Hodnocení pohybu hlavy drobných živočichů pro studium nervového systému

Abstract

Práce se zabývá metodami hodnocení pohybů segmentů drobných obratlovců, na základě zkušeností s měřením kinematických dat pohybu, zejména v rehabilitačním inženýrství, pomocí MoCap kamerového systému. Cílem bylo popsání pohybů hlavy pro další studium evoluce nervového systému drobných obojživelníků a plazů. Výsledkem práce je studie navrhující metody hodnocení nepodmíněného chování drobných živočichů v závislosti na prostředí, kde žijí (ve vodě, na keřích a stromech nebo na zemi). Cílem je návrh metod pro hodnocení evoluční vyspělosti v rámci jednotlivých vývojových větví žab. V práci je konkrétně řešena část technického zpracování výzkumu. Měření jednotlivých zástupců bylo prováděno na pohyblivé mechanické plošině vyvinuté na FBMI ČVUT. Videokamerou byla snímán pohyb v sagitální rovině žáby. Pohybem, který se primárně mezidruhově porovnává, je kompenzace vychýlení podložky z vodorovné roviny hlavou. Kamera je přitom fixována na pohyblivou část plošiny a rovina plošiny je referencí pro měření úhlu hlavy. V práci bylo řešeno jak vlastní měření živočicha, tak především algoritmizace vyhodnocování ukazatelů, které byly vytvořeny na základě požadavků výzkumu na Přírodovědecké fakultě UK a Neurologické kliniky 2. LF UK. Základními metodami jsou metody popisu pohybu v časové oblasti. V každé periodě pohybu plošiny se hodnotí v biomechanice hojně používaný parametr – rozsah pohybů (ROM). V časové závislosti úhlu hlavy ke stabilně měnícímu se úhlu plošiny se sledují maximální výchylky pohybu, časová zpoždění či předstih změny flexe nebo extenze hlavy za pohybem, tj. maximální či minimální úvratí plošiny. Dále se určují korelace signálů plošiny a pohybu zvířete, rozptyl regresních přímek signálu, či úhel, který svírá regresní přímka signálu zvířete se signálem plošiny. Též byl určován úhel sklonu grafu 2-D diagramu, kde je vynášen v jedné periodě na jednu osu úhel zvířete a na druhou úhel plošiny. Parametry byly měřeny na souboru devadesáti jedinců. Vytrácení kompenzačních pohybů, které jsou znakem vývojové úrovně, bylo pozorováno u poměrně moderní skupiny Ranoidea.

The thesis deals with methods of evaluation of movements of small vertebrate segments, based on experience with measurement of kinematic data of movement, especially in rehabilitation engineering, using the motion capture system (MoCap). The aim was an accurate description of the movements of the head for further study of the evolution of the nervous system of amphibians and reptiles. The result should be a study evaluating the unconditional behavior of these animals depending on the environment they live in (water, shrubs and trees or on the ground). The subject of interest is evolutionary maturity within individual evolutionary branches of frogs. In this thesis is solved a specific part of the technical processing of the research. Measurements of individual representatives were carried out on a moving mechanical platform developer at CTU FBMI. The sagittal plane of the frog was captured by a camcorder. The movement, which is primarily monitored, is the head compensation movement which is a reaction to deviation of the pad from the horizontal plane. The camera is fixed to the moving part of the platform and the plane of the platform is therefore the reference for measuring the angle of the head. In the thesis were solved animal measurements and digitization of motion, especially the algorithm of evaluation of indicators, which were created on the basis of research requirements at the Faculty of Science and the Department of Neurology, 2nd Faculty of Medicine, at Charles University in Prague. Description of motion is in the time domain. Parameters are evaluated in each period of movement of the platform. Widely used parameter in biomechanice is the range of movements (ROM). There is a chart over time how the head angle changes compared to periodically changing platform angle. Maximum motion deviations, time delays and overturning of the head are another important parameters monitored. It also determines the correlation between the platform signal and the animal movement signal, the scattering of the regression lines of the signal, or the angle formed by the regression line of the animal signal with the platform signal. Also, the angle of the 2D diagram where the animal data and the platform data were plotted on two own axis is evaluated. Data were measured on a set of 90 individuals. Significant compensatory movements, have not been observed especially in the Ranoidea family.