Algoritmy pro analýzu elektrické aktivity druhu Gnathonemus petersii pod vlivem psychoaktivních látek

Abstract

Gnathonemus petersii, českým názvem rypoun Petersův, dokáže generovat elektrické pulzy (electric organ discharge, EOD), které mu slouží ke komunikaci a k orientaci v prostoru. V současné době je zkoumán jako vhodný druh pro nový animální model schizofrenie. Oproti ostatním modelům přináší rypoun Petersův možnost analýzy jeho elektrické aktivity, a tím obohacuje model o hodnocení elektrokomunikace. Pro výzkum elektrokomunikace je nutné nalézt efektivní způsob separace signálů od více jedinců. V této práci bylo porovnáváno několik variant algoritmů založených na učení s učitelem i bez učitele. Bylo zjištěno, že při reprezentaci EOD pomocí spojité vlnkové transformace je zachycena vysoká míra interindividuální variability. Časově-frekvenční reprezentace EOD pak umožnila nalézt účinnou metodu (99.4% přesnost klasifikace) identifikace dvou jedinců v jednom akváriu, která je založena na učení bez učitele a nevyžaduje tak tvorbu trénovací množiny. Tato výhoda představuje usnadnění postupu provádění experimentu, ale hlavně zmírnění stresové zátěže pro zkoumané jedince. Součástí této práce bylo také vyhodnocení vlivu psychoaktivní substance (ketamin) a antipsychotika (haloperidol) na parametry EOD rypouna Petersova. Po intoxikaci ketaminem byl nalezen signifikantní vliv této substance na změnu parametrů časově-frekvenční reprezentace EOD, což se projevuje zpomalením/protažením pulzu. Dosažené výsledky ukazují, že efekt ketaminu na elektrickou aktivitu rypouna lze tedy pozorovat už na úrovni jednotlivých EOD. Tento poznatek navazuje na recentní studii, v níž se prokázal vliv ketaminu na elektrickou aktivitu rypouna Petersova, kvantifikovanou na základě počtu EOD. Vyvolané symptomy se však nepodařilo normalizovat haloperidolem a pro prokázání prediktivní validity modelu je proto potřeba zvolit jiný postup analýzy nebo vyzkoušet více dávek a typů antipsychotika.

Gnathonemus petersii (G. petersii) generates electrical pulses (electric organ discharge, EOD) which are used for communication and spatial orientation. Currently, it is being investigated as a suitable species for a novel animal model of schizophrenia. Unlike other models, G. petersii offers the opportunity to analyze its electric activity, thereby enriching the model with the evaluation of electrocommunication. For electrocommunication research, it is necessary to find an efficient way to separate signals from multiple individuals. In this thesis, several types of supervised and unsupervised learning algorithms were compared. The results demonstrated that time-frequency representation of the EOD using continuous wavelet transform captures a high degree of interindividual variability. The time-frequency representation of the EOD then enabled to discover the effective method (99.4% accuracy) for identifying two individuals in the same aquarium, based on unsupervised learning and thus not requiring the creation of a training set. This advantage represents a simplification of the experimental procedure and, most importantly, a reduction of the stress imposed on the individuals under study. The aim of this thesis was also evaluation of the influence of the psychoactive substance (ketamine) and the antipsychotic (haloperidol) on the parameters of the EOD. After intoxication with ketamine, a significant effect of this substance on the time-frequency representation parameters of the EOD was found, manifesting as deceleration/prolongation of the EOD. The results indicate that the effect of ketamine on the electric activity can be already observed at the single EOD level. This observation follows a recent study that demonstrated the effect of ketamine on the electric activity of G. petersii, quantified by measuring the number of EODs. However, the induced symptoms could not be normalized by haloperidol, suggesting the need for alternative analysis approches or the exploration of multiple doses and types of antipsychotics to confirm the predictive validity of the model.