Разработка модуля 3D визуализации результатов экспериментов водного лабиринта Морриса

Данная работа посвящена разработке программного модуля, обеспечивающего трёхмерную визуализацию и интерактивный анализ результатов поведенческого теста водного лабиринта Морриса. Исследование направлено на решение актуальной научной и технологической задачи, связанной с улучшением визуализации и качества анализа результатов поведенческих экспериментов.

В ходе работы был проведён обзор существующих решений оптимизации проведения теста водного лабиринта Морриса и методов трёхмерной визуализации экспериментальных данных. На основе анализа была сформулирована концепция, позволившая объединить ключевые подходы в едином удобном и функциональном инструменте для визуализации поведения лабораторных животных.

Проект реализован с использованием среды Unity на языке программирования C#. Моделирование трёхмерных объектов выполнено в программе Blender. Хранение и загрузка экспериментальных данных осуществлялись из структурированных CSV-файлов, созданных на основе исследования научных публикаций.

В результате создана функциональная программная система, позволяющая интерактивно загружать и анализировать экспериментальные траектории. Про-ведение функционального тестирования показало, что все ключевые функции работают корректно

СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ................... 7

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 8

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ...................................................... 11

1.1. Концепция проведения эксперимента «Водный лабиринт Морриса» .... 11

1.1.1. Научная ценность методики.................................................................. 12

1.1.2. Структура лабиринта ............................................................................. 13

1.1.3. Процедура обучения .............................................................................. 14

1.1.4. Процедура тестирования ....................................................................... 15

1.1.5. Измеряемые параметры ......................................................................... 15

1.2. Анализ методов оптимизации проведения экспериментов водного лабиринта Морриса .......... 16

1.2.1. ПО для анализа поведенческих стратегий мышиных моделей ......... 17

1.2.2. Проведение и автоматизация теста «Водный лабиринт Морриса» в условиях SPF-вивария ......... 19

1.2.3. Исследование стратегий навигации в водном лабиринте Морриса с помощью глубокого обучения с подкреплением ............................................ 20

1.2.4. Оценка методов и их проблематика ..................................................... 21

1.3. Обзор современных подходов и методов 3D-визуализации экспериментальных данных ....... 22

1.3.1. Проект MICrONS .................................................................................... 22

1.3.2. EBRAINS и Human Brain Project........................................................... 23

1.3.3. NeuroMorpho.Org и 3D-модели нейронов ............................................ 24

1.3.4. FlyWire и 3D-визуализация мозга Drosophila ...................................... 25

1.3.5. Выбор подхода ........................................................................................ 25

1.4. Выводы .......................................................................................................... 27

ГЛАВА 2. ТРЕБОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ РАЗРАБОТКИ .......................... 28

2.1. Требования к модулю 3D визуализации .................................................... 28

2.1.1. Функциональные требования ................................................................ 29

2.1.2. Нефункциональные требования ........................................................... 30

2.2. Обзор выбранных инструментов обработки .............................................. 31

2.2.1. Среда разработки .................................................................................... 31

2.2.2. Язык программирования ....................................................................... 32

2.3. Выводы .......................................................................................................... 33

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ 3D ВИЗУАЛИЗАЦИИ ............................... 34

3.1. Архитектура модуля ....................................................................................... 34

3.2. Концептуальная модель ................................................................................. 36

3.2.1. Общая структура модуля ......................................................................... 36

3.2.2. Поток данных ............................................................................................ 37

3.2.3. Основные визуальные элементы ............................................................. 37

3.2.4. Алгоритмы и преобразования .................................................................. 38

3.3. Экспериментальные данные .......................................................................... 38

3.3.1. Характеристика исходных данных ....................................................... 39

3.3.2. Формирование структурированных файлов траекторий ................... 40

3.4. Моделирование и визуализация экспериментальной установки ............ 42

3.4.1. Создание 3D-сцены ................................................................................ 42

3.4.2. Импорт и настройка моделей ................................................................ 47

3.5. Реализация программной логики модуля .................................................. 48

3.5.1. Загрузка данных и инициализация сцены ........................................... 48

3.5.2. Интерфейс выбора и управления .......................................................... 50

3.5.3. Аналитические вопросы ........................................................................ 51

3.5.4. Сброс сцены ............................................................................................ 51

3.5.5. Расчёт длины пути .................................................................................. 51

3.5.6. Расчёт угловой ошибки .......................................................................... 52

3.5.7. Подсчёт времени в зонах и визуализация четвертей .......................... 52

3.6. Выводы .......................................................................................................... 53

ГЛАВА 4. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ .......................................... 54

4.1. Сценарии тестирования ............................................................................... 54

4.2. Выводы .......................................................................................................... 65

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 66

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 69

Приложение 1 Листинг TerminalController ............................................................. 71

Приложение 2 Листинг CSVReader ......................................................................... 82

Приложение 3 Листинг OrbitCamera ....................................................................... 83

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зорин А.Г., Болсуновская М.В., Безпрозванный И.Б. ПО для анализа поведенческих стратегий мышиных моделей [Электронный ресурс] //SPbPU. – URL: (дата обращения: 17.04.2025).

2. Сентябрева А. Плывущий в лабиринте Морриса: тернистый путь модели-рования нейродегенерации [Электронный ресурс] //Биомолекула. – URL: (дата обращения: 08.01.2025).

3. Хоцкин Н.В., Куликов В.А., Завьялов Е.Л., Фурсенко Д.В., Куликов А.В. Проведение и автоматизация теста «водный лабиринт Морриса» в условиях SPF-вивария //Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2015. – Т. 19. – №. 4. – С. 388-393.

4. Хоцкин Н.В. Пространственная память и обучение у мышей, различаю-щихся по предрасположенности к наследственной каталепсии: влияние нейротрофи-ческого фактора мозга BDNF [Электронный ресурс] //NeuronM. – URL: (дата обращения: 17.05.2025).

5. Чернюк Д.П., Большакова А.В., Власова О.Л., Безпрозванный И.Б. Возможности и перспективы поведенческого теста «Водный лабиринт Морриса» //Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. – 2021. – Т. 107. – №. 3. – С. 267–287. 6. Чернюк Д.П. Нейропротективные свойства белков Bcl-2 в мышиной модели с болезнью Альцгеймера [Электронный ресурс] //SPbPU. – URL: (дата обращения: 17.05.2025).

7. An open research infrastructure that gathers data, tools and computing fa-cilities for brain-related research, built with interoperability at the core [Электронный ресурс] //EBRAINS. – URL: (дата обращения: 17.04.2025).

всего 12 исчотчников