Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Автоматизированная система для исследования активности нейронных структур

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Громенко, Дмитрий Львович

Введение.I

Глава I. Задача создания системы.5 1

I.I. О методах исследования активности нейроструктур

Глава 2. Обзор существующих систем автоматизации исследований.12

2.1. Сбор, обработка и первичный анализ результатов эксперимента.13

2.2. Отображение результатов эксперимента.£5

2.3. Регистрация результатов эксперимента.3 1

2.4. Управление экспериментом.41

Глава 3. Структурная схема системы и требования к ее элементам.50

3.1. Анализ структурных решений.50

3.2. Структурная схема системы.59

3.3. Технические параметры элементов системы.59

Глава 4. Теоретическое обоснование оптимизации параметров системы.72

4.1. Устройство для стабилизации напряжения на клеточной мембране или на участке нервной ткани 73

4.1.1. Исследование пределов устойчивости.83

4.2. Цифровое "клямп-устройство".ПО

4.2.1. О расчетных оценках реализации цифрового клямп-устройства.Г14

4.2.2. Об устойчивости и необходимом быстродействии элементов цифрового "клямп-устройства".117

4.3. Быстродействующий синхронный накопитель большой длительности интегрирования строб-интегратор".12,0

Глава 5. Новые функциональные элементы, созданные для реализации системы. Примеры их использования в системе.IZQ

5.1. Устройство для стабилизации напряжения на клеточной мембране - "клямп-устройство".12 8

5.1.1. Блок измерений клямп-устройства.13 О

5.1.2. Блок управления клямп-устройства.13 8

5.1.3. Пример использования клямп-устройства в системе.14 6

5.2. Управляемый строб-интегратор.14 8

5.2.1. Устройство для синхронизации импульсов.Л 52

5.2.2. Пример использования строб-интегратора в системе.156

5.3. Элементы системы, имеющие нестандартные схемные решения.159

5.3.1. Программно-управляемый генератор развертки Г6 О

5.3.2. Усилитель растровых (телевизионных) сигналов.165

5.3.3. Генератор линейно-нарастающего напряжения.Г 69

Введение Диссертация по биологии, на тему "Автоматизированная система для исследования активности нейронных структур"

Эффективным средством для решения сложных научных проблем является автоматизация экспериментальных исследований. В постановлении ХХУ1 съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" сказано: "Увеличить производство приборов, оборудования, средств автоматизации, реактивов и препаратов для проведения научных исследований. Расширять автоматизацию проектно-конструкторских работ и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники" (гл. Ш). Данная работа выполнена в рамках решения этих задач применительно к требованиям фундаментальных исследований. Работа посвящена рассмотрению путей построения автоматизированной системы и ряда технических устройств, входящих в эту систему, для проведения экспериментальных работ в одном из важных направлений биофизического профиля. Целевая направленность этих работ связана с фундаментальной проблематикой исследования памяти биосистем применительно к возможным аспектам совершенствования вычислительной техники.

Важнейшей частью современной проблематики технической океанологии является определение путей и возможностей создания распределенных донных и заякоренных систем. Для перекрытия широких полос и площадей мирового океана, в целях решения прикладных задач, оказывается принципиально важным иметь распределенные в пространстве (по дну и в водной толще) океана функциональные блоки и элементы системы, обладающие способностями классификации образов и принятия решений. Подобные устройства, в принципе реализуемые, требуют чрезвычайно большой емкости памяти и сложных (желательно ассоциативных) систем адресации я, что не менее важно, - при малых габаритах и низком энергопотреблении. Эти обстоятельства заставляют форсировать исследования биофизической направленности как основу для использования принципов бионики в построении технических систем памяти вычислительных комплексов.

В обеспечении этих прикладных задач для развития исследований в области биофизики и выполнена настоящая работа, посвященная вопросам автоматизации исследований активности нейро-структур на тканевом клеточном я субклеточном уровне.

В первой главе работы рассмотрены задачи, стоящие перед широкофункциональной автоматизированной системой для исследования активности нейронных структур. Перечислены возможные методы исследований, предопределяющих аппаратный состав системы.

Обзор существующих систем автоматизации научного эксперимента проведен во второй главе. Кроме вышеуказанных систем в этой главе рассмотрены промышленные информационно-измерительные системы, средства отображения я регистрации результатов эксперимента, что обеспечило более полный анализ методов и средств, позволяющий наметить пути построения оптимальной, на наш взгляд, автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур.

В третьей главе представлена оби@я структурная схема автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур, объединяющая подсистемы оптических и электрических средств проведения биологического эксперимента. В соответствяи с общей структурной схемой системы и известными пределами ожидаемых изменений параметров исследуемых биологических объектов сформулированы основные требования к характеристикам всех функциональных элементов системы. Осуществлен выбор промышленно изготовляемых приборов, параметры которых удовлетворяют нашим требованиям. Выделены для отдельного исследования и разработки такие системные элементы, которые при обычной, общепринятой реализации не удовлетворяют этим требованиям.

Теоретическое обоснование оптимизации параметров системы выполнено в четвертой главе. Рассмотрены пути улучшения технических характеристик наиболее еэжных специализированных системных элементов, таких как устройство для стабилизации напряжения на мембране и "строб-интегратор", который необходим для осуществления большинства оптических методов исследования. В этой главе рассмотрены также некоторые вопросы метрологического характера, возникающие при эксплуатации подобных приборов, проведено исследование известных технических решений и показаны пути достижения оптимальных параметров за счет новых, оригинальных технических решений.

Пятая глава посвящена описанию структурных и функциональных схем системых элементов, специально разработанных для реализации нашей системы. Основное внимание обращено на те элементы, параметры которых улучшены за счет привлечения новых, нетривиальных технических решений. В этой главе рассмотрены некоторые аспекты использования разработанных системных элементов и приведены примеры полученных результатов.

Последний раздел работы - заключение - посвящен изложению основных результатов проведенной работы и выводов, которые базируются на полученных результатах.

В приложение вынесены основные технические характеристики устройств, специально разработанных для нашей системы.

Объем работы составляет 144 страницы машинописного текста при 47 графических иллюстрациях и библиографии в 96 названий.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Громенко, Дмитрий Львович

Заключение

Автоматизированная система для исследования активности нейронных структур, представленная в данной работе, обеспечивает наблюдение и регистрацию активности нейроструктур от субклеточного уровня до двумерной картины активности нервной ткани с помощью различных датчиков, а также управление экспериментом и первичную обработку данных до регистрации.

Рассмотрение и анализ современных методов и средств автоматизации научного эксперимента, в том числе и биологического, показали отсутствие готовой автоматизированной системы полностью пригодной для наших задач.

Проведенная работа позволила наметить пути построения оптимальной автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур. Такая система базируется на универсальной мини-ЭВМ и ряде приборов, как универсальных, так и специализированных и, в том числе, предназначенных сугубо для биологических исследований, объединенных магистралью интерфейса МЭК в общую систему. В подборе приборов акцент сделан на готовые промышленные изделия.

Структура предлагаемой автоматизированной системы для исследования активности нейронных структур в силу своей гибкости позволяет использовать широкий спектр различных датчиков, воспринимающих изменения, происходящие в нейроструктуре вследствие ее активности, а также применить метода исследования, как широко используемые (например, клямп-метод), так и не тривиальные для биологии (например, магнитооптические).

Теоретическое рассмотрение методов и средств реализации основных специализированных системных элементов, не выпускаемых отечественной промышленностью, - клямп-устройства и строб-интегратора - показало, что существуют возможности новых, оригинальных технических решений этих узлов. Наиболее полно соответствует требованиям, предъявляемым к системным элементам, цифровое клямп-устройство, реализуемое на стандартных цифровых модулях и отличающееся более высокой надежностью в эксплуатации, чем аналоговые клямп-устройства. Несмотря на лучшие перспективы использования цифрового клямп-устройства, нельзя не считаться с большей доступностью для разработчика компонентов аналогового ряда, что обусловлено отсутствием в настоящее время отечественных промышленных АЦП с требуемым высоким быстродействием. Для реализации устойчивого аналогового клямп-устройст-ва, обладающего высокой точностью стабилизации, предложена новая структура, предусматривающая двухканальность при организации дифференного усилителя и каскада высоковольного усиления.

Оригинальное техническое решение, положенное в основу строб-интегратора, позволило существенно повысить технические параметры этого устройства. Применение строб-интегратора для измерений слабых магнитных полей позволило зарегистрировать относительное изменение мощности светового потока, пропорцио

-7 нальное смещению доменных стенок, равное 5*10 . Результат, подобный полученному, ранее не был достигнут.

На базе новых и нетривиальных технических решений создан ряд устройств, используемых в системе для расширения ее функциональных возможностей. В их числе цифровой генератор развертывающих сигналов для сканирующих датчиков и высоколинейный генератор линейно-нарастающего напряжения.

Полученные результаты позволяют считать защищаемую автоматизированную систему для исследования активности нейронных структур эффективным средством для развития исследовательских работ биологического профиля, в ходе которых можно надеяться на получение принципиально новых результатов.

- 176

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Громенко, Дмитрий Львович, Москва

1. Костюк П.Г. Микроэлектродная техника. Изд. АН УССР, КиевД960,127<

2. Кожечкин С.Н. Микроэлектроды. Сб. "Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток". АН СССР, Пущино, 1980,с> 62-83

3. Hodgkin A.L. and Huxley A.F. Currents carried by sodium and passium ions through the membrans of the giant axon of Loligo. J. Physiol (London), 1952, v.116, p.449-472.

4. Cole K. Membranes, ions and impulses. Berkeley and Los. Angeles, Univ. California Press. 1968.p. 691-697.

5. Fishman H.M. Patch voltage clamp of squid axon membrane. J. Membrane Biol., 1975 vol. 24, p.265-277.

6. Neher E., Sakmann В., and Steinbach J. The extracellular patch clamp: A method for resolving currents through individual open channels in biological membranes. Pflugers arch., 1978, vol. 375, p.219-228.

7. Thomas C.A., Springer P.A., Loeb Y.E. A miniature microelec-trode array to monitor the bioelectric activity of cultured cells. Experimental Cell Research 1972, v.74, p.61-66.

8. Вальков В.М. Микроэлектродные управляющие вычислительные комплексы. JI., Машиностроение, 1979,269 с.

9. Series AN5400 Computer Compatible Modular a/D and D/a Date.

10. Acquisition & Distribution Systems with Digital I/O-Capability. 1977. Analogic Corporation.

11. Штарк М.Б. Основные направления и перспективные тенденции автоматизации биологических исследований. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Кишинев, 1981, стр. 144-145.

12. Изотов В.А., Комаров В.П., Кудряшов В.К. Основные направления работ по приборному оснащению и автоматизации эксперимента в научном центре биологических исследований АН СССР в г. Пущино. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Кишинев, 1981, стр.121.

13. Наумов Б.Н. и др. Управляющий вычислительный комплекс М-400 для управления техническими процессами, физическими экспериментами и научными исследованиями. Тр. ИНЭУМ, 1973, вып.34,стр. 12-33.

14. Малые ЭВМ и их применение. Под ред. Б.Н.Наумова, М., "Статистика", 1980,231 с.

15. II.Interface System for Programmable Measuring Apparatus. Byte-Serial Bit Parallel IEC (Technical Committe 6 6) Geneva, 1975, Nov., №22.

16. Nelson E., Ricci W. A practical interface for electronic instruments. Hewlett-Packard J., 1972, Oct., p.2-7.

17. Гореликов Н.И., Доморацкий A.H., Доморацкий C.H., Лискин В.А., Попенко Н.В., Ситников Л.С. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента М., Наука, 1981,261 с

18. Gevins A.S., Ycarer C.L., Diamond S.L. Interactive analisis and display of the electroencephalogram (EEG) in real time. "Comput. and Graph.", 1975, 1, №4, p. 329-335.

19. Дудкин K.H., Гаузельман B.E. Автоматизация нейрофизиологического эксперимента. Л., Наука, 1979,277 с.

20. Grossman М. New industrial instruments need bittle human intervention. "Electron. Des", 1978, 26, №24, p. 100-105.

21. Видвальд И., Бест Б. Измерительные информационные системы с встроенным микропроцессором. ВИНИТИ, КИТ, 1977, №26, стр. 1-3.

22. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем. М., Мир, 1980, 576 с.

23. Grenfell D.P. The impact of microprocessors on programmable logic controllers. "Can. Contr. and Instrum.", 1974, 13, №11, p.18-22.

24. Tarczy-Hornoch Z., Nickel W. Microprocessor controlled self calibration and diagnostics in a digital multimeter. "Electro/7 8 Profess. Program, Boston, Mass., 1978". New-York, 1978, 6.2/1-6.2/8.

25. Гудвин Дж. БИС, выполняющие линейные и цифровые функции. Электроника, 1977, №6, с. 27-28.

26. Журавин И.А., Шугайло В.В. Усовершенствование статистического анализатора биопотенциалов "Нейрон-I". В кн.: Методические вопросы и техническое обеспечение физиологического эксперимента. М., Наука, 1976, стр. 78-87.

27. Герусов И.О., Витковский П.А., Демченко Б.С., Зубкович А.Ф. Накопитель-усреднитель сигналов Ф36 и статистический анализатор биопотенциалов Ф37. Тезисы докладов Всесоюзной конференции, Кишинев, 1981, стр.148-149.

28. Wann Donald F., Thomas A., Dierker M., Cowan M. An On-line digital-Computer system for the semiautomatic analysis of Golgi-Impregnated neurons. "IEEE Trans Biomed. Eng.", 19 73, 20, №4, p.233-247.

29. Периколор 2000. Проспект фирмы "Lumelec" /Франция/.

30. Модель 70. Проспект фирмы "i2c" /США/.

31. Kanal L.N. Pattern Recognition. Washington, D .С .Thompson, 1968,29 ;

32. Chesler D.A. Resolution enhancement by variable filtering. Phys. Res. Lab., Massachusetts General Hospital, Boston, Internal Rep., 1969, p. 93-97.

33. Frieden B.R. Optimum nonlinear processing of noisy images. J. Opt. Soc. Amer., vol.58, 1968.

34. Graham R.E. Snow removal A noise stripping process for picture signals IRE Trans Inform. Theory, vol. 1T-8, 1962, p.129-144.

35. Брауде Г.В. Коррекция телевизионных и импульсных сигналов. М., Связь, 1967,77 с.232.0ппенгейм Г., Шефер А., Стокхем Т. Нелинейная фильтрация сигналов, представленных в виде произведения и свертки. ТИИЭР, 1968, т.56, №8, стр. 5-34.

36. Glaser Е.М., Van der Loos H. A semi-automatic computer-microscope for the analysis a neuronal morphology, "IEEE Trans. Bio.-Med. Eng.", vol BBE-12, 1965, p.21-31.

37. Шелихов А.А., Селиванов Ю.П. Вычислительные машины. Справочник. Под ред. В.В. Пртиялковского М., Энергия, 1978, 243 с.

38. Каталог фирмы "Hewlett-Packard", 1983.

39. Garlson N. A guide to selecting data loggers. "Instrum. and Contr. Syst.", 1977, 50, №12, p.41-44.

40. TEAC R80/R81. Cassette data recorders. Instruction Manual.1979.

41. Гитлиц M.B., Лишин JI.Г. Видеомагнитофоны и их применение. М., Связь, 1980, 168 с.

42. Mucnzer P. Die Entwicklung der Video-Kassetten recorder. Funkschan. 1978, №11, s.496-501; №55, s.566-570.

43. Пархоменко В.И., Рудман В.И. Проблемы цифровой магнитной видеозаписи. Техника кино и телевидения. 1978, №5, стр. 28-33.

44. Вайда Ф., Чакань А. Микро-ЭВМ. М., Энергия, 1980,360 с.

45. Kenneford R.S. New computer control concepts free user and designer. "Can. Contr.+ Instrum.", 1979, 1J3, №6, p.14-16.

46. Allen Byron, Clema Joe K. Man-machine Communication for large-scale simulation. "IEEE17 4 ASSC Conf. Rec. San Diego, Calif. 1974". New-York. №4, 1974, p.221-227.

47. Мещерский P.M., Гутман С.P. Использование следящей системы для микроэлектродного поиска нейронов. В кн.: Методы сбора и анализа физиологической информации. М., Наука, 1969, стр.192-196.

48. К1усе S.D., Russell S.R. System for monitoring the thichness of transparent layrered structures. "Rev. Sci. Instrum.", 1978, 49, №9, p.1318-1321.

49. Пфеффер Д.-Л. Универсальный функциональный генератор, управляемый ЭВМ, ВИНИТИ, КИТ, 1978, №45, стр.6.

50. Описание модели 175 фирмы "wavetek". Руководство по эксплуатации,

51. Кирвялис Д.И. и др. Система автоматизации нейрофизиологических исследований зрительного анализатора. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Кишинев, 1981, стр.141-142.

52. Dunn A. Instrumentation tape recording: Applications VSrecording mode. "Can. Contr. and Instrum.", 1978, 17, №5, p.37-39.1. К главе 3.

53. Гореликов Н.И., Домарацкий А.Н., Домарацкий С.Н., Лискин В.А., Попенко Н.В., Ситников Л.С. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента. М., Наука, 1981, 261 с„

54. Максимов А.П., Мумладзе Р.К. Предварительные усилители микроэлектродных отведений биопотенциалов. Сб. "Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток". АН СССР, Пущино, 1980, с. 103—I151. К главе 4.

55. Freeman J.A., Nicholson Ch. Experimental optimization of current sourse-density technique for anuran cerebellum. J. Neurophysiol. , 1975, .38, №2, p.369-382.

56. Nicholson Ch., Freeman J. Theory of current source-density analysis and determination of conductivity tensor for anuran cerebellum. J. Neurophysiol., 1975, 38, №2, p. 356-368.

57. Максимов А.П., Мумладзе P.К., Чемерис H.K. Вопросы стабилизации напряжений и токов на клеточных мембранах, сб. "Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток". АН СССР, Пущино, 1975, с. 149-161.

58. Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., "Мир", 1980,598 с.

59. Иванов В.А. и др. Математические основы теории автоматического регулирования. М., Высшая школа, 197I. 623 с.

60. Боде Г. Теория цепей и расчет усилителей с обратной связью. Изд. ИЛ, 1948, 97 с.- 182

61. Полонников Д.Е. Решающие усилители. М., Энергия, 1973, 247 с.

62. Буш А.В. автоматизация исследования нейрональных мембран методом фиксации потенциала. Автореферат на соиск. уч. степ. к.т.н., Пущино, 1981, 17. с-.49.0ртюзи Ж. Теория электронных цепей, т.2, М., Мир, 1971, 549 с.

63. Проектирование и применение операционных усилителей. Под ред. Дж. Грэма. М., Мир, 1974, 510 с.

64. П.Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М., Энергия, 1980, 179 с.

65. Golberg Е. Stabilization of Wideband DC Amplifires for Lero and Gain. RCA Rev., 11, 1950, p.296-300.

66. Buckerfield P.S. The paralle TDC amplifier - a low drift amplifier with wide frequency response. Proceeding, of the IEEE, 1952, vol. 99, №71,p. 113-116.

67. Арбель А. Совершенствование устройств обработки и измерение аналоговых сигналов. КИТ, ВИНИТИ, PI3, 1979, с. 25-29;

68. Л5.Шило B.JI. Линейные интегральные схемы в РЭА. М., Сов. радио, 1979, 312 с.

69. Гарза Д. Увеличение мощности операционного усилителя типа 741. Электроника, 1971, №3, с. 17-19. •

70. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л., Энергия, 1974, 216 с.

71. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982.

72. Шило В.Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. М., Радио и связь, 1982, 128 с.

73. Набокин П.И. Смещение магнитных доменных стенок в гранатовых пленках в полях 2 10 Э 4Э. Письма в ЖТФ, Л., Наука, т.7, вып.5, 1981, стр.308-312.

74. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М., Наука, 1965, 167 с.

75. Громенко Д.Л. Устройство для выборки и хранения аналоговых сигналов. Авторское свидетельство СССР №894795 G II с 21/01 от 10.04.80.

76. Севин Л. Полевые транзисторы. М., Сов. радио, 1968, 181 с.1. К главе 5.

77. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналогоцифровые преобразователи. М., Сов. радио, 1980,249 с.

78. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982, 512 с.

79. Якубовский С.В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. М., Сов. радио, 1979,336 с.

80. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М., Радио и связь, 1981, 224 с.

81. O.Clayton G. Operational amplifiers. Compensation techniques. Wireless World, March, 1969, v.18, p.219.

82. Громенко Д.Л. Программно-управляемый делитель частоты. Положительное решение по заявке №3386844/18-21 от 28.12.1982.

83. Гореликов Н.И., Домарацкий А.Н., Домарацкий С.Н., Лискин В.А., Попенко Н.В., Ситников Л.С. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента. М., Наука 1981.

84. Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., Мир, 1980, 598 с.

85. Громенко Д.Л. Устройство для выборки и хранения аналоговых сигналов. Авторское свидетельство СССР №894795, Gil с 21/01 от 10.04.80.

86. Ю.Громенко Д.Л. Устройство синхронизации. Авторское свидетельство СССР №875606, НОЗ К 5/01 от 29.02.1980.

87. П.Стейн С., Джонс Д. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. М., Связь, 1971,356 с.

88. И1ляпоберский В.И. Основы техники передачи дискретных сообщений. М., Связь, 1973,' 480 с.

89. Кошевой В.М., Горинштейн Б.Г. Устройство фазирования тактовых импульсов. Авторское свидетельство СССР №617834, НОЗ К 13/20 от 03.1975.

90. Набокин П.И. Смещение магнитных доменных стенок в гранатовых пленках в полях 2 10 Э 49. Письма в ЖТФ, Наука, т.7, вып.5, 198I, стр.308-312.

91. Берман В.Р., Фролкин В.Т. Генераторы магнитной развертки электронно-лучевых индикаторов. М., Сов. радио, 1976, 318 с,

92. Громенко Д.Л. Устройство формирования сигналов развертки. Авторское свидетельство СССР №807502, Н04 N 3/16 от 06.12.1977.5Л7.Тейлор С. Устройство для исследования изображений и анализатор яркости. Патент Великобритании №1396961, НЧВ от 1979.

93. Громенко Д.Л. Генератор линейно-нарастающего напряжения.

94. Положительное решение по заявке на изобретение №32426 39/18-21 от 03.1982.