сигналов. Сенсорные системы, т. 4, № 3, с. 327–330.
Вершинина, Е. А., Данилов, Ю. П., Орел, Е. Л. и др. (1991) Использование ритмографического метода для контроля состояния животного. Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова, т. 77, № 7, с. 99–103.
Глезер, В. Д. (1993) Зрение и мышление. Л.: Наука, 284 с.
Данилов, Ю. П., Жаков, М. Л, Солнушкин, С. Д. и др. (1984) Автоматизация электрофизиологического эксперимента. Управляющие системы и машины, № 4, с. 83–87.
Данилов, Ю. П., Новиков, Г. И., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1987) Автоматизированная система для исследования рецептивных полей нейронов зрительной системы. Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова, т. 73, № 4, с. 551–554.
Дик, И. Г., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н., Штром, В. Ф. (1993) Организация аппаратно-программных средств для автоматизации исследований по физиологии кровообращения. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 79, № 2, с. 115–120.
Дудкин, К. Н., Гаузельман, В. И. (1979) Автоматизация нейрофизиологического эксперимента. Л.: Наука, 159 с.
Ермолин, С. И., Семенов, Д. Г., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1992) Информационный листок Центра научно-технической информации № 656–92. Автоматизация флюорометрических исследований. СПб.: [б. и.].
Жаков, М. Л., Першин, Ж. А., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1984) Организация многомашинного комплекса для автоматизации лабораторных исследований. Управляющие системы и машины, № 1, с. 23–26.
Иванов, К. П., Арокина, Н. К., Волкова, М. Ф. и др. (2000) Физиологическая блокада механизмов холодового паралича. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 86, № 6, с. 692–702.
Иванов, К. П., Клещев, А. С. (1975) Биологический вычислительный центр. Л.: Наука, 140 с.
Копейкин, М. А., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1988) Модуль «селектор-формирователь» для обработки на ЭВМ импульсной активности нейронов. В кн.: Средства автоматизации физиологических исследований. Л.: Наука, с. 46–50.
Кузнецова, Т. Г., Радченко, М. В., Родина, Е. А. и др. (2007) Сравнительный анализ вариабельности сердечного ритма ребенка 4–5 лет и шимпанзе в процессе целедостижения. Вестник СамГУ. Естественно-научная серия, № 2 (52), с. 189–203.
Любашина, О. А., Сиваченко, И. Б., Бусыгина, И. И. (2021) Амигдалофугальная модуляция висцеральной ноцицептивной трансмиссии в каудальной вентролатеральной ретикулярной области продолговатого мозга крысы в норме и при кишечном воспалении. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 107, № 10, с. 1–16. https://doi.org/10.31857/S086981392110006X
Любимов, Я. А., Изварина, Н. Л., Емельянов, Н. А. и др. (2001) Влияние различных концентраций кортиколиберина на долговременную потенциацию срезов обонятельной коры мозга крыс. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 87, № 4, с. 543–548.
Молодцов, В. О., Чихман, В. Н., Солнушкин, С. Д. (1999) Аппаратно-программное обеспечение АРМ физиолога. Приборы и системы управления, № 3, с. 15–19.
Молодцов, В. О., Смирнов, В. Ю., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (2013a) Измерительное устройство с радиоканалом передачи данных. Приборы и техника эксперимента, № 5, с. 136–137. https://doi.org/10.7868/S0032816213050212
Молодцов, В. О., Смирнов, В. Ю., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (2013b) Устройство для измерения частоты спайков. Приборы и техника эксперимента, № 6, с. 88–89. https://doi.org/10.7868/S0032816213060062
Орел, Е. Л., Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (1988) Взаимодействие экспериментатора с ЭВМ в автоматизированном физиологическом эксперименте. В кн.: Автоматизированные системы реального времени для эргономических исследований. Тарту: [б. и.], с. 66–68.
Пантелеев, С. С., Чихман, В. Н., Молодцов, В. О. (1996) Автоматизированная электрофизиологическая установка для исследования моторной функции желудочно-кишечного тракта анестезированной крысы. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 82, № 4, с. 135–140.
Панькова, М. И., Лобов, Г. И., Чихман, В. Н., Солнушкин, С. Д. (2011) Эффекты гистамина на сократительную активность капсулы лимфатических узлов. Роль NO. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 97, № 6, с. 633–640.
Першин, Ж. А., Чихман, В. Н. (1978) Система накопления и обработки экспериментальных данных. В кн.: Автоматизация экспериментальных физиологических исследований. Л.: [б. и.], с. 76–80.
Подвигин, Н. Ф., Макаров, Ф. Н., Шелепин, Ю. Е. (1986) Элементы структурно-функциональной организации зрительно-глазодвигательной системы. Л.: Наука, 185 с.
Рыжова, И. В., Ноздрачев, А. Д., Тобиас, Т. В. и др. (2016) Метаботропные глутаматные рецепторы как мишень нейромодулирующего влияния оксида азота. Доклады Академии Наук, т. 469, № 1, с. 116–118. https://doi.org/10.7868/S0869565216190300
Сегизбаева, М. О., Александрова, Н. П. (2014) Применение индекса «напряжение–время» для оценки функционального состояния инспираторных мышц. Нормальная и патологическая физиология. Ульяновский медико-биологический журнал, № 2, с. 78–84.
Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (2015) Программные средства для анализа импульсной активности в нейроэксперименте. Биомедицинская радиоэлектроника, № 6, с. 35–39.
Солнушкин, С. Д., Чихман, В. Н. (2017) Организация вычислительных процессов для физиологических исследований дыхания. Биомедицинская радиоэлектроника, № 3, с. 48–54.
Чистович, Л. А., Чихман, В. Н., Огородникова, Е. А. (1981) Новый подход к определению фонетической близости стимулов и его проверка в автоматизированном эксперименте. Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова, т. 67, № 5, c. 704–711.
Чихман, В. Н. (1975) Ввод в ЭВМ «Днепр-21» импульсной активности нейронов с цифровой адаптацией. Управляющие системы и машины, № 1, с. 135–137.
Чихман, В. Н. (1979) Система ввода-вывода речевых сигналов на ЭВМ М4030 для экспериментальных исследований восприятия речи. Управляющие системы и машины, № 2, с. 91–94.
Чихман, В. Н., Макаревич, А. В., Першин, Ж. А., Гехман, Б. И. (1974) Работа ЭВМ Днепр-21 в реальном масштабе времени. Физиологический журнал СССР им. И. М. Сеченова, т. 60, № 4, с. 644–647.
Чихман, В. Н., Солнушкин, С. Д., Молодцов, В. О. и др. (2019) Способ определения порога болевой чувствительности лабораторных животных и устройство для его осуществления. Патент по заявке № 2687866 от 16.05.2019. СПб., Институт физиологии им. И. П. Павлова. РАН.
Чихман, В. Н., Солнушкин, С. Д., Молодцов, В. О., Смирнов, В. Ю. (2020) Устройство для электрораздражения лабораторных животных на основе использования генератора тока. Приборы и техника эксперимента, № 2.с. 161–162. https://doi.org/10.31857/S0032816220010206
Шелепин, Ю. Е. (1982) Пространственно-частотные характеристики и ориентационная избирательность полей нейронов зрительной коры. В кн.: Переработка информации в зрительной системе. Высшие зрительные функции. Л.: Наука, с. 28–35.
Шелепин, Ю. Е., Колесникова, Л. И., Левкович, Ю. И. (1985) Визоконтрастометрия. Л.: Наука, 103 с.
REFERENCES
Aleksandrova, N. P., Pogodin, M. A., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (2013) Pribor dlya otsenki funktsional’nogo sostoyaniya dyhatel’nykh myshts patsienta. Patent po zayavke 122865 от 03.07.2012 [Device for assessing the functional state of the patient’s respiratory muscles. Patent No. 122865 of 3 July, 2012]. Saint Petersburg, I. P. Pavlov Institute of Physiology RAS. (In Russian)
Chikhman, V. N. (1975) Vvod v EVM “Dnepr-21” impul’snoj aktivnosti nejronov s tsifrovoj adaptatsiej [Input of pulse activity of neurons with digital adaptation into “Dnepr-21” computer]. Upravlyayushchie sistemy i mashiny, no. 1, pp. 135–137. (In Russian)
Chikhman, V. N. (1979) Sistema vvoda-vyvoda rechevykh signalov na EVM M4030 dlya eksperimental’nykh issledovanij vospriyatiya rechi [Speech signal input-output system on the M4030 computer for experimental studies of speech perception]. Upravlyayushchie sistemy i mashiny, no. 2, pp. 91–94. (In Russian)
Chikhman, V. N., Makarevich, A. V., Pershin, Zh. A., Gekhman, B. I. (1974) Rabota EVM Dnepr-21 v real’nom masshtabe vremeni [Operation of the Dnepr-21 computer in real time]. Fiziologicheskij zhurnal SSSR im. I. M. Sechenova, vol. 60, no. 4, pp. 644–647. (In Russian)
Chikhman, V. N., Solnushkin, S. D., Molodtsov, V. O. et al. (2019) Sposob opredeleniya poroga bolevoj chuvstvitel’nosti laboratornykh zhivotnykh i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya. Patent po zayavke № 2687866 ot 16.05.2019 [A method for determining the pain sensitivity threshold of laboratory animals and a device for its implementation. Patent No. 2687866 from 16 May, 2019]. Saint Petersburg, Pavlov Institute of Physiology RAS. (In Russian)
Chikhman, V. N., Solnushkin, S. D., Molodtsov, V. O., Smirnov, V. Yu. (2020) Ustrojstvo dlya elektrorazdrazheniya laboratornykh zhivotnykh na osnove ispol’zovaniya generatora toka [A device for electrical stimulation of laboratory animals based on the use of a current generator]. Pribory i tekhnika eksperimenta, no. 2. pp. 161–162. https://doi.org/10.31857/S0032816220010206 (In Russian)
Chistovich, L. A., Chikhman, V. N., Ogorodnikova, E. A. (1981) Novyj podkhod k opredeleniyu foneticheskoj blizosti stimulov i ego proverka v avtomatizirovannom eksperimente [A new approach to determining the phonetic proximity of stimuli and its verification in an automated experiment]. Fiziologicheskij zhurnal SSSR im. I. M. Sechenova, vol. 67, no. 5, pp. 704–711. (In Russian)
Danilov, Yu. P., Zhakov, M. L, Solnushkin, S. D. et al. (1984) Avtomatizatsiya elektrofiziologicheskogo eksperimenta [Automation of electrophysiological experiment]. Upravlyayushchie sistemy i mashiny, no. 4, pp. 83–87. (In Russian)
Danilov, Yu. P., Novikov, G. I., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1987) Avtomatizirovannaya sistema dlya issledovaniya retseptivnykh polej nejronov zritel’noj sistemy [Automated system for studying the receptive fields of neurons of the visual system]. Fiziologicheskij zhurnal SSSR im. I. M. Sechenova, vol. 73, no. 4, pp. 551–554. (In Russian)
Dik, I. G., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N., Shtrom, V. F. (1993) Organizatsiya apparatno-programmnykh sredstv dlya avtomatizatsii issledovanij po fiziologii krovoobrashcheniya [Organization of hardware and software for automation of research on the physiology of blood circulation]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 79, no. 2, pp. 115–120. (In Russian)
Dudkin, K. N., Gauzelman, V. I. (1979) Avtomatizatsiya nejrofiziologicheskogo eksperimenta [Automation of neurophysiological experiment]. Leningrad: Nauka Publ., 159 p. (In Russian)
Ermolin, S. I., Semenov, D. G., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1992) Informatsionnij listok Tsentra nauchno-tekhnicheskoj informatsii № 656–92. Avtomatizatsiya flyuorometricheskih issledovanij [Newsletter of the Center for Scientific and Technical Information No. 656-92. Automation of fluorometric studies]. Saint Petersburg: [s. n.]. (In Russian)
Glezer, V. D. (1993) Zrenie i myshlenie [Vision and mind]. Leningrad: Nauka Publ., 284 p. (In Russian)
Ivanov, K. P., Arokina, N. K., Volkova, M. F. et al. (2000) Fiziologicheskaya blokada mekhanizmov kholodovogo paralicha [Physiological blockade of the mechanisms of cold paralysis]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 86, no. 6, pp. 692–702. (In Russian)
Ivanov, K. P., Kleshchev, A. S. (1975) Biologicheskij vychislitel’nyj tsentr [Biological Computing Center]. Leningrad: Nauka Publ., 140 p. (In Russian)
Kopejkin, M. A., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1988) Modul’ “selektor-formirovatel’ ” dlya obrabotki na EVM impul’snoj aktivnosti nejronov [Module “selector-shaper” for computer processing of impulse activity of neurons]. In: Sredstva avtomatizatsii fiziologicheskikh issledovanij [Devices of automation of physiological research]. Leningrad: Nauka Publ., pp. 46–50. (In Russian)
Kuznetsova, T. G., Radchenko, M. V., Rodina, E. A. (2007) Sravnitel’nyj analiz variabel’nosti serdechnogo ritma rebenka 4–5 let i shimpanze v protsesse tseledostizheniya [Comparative analysis of heart rate variability in a 4–5-year old child and a chimpanzee in the process of goal achievement]. Vestnik Samarskogo universiteta. Estestvennonauchnaya seriya — Vestnik of Samara University. Natural Science Series, no. 2 (52), pp. 189–203. (In Russian)
Lyubashina, O. A., Sivachenko, I. B., Busygina, I. I. (2021) Amigdalofugal’naya modulyatsiya vistseral’noj notsitseptivnoj transmissii v kaudal’noj ventrolateral’noj retikulyarnoj oblasti prodolgovatogo mozga krysy v norme i pri kishechnom vospalenii [Amygdalofugal modulation of visceral nociceptive transmission in the rat caudal ventrolateral medulla in normal conditions and under intestinal inflammation]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 107, no. 10, pp. 1–16. https://doi.org/10.31857/S086981392110006X (In Russian)
Lyubimov, Ya. A., Izvarina, N. L., Emel’yanov, N. A. et al. (2001) Vliyanie razlichnykh kontsentratsij kortikoliberina na dolgovremennuyu potentsiatsiyu srezov obonyatel’noj kory mozga krys [Influence of different concentrations of corticoliberin on long-term potentiation of sections of the olfactory cortex of the rat brain]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 87, no. 4, pp. 543–548. (In Russian)
Molodtsov, V. O., Chikhman, V. N., Solnushkin, S. D. (1999) Apparatno-programmnoe obespechenie ARM fiziologa [Physiologist’s workstation hardware and software]. Pribory i sistemy upravleniya, no. 3, pp. 15–19. (In Russian)
Molodtsov, V. O., Smirnov, V. Yu., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (2013a) Izmeritel’noe ustrojstvo s radiokanalom peredachi dannykh [Measuring device with radio data transmission channel]. Pribory i tekhnika eksperimenta, no. 5, pp. 136–137. https://doi.org/10.7868/S0032816213050212 (In Russian)
Molodtsov, V. O., Smirnov, V. Yu., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (2013b) Ustrojstvo dlya izmereniya chastoty spajkov [A device for measuring the spike frequency]. Pribory i tekhnika eksperimenta, no. 6, pp. 88–89. https://doi.org/10.7868/S0032816213060062 (In Russian)
Orel, E. L., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1988) Vzaimodejstvie eksperimentatora s EVM v avtomatizirovannom fiziologicheskom eksperimente [Interaction of an experimenter with a computer in an automated physiological experiment]. In: Avtomatizirovannye sistemy real’nogo vremeni dlya ergonomicheskikh issledovanij [Automated real-time systems for ergonomic research]. Tartu: [s. n.], pp. 66–68. (In Russian)
Pan’kova, M. I., Lobov, G. I., Chikhman, V. N., Solnushkin, S. D. (2011) Effekty gistamina na sokratitel’nuyu aktivnost’ kapsuly limfaticheskikh uzlov. Rol’ NO [Effects of histamine on the contractile activity of the lymph node capsule. The role of NO]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 97, no. 6, pp. 633–640. (In Russian)
Panteleev, S. S., Chikhman, V. N., Molodtsov, V. O. (1996) Avtomatizirovannaya elektrofiziologicheskaya ustanovka dlya issledovaniya motornoj funktsii zheludochno-kishechnogo trakta anestezirovannoj krysy [Automated electrophysiological unit for studying the motor function of the gastrointestinal tract of an anesthetized rat]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova, vol. 82, no. 4, pp. 135–140. (In Russian)
Pershin, Zh. A., Chikhman, V. N. (1978) Sistema nakopleniya i obrabotki eksperimental’nykh dannykh [System of accumulation and processing of experimental data]. In: Avtomatizatsiya eksperimental’nykh fiziologicheskikh issledovanij [Automation of experimental physiological research]. Leningrad: [s. n.], pp. 76–80. (In Russian)
Podvigin, N. F., Makarov, F. N., Shelepin, Yu. E. (1986) Elementy strukturno-funktsional’noj organizatsii zritel’no-glazodvigatel’noj sistemy [Elements of the structural and functional organization of the visual-oculomotor system]. Leningrad: Nauka Publ., 185 p. (In Russian)
Ryzhova, I. V., Nozdrachev, A. D., Tobias, T. V. et al. (2016) Metabotropnye glutamatnye retseptory kak mishen’ nejromoduliruyushchego vliyaniya oksida azota [Metabotropic glutamate receptors as targets of neuromodulatory influence of nitric oxide]. Doklady Akademii Nauk, vol. 469, no. 1, pp. 116–118. https://doi.org/10.7868/S0869565216190300 (In Russian)
Segizbaeva, M. O., Aleksandrova, N. P. (2014) Primenenie indeksa “napryazhenie–vremya” dlya otsenki funktsional’nogo sostoyaniya inspiratornykh myshts. Normal’naya i patologicheskaya fiziologiya [The evaluation of inspiratory muscle function by measuring of «tension–time» index]. Ul’yanovskij mediko-biologicheskij zhurnal — Ulyanovsk Medico-biological Journal, no. 2, pp. 78–84. (In Russian)
Shelepin, Yu. E. (1982) Prostranstvenno-chastotnye kharakteristiki i orientatsionnaya izbiratel’nost’ polej nejronov zritel’noj kory [Spatial-frequency characteristics and orientational selectivity of neuron fields in the visual cortex]. In: Pererabotka informatsii v zritel’noj sisteme. Vysshie zritel’nye funktsii [Processing information in the visual system. Higher visual functions]. Leningrad: Nauka Publ., pp. 28–35. (In Russian)
Shelepin, Yu. E., Kolesnikova, L. I., Levkovich, Yu. I. (1985) Vizokontrastometriya [Visocontrastometry]. Leningrad: Nauka Publ., 103 p. (In Russian)
Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (2015) Programmnye sredstva dlya analiza impul’snoj aktivnosti v nejroeksperimente [Software for analysis of impuls activity in neuroexperiment]. Biomeditsinskaya radioelektronika — Biomedicine Radioengineering, no. 6, pp. 35–39. (In Russian)
Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (2017) Organizatsiya vychislitel’nykh protsessov dlya fiziologicheskikh issledovanij dykhaniya [Organization of computational processes for physiological studies of respiration]. Biomeditsinskaya radioelektronika — Biomedicine Radioengineering, no. 3, pp. 48–54. (In Russian)
Ventsov, A. V., Nadporozhskaya, E. V., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1990) Issledovanie vospriyatiya rechi: Organizatsiya interaktivnogo rezhima obrabotki rechevykh signalov [Study of speech perception: Organization of an interactive mode of processing speech signals]. Sensornye sistemy — Sensory Systems, vol. 4, no. 3, pp. 327–330. (In Russian)
Vershinina, E. A., Danilov, Yu. P., Orel, E. L. et al. (1991) Ispol’zovanie ritmograficheskogo metoda dlya kontrolya sostoyaniya zhivotnogo [Using the rhythmographic method to control the state of the animal]. Fiziologicheskij zhurnal SSSR im. I. M. Sechenova, vol. 77, no. 7, pp. 99–103. (In Russian)
Zhakov, M. L., Pershin, Zh. A., Solnushkin, S. D., Chikhman, V. N. (1984) Organizatsiya mnogomashinnogo kompleksa dlya avtomatizatsii laboratornykh issledovanij [Organization of a multi-machine complex for laboratory research automation]. Upravlyayushchie sistemy i mashiny, no. 1, pp. 23–26. (In Russian)
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2022 Valeriy N. Chikhman, Sergey D. Solnushkin, Vladimir O. Molodtsov
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
The work is provided under the terms of the Public Offer and of Creative Commons public license Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0). This license allows an unlimited number of persons to reproduce and share the Licensed Material in all media and formats. Any use of the Licensed Material shall contain an identification of its Creator(s) and must be for non-commercial purposes only.
